膨脹劑對混凝土早期基本徐變的影響

李 華， 汪 洋， 王育江，， 劉加平， 田 倩

（1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103）

在混凝土中摻加膨脹劑制成補償收縮混凝土是目前工程中最常用的從材料角度抑制混凝土收縮變形的措施之一.該措施不僅在隧道、橋梁、地下空間等抗裂防滲要求較高的鋼筋混凝土工程中得到大量應用，還在鋼管混凝土拱橋、超高層結構鋼管柱等體積穩定性要求高的填充性混凝土工程中得到使用［1-2］.根據水化產物的不同，常用膨脹劑有硫鋁酸鈣型、CaO 型、MgO 型，以及上述類型的復合等.作為外加劑，膨脹劑摻入后對混凝土自收縮、干燥收縮及力學性能的影響已有大量研究，并得到一些普遍共識規律；但其對混凝土徐變性能的影響研究較少，且現有研究主要集中于硫鋁酸鈣型膨脹劑［3-5］.近年來，膨脹效能更高、需水量小的CaO 型膨脹劑和水化產物穩定、膨脹歷程可調控的MgO 型膨脹劑在鋼筋混凝土和填充性混凝土中得到越來越多的應用.然而，其對混凝土徐變性能，尤其是早齡期混凝土徐變性能的影響仍缺乏研究，而徐變性能也是影響鋼筋混凝土抗裂性能以及填充性混凝土長期體積穩定性的關鍵因素.

鑒于此，本文研究了CaO 膨脹劑及其與MgO 膨脹劑復合后對C60 自密實混凝土早期徐變行為的影響，并與規范中的計算結果進行對比，以期為考慮膨脹劑影響的混凝土徐變模型的建立提供基礎.

1 試驗

1.1 原材料及混凝土配合比

膨脹劑為自制的CaO 膨脹劑（編號C）和MgO膨脹劑（編號M），其化學組成見表1.其他原材料包括P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、S95 礦渣粉、中河砂、石灰石、PCA-Ⅰ型聚羧酸減水劑和自來水.

參考某橋梁工程實際配合比，試驗用C60 自密實混凝土配合比見表2.其中，REF 代表未摻膨脹劑的空白混凝土；6%C 代表摻加6%CaO 膨脹劑（以膠凝材料總質量計）的混凝土；6%C1.7M1 和10%C1.7M1 代表同時摻加CaO 膨脹劑和MgO 膨脹劑的混凝土，2 種膨脹組分的質量比均為1.7∶1，總摻量分別為6%和10%.

1.2 試驗方法

混凝土的壓縮徐變采用彈簧式徐變儀測試，加載齡期分別為3、7、28 d，加載應力為對應齡期同尺寸試件軸心抗壓強度（fc）的40%.混凝土徐變試件采用兩側帶有孔洞（用于預埋鋼桿及固定螺母）的100 mm×100 mm×300 mm 鋼模成型；2 d 后拆除外鋼模，立即用塑料薄膜和鋁箔紙包裹、密封試件，并放入標準實驗室（（20±2）℃、相對濕度（60±5）%）養護；養護至加載齡期后，在試件兩側預埋鋼桿上架設千分表，并采用彈簧式徐變儀測試混凝土的徐變變形.每組試驗包含2 根試件，試件的徐變值取其試驗平均值.同時成型與徐變試件同尺寸的抗壓強度、彈性模量及自生體積變形試件，2 d 拆模后與徐變試件同方式密封，并放入標準實驗室中養護.其中自生體積變形試件放入標準實驗室后立即用千分表測量長度變化；抗壓強度和彈性模量試件養護至各加載齡期時采用萬能試驗機進行測試.

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

4 組混凝土的軸心抗壓強度（fc）如圖1 所示.由圖1 可見，各加載齡期下，3 組摻加膨脹劑的混凝土軸心抗壓強度較空白混凝土稍有降低，但降幅均不超過10%.根據混凝土軸心抗壓強度來確定混凝土徐變測試時不同加載齡期所施加的荷載值，如表3 所示.由表3 可見，由于同齡期下各組混凝土軸心抗壓強度偏差較小，不同混凝土的軸壓荷載取值基本一致.4組混凝土的靜彈性模量（E）如圖2 所示.由圖2 可見，3 組摻加膨脹劑的混凝土彈性模量與空白混凝土偏差較小，3 d 降幅不超過4%，7 d 降幅不超過7%，28 d降幅不超過8%.

圖2 混凝土彈性模量Fig.2 Elastic modulus of concrete

表3 混凝土徐變測試時的施加荷載值Table 3 Load values at different loading ages for concrete

圖1 混凝土軸心抗壓強度Fig.1 Uniaxial compressive strength of concrete

2.2 混凝土徐變變形

4 組混凝土在不同加載齡期下的總應變（εt，包括瞬時應變和徐變應變）隨時間（t）的變化如圖3 所示，圖中以加水成型時刻為時間零點.由圖3 可見，每個加載齡期下混凝土的總應變均包含最初加載時極短時間內的瞬時應變及隨后長期的徐變應變.盡管有研究表明，混凝土的徐變變形在加載一開始就已經產生，加載極短時間內的變形同時包括彈性變形和徐變變形，但精確區分該時間范圍內的2 種變形非常困難，本文為簡化分析，仍假設最初加載時的瞬時應變均為彈性應變.

圖3 混凝土在不同加載齡期的總應變隨時間的變化Fig.3 Development of total strain of concrete with time at different loading ages

除彈性變形外，每個加載齡期下的總變形還包括混凝土自身水化及水分消耗產生的自生體積變形（εa）.對于未摻膨脹劑的空白混凝土REF，該自生體積變形即為自收縮；對于摻加膨脹劑的混凝土6%C、6%C1.7M1 和10%C1.7M1，該自生體積變形是混凝土基體收縮和膨脹劑膨脹的綜合結果.

4 組混凝土自生體積變形隨時間的變化如圖4 所示，圖中以加水成型時刻為時間零點，以3 d 齡期變形為自生體積變形零點.由圖4 可以看出：在180 d 齡期內，REF 的收縮變形隨齡期不斷增加，但增長速率逐漸放緩；膨脹劑的摻加顯著降低了混凝土的自收縮，相較于REF，6%C、6%C1.7M1 和10%C1.7M1在180 d 齡期的收縮變形分別降低了236×10-6、126×10-6、320×10-6，尤其是10%C1.7M1，在180 d內仍然表現為微膨脹狀態.比較6%C、6%C1.7M1和10%C1.7M1，并結合表2 可以發現，混凝土自生體積變形大致隨著CaO 膨脹組分摻量的提高而增大，即10%C1.7M1＞6%C＞6%C1.7M1＞REF，在CaO 膨脹組分含量近似相同的情況下（6%C和10%C1.7M1），MgO 膨脹組分的摻入進一步增加了混凝土28 d 后的膨脹變形.

圖4 混凝土的自生體積變形隨時間的變化Fig.4 Development of autogenous deformation of concrete with time

在總應變（εt）上扣除瞬時彈性應變（ε0）和自生體積變形（εa）后，得到各組混凝土的基本徐變應變（εc）.在此基礎上，根據式（1）、（2）計算得到各組混凝土在不同加載齡期下的徐變系數（φ）和徐變度（C），如圖5、6 所示.

圖5 混凝土徐變系數Fig.5 Creep coefficient of concrete

式中：σ為加載應力（對應表3 中的荷載值）.

圖6 混凝土徐變度Fig.6 Creep compliance of concrete

由圖5、6 可以看出：對于每組混凝土，其徐變系數和徐變度均隨持荷時間的延長而增長，基本隨加載齡期的增大而降低；相較REF，摻加膨脹劑的3 組混凝土的徐變系數和徐變度均有不同程度增加.比較6%C、6%C1.7M1 和10%C1.7M1 發現，混凝土的徐變系數和徐變度基本隨著膨脹劑總摻量或CaO 膨脹組分摻量的提高而增大.MgO 的摻加進一步增加了混凝土后期徐變的發展，這與文獻［6-8］的研究結果相一致.綜合軸心抗壓強度、彈性模量及徐變變形測試結果可知，本試驗中膨脹劑的摻加對混凝土力學性能的影響較小，但對徐變性能的影響較大.因此，膨脹劑對混凝土徐變的影響并非僅僅由于強度、彈性模量等力學性能的降低導致.

雖然產生混凝土徐變的機理尚未完全被認知，但普遍認為，徐變的產生主要與混凝土中水分的遷移、水泥C-S-H 凝膠體的變形及集料的延遲彈性變形有關.近年來的研究［9］也發現，熟料的溶解可以部分解釋混凝土早期測定的高徐變行為.由表2 可知，本試驗中，膨脹劑等量取代膠凝材料后，混凝土的漿骨比保持不變，因此，各組混凝土徐變性能的差異主要由漿體性能差異導致.Sirtoli 等［3］研究了硫鋁酸鹽水泥基材料的早期基本徐變，發現硫鋁酸鈣快速水化且水化產物類似骨料約束著C-S-H 的徐變變形，同時水化需要大量消耗水等原因也導致早期基本徐變降低.但相較于硫鋁酸鹽，CaO 和MgO 水化需水量小，對混凝土內部水分及濕度影響較小.有研究表明，適量摻加CaO 膨脹劑可以改善混凝土的孔隙結構，改善骨架組分與水泥漿體的界面，特別是在水化初期，因為膨脹劑的水化反應更快，水化產物硬度更大，能夠填充和擠實C-S-H 體系［10-11］，這些影響均會導致混凝土早期徐變的降低.但如果膨脹劑摻量過高或不均勻的摻入，膨脹劑將產生過大的局部膨脹，形成初始損傷（微裂紋），從而導致混凝土徐變增大.本試驗中，膨脹劑的摻加雖對混凝土早期宏觀力學性能影響較小，但顯著降低了混凝土的自生體積變形，甚至在摻量較高的情況下，導致混凝土呈微膨脹狀態，因此，推測膨脹劑的摻加可能增大了基體的孔隙率，甚至產生微裂紋；在膨脹劑摻量較高的情況下，Ca（OH）2等膨脹產物也會在骨料-漿體界面過渡區聚集.這種微結構的變化可能不會顯著影響宏觀力學性能，但會對持續加載下的徐變變形產生影響.此外，本試驗混凝土膠凝材料中已有約30%的礦物摻合料，CaO 膨脹劑摻加后，對礦粉和粉煤灰的水化有促進作用，從而導致C-S-H 凝膠體含量增加.同時，CaO 和MgO 膨脹劑的摻加也導致額外溶解現象的發生，這些因素均會導致混凝土徐變增大.

2.3 徐變試驗結果與模型計算結果的對比

國內外混凝土結構相關規范中均給出了混凝土徐 變 的 計 算 模 型，其 中ACI 209［12］、CEB-FIP MC90-99［13］和AASHTO LRFD 2007［14］等 模 型 整 體描述了徐變規律，但不細分干燥徐變和基本徐變；B3（B4）［12］和fib 2010 模 型［15］區 分 了 基 本 徐 變 和 干 燥徐變.

fib 2010 給出的基本徐變系數表達式如下：

式中：t0為混凝土加載齡期，d；fcm為混凝土28 d 齡期立方體抗壓強度，MPa；βbc（fcm）=1.8/（（fcm）0.7）；βbc（t，t0）為加載后徐變隨時間發展的系數，βbc（t，t0）=ln（（30/t0，adj+0.035）2（t-t0）+1），t0，adj為 混 凝 土 加 載 調 整 齡期，d，與溫度和水泥類型相關，本文取t0，adj=t0.

基于fib 2010 模型的徐變度計算表達式如下：

式中：Et0為混凝土加載時的彈性模量.

根據式（4）得到的4 組混凝土徐變度計算結果與實測結果對比如圖7 所示.由圖7 可以看出，fib 2010模型計算結果與實測結果總體吻合性較好.具體而言，對于空白混凝土REF，3 d 加載齡期時的計算結果與實測結果偏差較大，尤其是持荷前5 d 的實測結果明顯小于計算結果，持荷10 d 以后兩者隨時間發展趨勢基本一致；7 d 加載齡期時，兩者差距進一步縮小；28 d 加載齡期時，實測結果與計算結果基本吻合.對于摻加膨脹劑的3 組混凝土，其中CaO 摻量最低的6% C1.7M1 各齡期徐變發展實測結果與計算結果吻合性較好；CaO 摻量較高的6% C，其徐變發展趨勢高于fib 2010 模型計算結果；CaO 摻量最高且同時摻加MgO 的10% C1.7M1，隨著持荷時間的延長，其徐變發展速率顯著高于fib 2010 模型計算結果.如前文所述，這主要與后期MgO 進一步膨脹有關.因此，對于摻加膨脹劑的混凝土，尤其是在膨脹劑摻量較高的條件下，有必要在計算模型中進一步考慮膨脹劑水化膨脹的影響，特別要考慮徐變隨時間發展系數的影響.

圖7 混凝土徐變度fib 2010 模型計算結果與實測結果的對比Fig.7 Comparison between calculated value of creep based on fib 2010 model and measured value of concrete

3 結論

（1）在基本不影響抗壓強度和彈性模量的情況下，膨脹劑的摻加增大了混凝土的基本徐變變形.混凝土徐變度和徐變系數基本隨著膨脹劑總摻量或CaO 膨脹組分摻量的提高而增大.

（2）未摻膨脹劑的空白混凝土及CaO 膨脹劑摻量較低時，混凝土徐變度實測結果與fib2010 模型計算結果吻合度較好，但在CaO 膨脹劑摻量較高的條件下，混凝土徐變發展趨勢明顯高于模型計算結果，進一步摻加MgO 后，混凝土后期徐變進一步增加.

（3）對于CaO 膨脹劑摻量較高或進一步摻加MgO 膨脹劑的混凝土，有必要研究膨脹對徐變隨時間發展系數的影響，進而對模型進行修正.