摻MgO膨脹劑的面板混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)

鐘 可,趙志方,朱敏敏,方 博,王建東,施 韜

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 杭州 311231; 3.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430083)

1 前 言

面板堆石壩近年來廣泛運用在水電工程建設(shè)中,混凝土面板在施工期間因溫度變化等引起的開裂問題,成為不容忽視的工程難題。為此,國內(nèi)外諸多學(xué)者對堆石壩面板混凝土的溫度開裂開展了大量研究。徐海燕等[1]發(fā)現(xiàn)溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力是混凝土面板早期微細裂縫產(chǎn)生的主要原因,面板混凝土的裂縫80%以上是非結(jié)構(gòu)性裂縫。李炎隆等[2]基于熱傳導(dǎo)理論和彈性徐變理論,引入了水化度和等效齡期概念,編制了溫度場及溫度應(yīng)力計算程序,研究結(jié)果表明僅考慮水化度影響的模型溫度場及溫度應(yīng)力的計算值偏低,若同時考慮等效齡期的影響可有效解決此問題。為了能夠?qū)崿F(xiàn)面板混凝土的防裂和止裂,有科研工作者在混凝土中加入外加劑來改善混凝土的溫度開裂[3-4]。有關(guān)MgO外加劑對混凝土溫度開裂的影響,學(xué)者們持有不同的意見[5-7]。一些學(xué)者認(rèn)為混凝土熱膨脹系數(shù)主要取決于混凝土骨料,外摻MgO膨脹劑對水泥水化熱和混凝土的絕熱溫升值影響較小,并且對混凝土的導(dǎo)熱、比熱及熱膨脹系數(shù)等熱學(xué)性能參數(shù)的影響不大。而一些學(xué)者認(rèn)為在大壩混凝土中摻入適量特制的MgO,可利用其延遲微膨脹性來補償混凝土的收縮,降低溫度變形,從而改善混凝土開裂。劉猛等[8]對自然養(yǎng)護條件下?lián)郊硬煌钚訫gO膨脹劑混凝土的膨脹性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)摻MgO混凝土的收縮值明顯小于基準(zhǔn)混凝土。

熱膨脹系數(shù)(CTE)作為影響早期混凝土體積變化的重要參數(shù),越發(fā)引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[9]。錢文勛等[10]采用非接觸位移傳感器結(jié)合循環(huán)式恒溫水浴裝置的方式,測試了不同配合比的大壩混凝土早期熱膨脹系數(shù),認(rèn)為大壩混凝土在72 h內(nèi)的熱膨脹系數(shù)變化顯著,72 h后至7 d內(nèi)的熱膨脹系數(shù)相對穩(wěn)定。姚武等[11]測試了混凝土熱膨脹系數(shù)隨齡期的變化關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)混凝土在早期(1～7 d)的熱膨脹系數(shù)主要受相對濕度及水泥漿體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響。然而,由于目前學(xué)者所采用的測試早期混凝土熱膨脹系數(shù)的試驗方法不盡相同,在準(zhǔn)確測量和預(yù)測早期熱膨脹系數(shù)及相關(guān)機理的解釋方面所做的工作仍十分有限,還需不斷地進行深入探索。趙志方等[12]通過采用溫度-應(yīng)力試驗機(TSTM)的方法測定了粉煤灰混凝土的早齡期熱膨脹系數(shù),本實驗也采用溫度-應(yīng)力試驗機法進行面板混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)的測定。

本研究參考某新建堆石壩面板混凝土的配合比,配制基準(zhǔn)面板混凝土(JC)以及摻入5 wt%的MgO膨脹劑的面板混凝土(PC)。采用溫度-應(yīng)力試驗機法在恒溫養(yǎng)護和溫度匹配養(yǎng)護兩種模式下進行了面板混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)的確定,同時探究了MgO膨脹劑對面板混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)的影響機理。

2 面板混凝土早齡期CTE的測定方法

對于堆石壩面板混凝土,早齡期變形主要有溫度變形和自收縮變形[13]。

本研究分別采用溫度匹配養(yǎng)護(TMC)模式和20 ℃恒溫養(yǎng)護(CTC)模式進行各混凝土的溫度-應(yīng)力試驗。混凝土澆筑時,TSTM即開始記錄混凝土的自由應(yīng)變值,混凝土的自由應(yīng)變由兩個獨立的應(yīng)變分量構(gòu)成,即溫度應(yīng)變和自生體積變形,如式(1)所示：

ε(t)=εs(t)+εT(t)=εs(t)+∑αT(t)·ΔTi

(1)

式中：ε為混凝土的自由應(yīng)變;εs為混凝土的自生體積變形;εT為混凝土的溫度應(yīng)變;ΔTi為混凝土溫度發(fā)展的微增量,單位是℃;αT(t)為ΔTi對應(yīng)時間段內(nèi)的線膨脹系數(shù)。

采用等效齡期來表征混凝土的成熟度。Hansen[14]根據(jù)Arrhenius方程提出混凝土等效齡期成熟度方程,該方程適用于較大的溫度范圍(-10～80 ℃),見式(2)：

(2)

式中：te是混凝土的等效齡期,h;Ea是混凝土活化能,J/mol;R是理想氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;T為混凝土養(yǎng)護溫度,℃;t為混凝土養(yǎng)護時間,h。其中不同溫度下混凝土的活化能計算,采用式(3)：

(3)

Turcry[15]的研究表明,在一定溫度養(yǎng)護范圍(10～40 ℃)內(nèi),混凝土的自生體積變形和早齡期CTE的發(fā)展僅與其成熟度有關(guān)。采用等效齡期聯(lián)系不同溫度養(yǎng)護模式下的自生體積變形和CTE,如式(4)和式(5)所示：

εS1(te)=εS2(te)

(4)

αT1(te)=αT2(te)

(5)

式中：εS1和εS2分別表示面板混凝土在TMC模式和CTC模式下的自生體積變形;αT1和αT2分別為混凝土在兩種養(yǎng)護模式下的線膨脹系數(shù),10-6/℃。

在ΔTi所對應(yīng)時間段Δt內(nèi),CTE可以看作常量,對式(1)取微增量得：

Δε(t)=αT(t)·ΔT(t)+ΔεS(t)

(6)

可得在Δte時間段內(nèi)混凝土的CTE：

(7)

式中：Δε2(te)和Δε1(te)為某等效齡期微段內(nèi),兩種不同溫度養(yǎng)護模式TSTM試驗得到的面板混凝土的自由應(yīng)變的變化;ΔT2(te)和ΔT1(te)為某等效齡期微段內(nèi),兩種不同溫度養(yǎng)護模式試驗得到的溫度變化。

由式(7)可知,通過TSTM測試面板混凝土在兩種溫度歷程養(yǎng)護模式下對應(yīng)的自由應(yīng)變差和溫度差,就可確定早齡期不同齡期段的混凝土的CTE。

3 試驗研究和數(shù)據(jù)

3.1 材料及配合比

本試驗使用普通波特蘭水泥P·O 42.5,其密度為3 100 kg/m3。宣城雙樂F類I級粉煤灰,密度為2 100 kg/m3,細度為10.8%。細骨料采用人工砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的人工砂,其細度模數(shù)為2.97。粗骨料采用人工砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的人工碎石,分5～20 mm、20～40 mm兩級,表觀密度為2 620 kg/m3。使用長安育才生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑和M型氧化鎂膨脹劑[13]。兩種面板混凝土JC和PC具有相同的工作性能,配合比見表1。

表1 面板混凝土配合比

3.2 溫度-應(yīng)力試驗

采用航源平洋公司生產(chǎn)的HYPY-TSTM-I型溫度-應(yīng)力試驗機,試驗原理及過程詳見文獻[16]。該設(shè)備由約束變形和自由變形試驗裝置、溫度控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,具體見圖1。測試試件的規(guī)格尺寸見圖2,形狀為狗骨棒形,中部截面是尺寸為150 mm×150 mm的正方形,試件的有效長度為1 500 mm。

圖1 溫度-應(yīng)力試驗機

圖2 溫度-應(yīng)力試驗試件尺寸圖(單位：mm)

本研究的溫度-應(yīng)力試驗采用CTC模式和TMC模式兩種溫度歷程養(yǎng)護面板混凝土[13],兩種養(yǎng)護模式對應(yīng)的輸入溫度歷程曲線見圖3。

圖3 兩種溫度養(yǎng)護模式下TSTM的溫度歷程輸入曲線 (a) 溫度匹配模式;(b) 恒溫模式

3.3 試驗結(jié)果

采用TSTM在CTC模式和TMC模式下,對JC和PC兩組面板混凝土試件的溫度發(fā)展歷程和自由應(yīng)變歷程進行了測試,獲得了在等效齡期下的溫度和自由應(yīng)變曲線,數(shù)據(jù)分別如圖4和圖5所示。

圖4 兩種面板混凝土在等效齡期下的溫度歷程曲線 (a) JC;(b) PC

圖5 兩種面板混凝土在等效齡期下的自由應(yīng)變 (a) JC;(b) PC

4.1 CTE的確定

根據(jù)JC和PC混凝土在兩種養(yǎng)護模式下得到的溫度和自由應(yīng)變值隨等效齡期變化的曲線圖,從而可以得到兩種面板混凝土的自由應(yīng)變差-溫度差關(guān)系圖,如圖6所示。隨著溫度的升高,JC和PC兩種混凝土的自由應(yīng)變均隨著溫度的升高而逐漸增大。與JC混凝土相比,相同溫差下PC混凝土的自由應(yīng)變較小,這是因為氧化鎂的摻入降低了PC混凝土的自由應(yīng)變。如圖7所示,取若干等效齡期區(qū)段內(nèi),通過分段線性擬合應(yīng)變差-溫度差曲線,便可以確定擬合線的斜率為該齡期區(qū)段內(nèi)的CTE。由于面板混凝土早齡期的應(yīng)變差-溫度差擬合線的斜率并不是一個常數(shù),表明早齡期CTE具有時變性。由于論文篇幅所限,圖7僅給出了9.3～11.3 h以及14.4～16.6 h兩個等效齡期時間段PC的CTE曲線擬合。由此方法確定的兩種面板混凝土的CTE分別見表2和表3。

圖6 混凝土的應(yīng)變差-溫度差曲線 (a) JC;(b) PC

圖7 PC混凝土在不同齡期時間段的CTE擬合 (a) 等效齡期 9.3 ～11.3 h ;(b) 等效齡期14.4 ～16.6 h

表2 JC混凝土?xí)r變熱的CTE

表3 PC混凝土?xí)r變的CTE

圖8為兩種面板混凝土的CTE-等效齡期曲線,該圖由表2和表3中羅列的數(shù)據(jù)獲得。由圖8可見,面板混凝土的早齡期CTE具有時變性,7天后的CTE逐漸趨于穩(wěn)定。JC和PC面板混凝土CTE隨等效齡期的總體變化趨勢相同。兩者的差異主要表現(xiàn)在早齡期PC的CTE相比JC明顯更小,7天穩(wěn)定后,PC的CTE相較JC略微偏大。

圖8 兩種面板混凝土的CTE隨等效齡期的變化曲線

4.2 MgO膨脹劑對面板混凝土早齡期CTE的影響機理

本課題組已對兩種面板混凝土在20 ℃恒溫(等效齡期)下的初、終凝時間進行測試,結(jié)果見文獻[13]。初凝時間：JC, 10.3 h; PC, 10.9 h。終凝時間：JC, 13.4 h; PC, 14.4 h。

結(jié)果表明：①面板混凝土的CTE在終凝之前具有很大的值,終凝或終凝附近的幾小時后,混凝土的CTE會快速地降低至一個最小值。水在20 ℃時的CTE極高(207×10-6/℃),這可能歸于混凝土在很早齡期時有大量的自由水[14],隨著混凝土的凝結(jié)硬化,CTE開始降低。②混凝土的CTE從持續(xù)下降至最低點后,略有上升,直至7 d才趨于穩(wěn)定。混凝土的熱膨脹由兩種機理耦合所致：(a)混凝土的基本熱膨脹系數(shù),即混凝土的純熱膨脹,隨著溫度的升高固體骨架立即膨脹;(b)附加熱膨脹系數(shù),由濕熱效應(yīng)而導(dǎo)致,溫度的升高會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部相對濕度升高,造成與純熱膨脹同向的額外膨脹,使整體的CTE增加[17-19]。通常采用ΔRH/ΔT系數(shù)來表示濕熱效應(yīng),隨ΔRH/ΔT的降低,CTE降低。Wyrzykowski等[18]發(fā)現(xiàn)水泥基材料的相對濕度從100%降低到50%左右,ΔRH/ΔT的系數(shù)顯著增加。因此,可能由于面板混凝土的自干燥效應(yīng),即混凝土繼續(xù)水化降低了其內(nèi)部相對濕度,由此增加了混凝土因濕熱效應(yīng)導(dǎo)致的附加熱膨脹系數(shù),從而下降至最低點后,CTE略有上升,然后趨于穩(wěn)定。

MgO膨脹劑對面板混凝土早齡期CTE的影響規(guī)律和機理可歸納如下：

①初凝至終凝附近的齡期段：與JC相比,MgO膨脹劑對CTE的發(fā)展影響不大,此時CTE降低的主要原因是混凝土凝結(jié)硬化失去大量自由水。②CTE在最小值至穩(wěn)定階段：MgO膨脹劑使面板混凝土的CTE值略有增加,額外摻入的MgO膨脹劑略微增加了混凝土的膠凝材料占比,使混凝土水化消耗的水分增加,加快內(nèi)部相對濕度的降低。通常結(jié)構(gòu)緊密的物質(zhì)其熱膨脹系數(shù)較大,因為孔隙能消容一部分膨脹量[16]。MgO膨脹劑的膨脹產(chǎn)物,也就是Mg(OH)2的填充作用有利于降低孔隙率,使混凝土變得密實,不利于膨脹量的消容。MgO膨脹劑降低面板混凝土孔隙率由研究[7]中的壓汞試驗得到進一步證實。與JC相比,摻入MgO膨脹劑有增大面板混凝土CTE的趨勢。

5 結(jié) 論

1．基于溫度-應(yīng)力試驗,采用CTC模式和TMC模式兩種溫度歷程養(yǎng)護面板混凝土,確定其早齡期的CTE。

2．兩種面板混凝土的CTE在早齡期都具有時變性。在終凝前,面板混凝土的CTE值會快速降低至一個最小值,隨后CTE在一定齡期內(nèi)略微上升,到7 d左右趨于穩(wěn)定。

3．MgO膨脹劑對早齡期CTE的發(fā)展影響不大,其摻入會略微增大面板混凝土的CTE。MgO的水化加快了內(nèi)部相對濕度的降低及膨脹產(chǎn)物氫氧化鎂的填充作用,共同影響了面板混凝土的CTE。