基于溫度應力試驗機膨脹劑對混凝土抗裂性能的影響研究

劉拼，李從號，徐可

（武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430080）

0 引言

混凝土結構開裂問題是土木工程領域極為關注的問題，雖然從結構設計的角度對混凝土結構裂縫進行了相應規定[1-2]，但統計數據顯示混凝土結構中的裂縫僅約 20% 由荷載引起，而由非荷載因素造成的裂縫高達80%[3-4]。非荷載裂縫主要表現為早齡期階段的溫度變化導致的溫度裂縫和混凝土內部水分含量變化造成的收縮裂縫[5-7]。混凝土結構一旦產生裂縫并且裂縫在某些因素作用下不斷發展，對結構的正常使用會產生一定的影響，甚至威脅結構的安全性和耐久性。

基于補償收縮混凝土技術，在混凝土中摻加膨脹劑配制補償收縮混凝土，混凝土在受約束條件下內部產生預壓應力，能有效抵消混凝土因溫度收縮和干燥收縮產生的拉應力，提高混凝土的抗裂性能和耐久性[8-9]。然而，膨脹劑在制備過程中，磨機工藝參數、粉磨時間、原材料品質等存在波動性，成品膨脹劑的粒徑分布具有差異性，使膨脹劑在混凝土中的膨脹性能發揮不盡相同[10-11]。溫度應力試驗可考慮各種因素的綜合作用，有效評價混凝土的開裂敏感度[12-13]，其中采用溫度應力試驗機試驗過程中開裂溫度可作為綜合評價混凝土抗裂性/開裂趨勢的指標[14-15]。本文基于溫度應力試驗機（TSTM）探討氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑在特定溫度歷程下對混凝土抗裂性能的影響。

1 溫度應力試驗

1.1 溫度應力試驗機工作原理

溫度應力試驗機（TSTM）是一種單軸試驗裝置，其實物圖如 1 所示。試件結構尺寸示意圖如圖 2 所示，試件長 2000mm，有效總長 1500mm、橫截面 150mm×150mm。試件結構兩端有兩個夾頭，靠近荷載傳感器一端為活動夾頭，其余荷載傳感器連接在步進電機的減速箱上；另一端為固定夾頭。緊貼試件兩側的溫控模板可以基于循環介質對混凝土試件進行加熱或冷卻。試驗裝置的控制系統通過溫度傳感器、荷載傳感器和位移傳感器自動記錄試件的溫度、應力、活動夾頭以及變形。在試驗過程中，混凝土試件處于密封狀態，其膨脹或收縮使得活動夾頭移動，當活動夾頭的位移超過設定值時，控制系統控制步進電機工作轉動，使活動夾頭回至原位，保證混凝土試件長度不變。在混凝土試件中心預先埋設溫度傳感器，依據其反饋的數據調整循環介質的溫度，使混凝土試件處于預先設定的溫度歷程下。

圖1 溫度應力試驗機實物圖

圖2 試件結構尺寸示意圖

1.2 試驗原材料和混凝土配合比

采用 P·O42.5 水泥；Ⅰ級粉煤灰；S95 級磨細礦渣粉；5～10mm 和 10～26.5mm 碎石按 1:2 比例配制5～26.5mm 連續級配的粗骨料，含泥量不大于 1%；4.75mm 圓孔篩篩選、細度模數 2.4～2.6 的機制砂，含泥量不大于 3%；聚羧酸系高性能減水劑；氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑具有氧化鈣（CaO）和硫鋁酸鈣（CAS）雙膨脹源組分，其主要成分有氧化鈣（特征峰 2.7723、2.4004 和 1.6972）、硫鋁酸鈣（特征峰3.7540）和石膏（特征峰 3.5065），XRD 圖和 SEM 圖分別如圖 3 和圖 4 所示。氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑樣品 A1 和樣品 A2 依據 GB/T 1345—2005《水泥細度檢驗方法篩析法》采用負壓篩析儀進行篩分，篩分結果詳見表 1。

圖3 氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑 XRD 圖

圖4 氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑 SEM 圖

表1 氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑樣品粒徑分布

由表 1 可知，80μm 方孔標準篩上 A1 樣品的篩余值為 19.47%、A2 樣品的篩余值為 28.85%，說明相較于A1 樣品，A2 樣品粗顆粒較多、比表面積小。

為保證混凝土入模溫度大于 30℃、混凝土成型溫度控制在 (35±2)℃、混凝土擴展度 550mm及坍落度(220±20)mm，根據原材料性能進行混凝土試配試驗，混凝土最終配合比見表 2，膨脹劑約占膠凝材料總量的7.95%、內摻等量取代粉煤灰。

表2 C45 混凝土配合比 kg/m3

1.3 溫度應力試驗機參數設置

通過溫度應力試驗機采用手動方式設定的溫度歷程如圖 5 所示。起始溫度設定為 35℃，20h 后混凝土溫度達到溫峰值且為 65℃；隨后經歷 48h 混凝土溫度降至35℃，若在此期間混凝土開裂則停止試驗，若混凝土未開裂則保持平均每 0.5℃/h 降溫、直至斷裂；若直至溫度應力機最低溫度仍未斷裂，停止試驗。

圖5 設計溫度歷程

空白組、A1 樣組和 A2 樣組均調用相同的溫度歷程；均采用 100% 約束、步進電機單位設置為 1.3μm、恒溫時步進單位設置為 1.3μm，采集間隔為 5min。

1.4 試驗過程

試驗準備：包括試驗材料的準備和試驗儀器的調試等。為保證試驗室溫度應力試驗的連續性，在正式成型前依據混凝土配合比、主附試件混凝土用量（約120L）以及試驗室用混凝土攪拌鍋等將試驗原材料均稱量好。試驗進行前，將溫度應力機試件槽內的雜物清理干凈、涂刷脫模油，并墊塑料薄膜紙，如圖 6 所示。

圖6 溫度應力試驗機準備工作

試驗參數設置及調試：點擊試驗儀器自帶調試軟件界面，設置溫度曲線、約束度、步進電機單位等參數，同時需要將步進電機的刻度線回至起始點，保證電機不會超量程。

混凝土成型、裝模：按照配合比要求連續拌制混凝土，并將混凝土分兩層分別裝入主、附試件槽內，裝模過程中確保混凝土在塑料薄膜以內。混凝土振搗：每裝一層混凝土需用振搗棒進行振搗，保證澆筑的混凝土密實可靠。

刮平及封膜：振搗完成后及時將預先鋪墊的塑料薄膜封裹澆筑面并用膠帶加固。

插入溫度傳感器：將套有銅管的溫度傳感器從蓋板中央處插混凝土中，確保在混凝土的中心處。

調試位移表并開始試驗：調試溫度應力試驗機一端的位移傳感器，確保讀數在±3 左右，調試好后即可點擊開始試驗。

2 試驗結果與分析

空白組、A1 樣組和 A2 樣組混凝土試件試驗中相關參數如表 3 所示。

2.1 混凝土試件溫度

空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件的溫度曲線如圖 7所示。由圖 7 和表 3 可知，3 組混凝土試件除入模溫度要低于設定的起始溫度外，其他均與設定的溫度歷程相吻合，說明混凝土試件內部溫度控制滿足要求；空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件 20h 左右達到內部溫度達到峰值且分別為 65.7℃、64.8℃ 和 64.5℃，均在 (65±1)℃范圍內，滿足設定曲線最高溫度要求。高溫、100% 單軸約束條件下，空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件的開裂溫度分別為 24.8℃、34.0℃ 和 23.5℃，摻加 A2 樣混凝土試件的開裂溫度稍低于空白，說明 A2 樣在一定程度上能夠提高混凝土的抗裂性能；摻加 A1 樣混凝土試件開裂溫度要高于空白組混凝土，說明 A1 樣并未有助于提高混凝土抵抗溫度變形的能力。因此，高溫、強約束條件下，混凝土的抗裂性能在一定程度上受到氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑粒徑分布的影響，膨脹劑中粒徑大的顆粒占比適當提高，可在一定程度上降低混凝土的開裂溫度、有利于提高混凝土的抗裂性能。

表3 混凝土試件試驗中相關參數

圖7 混凝土試件溫度曲線

2.2 混凝土試件應變

空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件應變曲線如圖 8 所示。由圖 8 和表 3 可知，升溫階段，3 組混凝土試件發生膨脹變形、累計膨脹變形逐漸增大，且摻氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑的混凝土試件的累計膨脹變形明顯高于空白組，空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件膨脹變形最大值分別為 9.17με、32.40με 和 41.11με。這是由于空白混凝土試件的膨脹變形的增長源于溫度的上升，使得混凝土因熱脹冷縮而發生溫度變形，而摻加膨脹劑的混凝土試件的膨脹變形除此之外還源于膨脹劑水化反應提供膨脹能使混凝土膨脹變形。其中，摻 A2 樣混凝土試件的累計膨脹變形值要大于摻 A1 樣的混凝土試件，這是由于 A1 樣相對于 A2 樣粗顆粒占比小、比表面積大，水化反應迅速，其產生的膨脹能相對于 A2 樣穩定期短。20h 后混凝土試件均處于降溫階段，混凝土試件溫降收縮，其累計變形值逐漸減小，但摻加膨脹劑的混凝土試件的收縮要明顯小于空白混凝土試件，且在同一時間段摻 A2 樣的混凝土試件收縮最小，說明氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑能有效地降低混凝土的收縮值，且粒徑大的顆粒占比適當提高抵抗混凝土收縮效果更好。

圖8 混凝土試件應變曲線

2.3 混凝土試件應力

空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件應力曲線如圖 9 所示，圖中應力值為正值表示受壓、反之受拉。由圖 9 和表 3 可知，在混凝土溫峰到來之前，空白、A1 樣和 A2樣混凝土試件達到最大壓應力，這是由于混凝土在早期應力松弛[16]；摻加 A1、A2 樣混凝土試件的壓應力均要遠高于空白試件，其中空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件最大壓應力分別為 0.31MPa、1.92MPa 和 1.94MPa，說明高溫、強約束條件下氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑在早期快速水化反應產生膨脹能，在混凝土內部產生較大的預壓應力，但是從三組混凝土試件最大壓應力出現時間和第二零應力出現時間可知，相對于空白組摻加氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑的混凝土試件中預壓應力保持的時間不是太長；同時，摻加 A2 樣混凝土試件內部的預壓應力均要略高于摻加 A1 樣混凝土試件，說明膨脹劑中粒徑大的顆粒占比適當提高能產生相對穩定的膨脹能。

圖9 混凝土試件應力曲線

此外，摻氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑混凝土試件的開裂應力均要低于空白組，其中空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件斷裂時開裂應力分別為 2.48MPa、1.28MPa 和 1.57MPa。其原因在于氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑在高溫、強約束條件下過早地產生較大的膨脹能，為保證混凝試件長度不變，電機頻繁進行拉、壓動作使得混凝土內部損傷較空白混凝土試件大，且膨脹劑中粗顆粒占比越小內部損傷越大。

3 結論

（1）高溫、強約束條件下，混凝土的抗裂性能在一定程度上受到氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑粒徑分布的影響，膨脹劑中粒徑大的顆粒占比適當提高，可在一定程度上降低混凝土的開裂溫度，有利于提高混凝土的抗裂性能。

（2）在高溫、強約束條件下，氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑能有效地降低混凝土的收縮值，且粒徑大的顆粒占比適當提高抵抗混凝土收縮效果更好；氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑早期可在混凝土內部產生較大的預壓應力，但降低了混凝土的開裂應力。

（3）采用膨脹劑來提高混凝土抗裂性能是一種有效的技術路徑，但實際生產及應用中應重視粒徑分布對膨脹劑性能發揮的影響。高溫、強約束條件下，摻加入混凝土中的氧化鈣—硫鋁酸鈣復合型膨脹劑的最佳粒徑分布有待進一步探討。