高性能混凝土早期熱膨脹系數的測定方法

彭 顥

（中核混凝土股份有限公司昌江分公司，海南 昌江 572700）

0 引言

熱應力是造成混凝土結構早期開裂的主要原因，如果施工過程中由于水化反應放熱導致的混凝土溫度升高得不到控制，對于高性能混凝土（High performance concrete, 簡稱HPC）而言，早期開裂問題會更加嚴重。水泥水化過程中，混凝土內部微觀結構快速變化，混凝土的熱膨脹與早期溫度變化不成正比，這使得很難準確預測混凝土早期的熱應變情況[1-4]。混凝土的熱膨脹系數（Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE）主要受骨料類型的影響，然而，關于新拌混凝土CTE隨時間變化情況的數據非常有限[5,6]。新拌混凝土的CTE 初始值相對較高（高于20×10-6/℃），在硬化過程中迅速降低至10×10-6/℃左右。由于液相中非結合水占主導地位，新拌混凝土的CTE 值較高，約為硬化混凝土的7 倍。隨后，混凝土的微觀結構開始形成，導致CTE持續降低到一穩定值[7,8]。

由于混凝土是一種非均質、多孔的材料，CTE 的測量并不簡單。為了可靠地預測混凝土結構早期性能，本文假設熱變形和自變形不耦合，提出了一種確定混凝土早期熱膨脹系數的試驗方法，同時提供了兩種不同類型高性能混凝土的測試結果，以驗證本文提出的試驗方法的有效性。同時，本文還提出一種新的熱膨脹系數計算方法，在根據隨時間變化的熱變形確定熱膨脹系數之前，從實際測量數據中消除混凝土自收縮的影響，使用熱膨脹系數預測公式計算出CTE。

1 試驗裝置和校準方法

將一組（3 個）密封混凝土棱柱試件置于室內環境中，使其從凝結到凝結后7d里每天經歷3次25~30℃的全溫度循環。試驗裝置示意圖如圖1 所示。模具由9.5mm厚的冷軋鋼板制成，內部尺寸為75mm×75mm×295mm。每個模具都放置在鋼模板上，位移傳感器（LVDT）也連接在該模板上。鋼模具之間短的垂直間隔件用來確保模具的側面都暴露在相同的環境溫度下。放置在地板和試驗設備之間的泡沫橡膠墊可將室內的振動降至最低。在鋼模具內壁涂有一層石油凝膠和一層薄塑料膜以減少鋼模具內壁和混凝土之間的摩擦。鋼模具的端板（75mm×75mm×9.5mm）內襯1.5mm厚的閉孔泡沫橡膠墊，以允許混凝土試件在縱向方向上自由移動，特別是在熱膨脹期間。使用鋼模具兩端的位移傳感器測量每個混凝土棱柱體的縱向變形。這些傳感器固定在試驗設備的結構鋼底座上，通過不銹鋼延伸軸連接到直徑為20mm的金屬盤上。在混凝土澆筑過程中，圓盤嵌入混凝土棱柱體的端部。延伸軸由安裝在鋼模具端板上小孔中的油浸青銅軸承連接，以消除混凝土澆筑期間和混凝土凝結之前圓盤的橫向位移。通過在每個混凝土棱柱體中心和表面嵌入熱電偶來測量混凝土的溫度。本文使用電阻溫度檢測器（RTD）監測室內的環境溫度。在混凝土凝結硬化早期，CTE 值快速變化，為了保證讀數的準確性，減少CTE測定中的誤差，在試驗設備組裝過程中，必須確保以下幾點：（1）混凝土無變形；（2）防止外部干燥；（3）混凝土試件中的溫度是均勻的。

圖1 測試儀器示意圖

試驗中，除了減小混凝土的熱膨脹外，還必須減少溫度效應的影響，以確保準確測定出混凝土CTE。溫度效應的影響體現在很多方面，包括對測量儀器和試驗設備的影響。理論上，可以使用傳感器制造商提供的溫度校準曲線、鋼的理論CTE和試驗設備的幾何結構來估計這些溫度效應的影響。然而，理論計算是基于一些不確定的假設前提下才成立的，降低了測量結果的準確性。因此，本文通過在受控環境中的試驗測試來確定給定試驗設備的校準曲線。

建立3 個相同的測試裝置，并進行校準，校準程序包括用3種不同的金屬塊交替測試。所選的3種金屬包括：（1）科瓦合金，測得的CTE 為7.2×10-6/℃；（2）17-4PH不銹鋼（SS17），測得的CTE為10.7×10-6/℃；（3）316不銹鋼（SS316），測得的CTE為16.4×10-6/℃。這3種金屬擁有相對較寬的CTE范圍，能夠包含由不同類型骨料制成的混凝土預期的CTE 范圍。金屬塊的尺寸為275mm×75mm×25mm，與混凝土試件的尺寸相似，但是金屬塊的厚度是25mm。帶有金屬塊的3個試驗裝置在20~30℃之間進行溫度循環，中間步驟為25℃，同時，金屬塊的溫度循環要略大于混凝土試件的溫度循環。每個金屬塊的熱變形由2個位移傳感器測量，位移傳感器的軸擰入金屬塊中，通過在金屬塊下涂上一層薄薄的塑料膜和石油凝膠，將位移傳感器與金屬塊之間的摩擦降到最低。

使用3種金屬塊進行儀器校準試驗時測得的平均應變和平均溫度如圖2所示。為了清楚比較三者的差異，此圖僅顯示了兩個完整的溫度循環。由表2可知，由于CTE 不同，科瓦合金金屬塊對溫度變化的響應最顯著，而316不銹鋼的響應最不明顯。通過這些應變和溫度校準數據確定在3個測試設備上每個金屬塊的平均CTE。

圖2 儀器校準時測量的應變和溫度

通過繪制金屬塊已知的CTE 曲線與試驗設備中測量的CTE 曲線來獲得3 種試驗設備的平均校準曲線，如圖3 所示。每個數據點是在3 種設備中試驗測出數據的平均值。圖3 中線性回歸線的縱坐標為試驗裝置的平均CTE（17.1×10-6/℃）。還可以觀察到，CTE 的所有測量值都是負值，這是因為試驗設備的CTE 是高于金屬塊的CTE 的。

圖3 試驗儀器的平均校準曲線

2 高性能混凝土的熱膨脹試驗

該研究使用的水膠比為0.35，用于密封固化條件下的典型高性能混凝土和內部養護高性能混凝土的2種混凝土設計[9-11]。內部養護技術包括向水泥中提供內部養護水，通過用預浸多孔輕質（LW）砂代替正常重量（NW）砂，改善水化并減少內部干燥，這種LW砂的含水量接近22%。2種高性能混凝土的配合比設計見表1所示，性能指標見表2所示。由表2可以看出，2種高性能混凝土7d抗壓強度相近（50MPa左右），但空隙率略有不同。

表1 2種高性能混凝土配合比設計

表2 2種高性能混凝土實測性能

2.1 典型高性能混凝土的熱膨脹試驗

混凝土放置在3個鋼模具中，頂部表面用塑料板密封，以防止干燥收縮，然后將模具放置在初始環境溫度為25℃的室內環境中。混凝土澆筑后2h，開始溫度循環，從25~30℃。每個目標溫度保持恒定的3h45min，每個溫度步驟之間有15min 的間隔。3h45min 的持續時間足以在每個步驟結束時在混凝土試件中達到穩定均勻的溫度。混凝土試件很快達到熱平衡，因此溫度循環級差（5℃）應當足夠小，以在早期獲得大量的CTE值。在小幅度的溫度循環下，隨著時間的推移，溫度對CTE 發展速度的影響非常小。圖4 顯示了室內的環境溫度下，3個溫度循環下測量的混凝土平均溫度和平均應變。

圖4 典型高性能混凝土中測量的溫度和應變

根據測量的混凝土位移計算混凝土總應變，然后根據溫度效應進行校正，如下式所示：

式中：εtot——校正后的混凝土凝結后的總溫度應變；

εtest——測得的未校正的混凝土凝固后的應變；

αa——設備的CTE（17.1×10-6/℃，如圖3所示）；

Tc——混凝土的實測溫度；

Tci——混凝土凝結時的初始溫度。

每個溫度步驟結束時測得的混凝土中的總應變（3次試驗的平均值）、收縮應變和熱應變如圖5所示。混凝土收縮應變曲線通過將移動平均曲線擬合到總應變曲線來確定，然后通過從給定時間的總應變中減去收縮應變來計算熱應變，如下式所示：

圖5 典型高性能混凝土中的總應變、收縮應變和熱應變

2.2 內部養護高性能混凝土CTE的測試

測試內部養護高性能混凝土的原因：一是驗證高性能混凝土中水分含量的增加對CTE的影響；二是驗證所提出方法在低收縮混凝土中測量CTE的有效性（由于熱應變的確定取決于收縮和總應變之間的差異，因此有必要驗證使用低收縮混凝土是否可以提高測試CTE 值的準確性）。

對于內部養護高性能混凝土，環境溫度、測量的混凝土平均溫度和混凝土平均應變與時間的函數關系，如圖6所示。測量的混凝土試件的中心（實線）和表面（虛線）溫度，從這兩條曲線可以看出，混凝土樣品具有良好的溫度均勻性，在任何給定的溫度循環結束時，混凝土樣品的內外溫度差從未超過0.4℃。

圖6 內部養護高性能混凝土中測量的溫度和應變

每個溫度循環步驟結束時測得的混凝土總應變（3次試驗的平均值）、收縮應變和熱應變如圖7所示。內部養護為混凝土提供了近55kg/m3的內部養護水，使混凝土的自收縮在7d內從-225με顯著降低到-30με。

圖7 內部養護高性能混凝土中的總應變、收縮應變和熱應變

3 熱膨脹系數的計算

基于以上試驗結果，本文提出一種新的熱膨脹系數計算方法，使用熱膨脹系數預測公式計算出兩種高性能混凝土的CTE，從而使得任何給定時間高性能混凝土的CTE都可以通過以下預測公式計算得出：

式中：αc——給定時間高性能混凝土的CTE；

?εt?——2個溫度循環步驟之間的熱應變增量變化；

?εtot和?Tc——分別為2個溫度循環步驟之間總應變和收縮應變的增量變化。

2 種不同高性能混凝土的CTE 值如圖8 所示，其中每條曲線是3個試驗數據的平均值。可以看出，內部養護增加了高性能混凝土的含水量，但不會影響CTE的時間演變。一般而言，兩種高性能混凝土的CTE在凝結后1d達到最小值（8×10-6/℃），在凝結后3d增加稍快并在7d 齡期時逐漸增加至10.5×10-6/℃。高性能混凝土CTE在早期時增加是由多種因素綜合影響的，主要包括水泥水化和自干燥。圖8表明，本文提出的試驗方法的準確性不受混凝土收縮量的影響，對于每種高性能混凝土類型，在7d時間內，3個混凝土棱柱試件之間的標準偏差為0.5×10-6/℃，變異系數為5%。同時，通過以上試驗及預測結果的對比，驗證了本文提出的試驗方法及CTE預測公式是準確且有效的。

圖8 高性能混凝土CTE隨時間的變化

4 結束語

為了準確預測混凝土結構早期性能，本文在假設熱變形和自變形不耦合的前提下，提出一種確定混凝土早期熱膨脹系數的試驗方法，對兩種高性能混凝土進行了試驗測試，同時，提出一種新的熱膨脹系數計算方法，使用熱膨脹系數預測公式計算出兩種高性能混凝土的CTE，得出以下結論：

（1）本文提出的試驗和分析方法允許在混凝土凝結后僅12h內準確測定CTE，試驗樣品之間的平均變異系數為5%。

（2）在高性能混凝土凝結24h 后，CTE 達到最小值（8×10-6/℃），在凝結3d后的CTE增加稍快并在7d齡期時逐漸增加至10.5×10-6/℃。

（3）內部養護增加了高性能混凝土的含水量，但不會影響CTE的時間演變。

通過以上試驗及預測結果的對比，驗證了本文提出的試驗方法及CTE預測公式的有效性。