加摻合料高性能混凝土早齡期收縮特性

    混凝土收縮的研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的重視，因?yàn)閷?shí)際工程中處于不同約束狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)往往因收縮大而產(chǎn)生開(kāi)裂，從而對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性構(gòu)成威脅^{[ 1 ，2 ]}。 過(guò)去，人們都認(rèn)為收縮是一個(gè)長(zhǎng)期性能，國(guó)標(biāo)中對(duì)收縮的測(cè)量一般都是從標(biāo)養(yǎng)3 d 后開(kāi)始的；近年來(lái)，水泥標(biāo)號(hào)越來(lái)越高，混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度大為提高，混凝土的后期收縮相對(duì)減小，更多的收縮發(fā)生在早期，從而引發(fā)了工程中越來(lái)越多的早期開(kāi)裂現(xiàn)象。尤其對(duì)于低水膠比的高性能混凝土，因其自生收
縮大且主要發(fā)生在早期，對(duì)于早期收縮的研究可能比隨后測(cè)到的收縮更為重要^{[3 ]}。

    加入礦物摻合料代替部分水泥是配制高性能混凝土最常用方法，而關(guān)于礦物摻合料對(duì)高性能混凝土早齡期收縮的影響研究還不多，一些研究結(jié)果之間還存在明顯分歧。 本文將采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法^[4] ，測(cè)量加入不同摻合料高性能混凝土從6 h(相當(dāng)于初凝) 時(shí)開(kāi)始到3 d 齡期內(nèi)的自生收縮與單面干燥條件下的總收縮，以及在此干燥條件下混凝土試件的重量損失。

    牡丹江水泥廠生產(chǎn)的P. O42.5 普通硅酸鹽水泥. 摻合料使用挪威?？瞎旧a(chǎn)硅灰，深圳第二電廠Ⅰ 級(jí)粉煤灰和鞍山鋼鐵集團(tuán)產(chǎn)磨細(xì)礦渣粉. 粗骨料采用石灰?guī)r質(zhì)碎石， Dmax = 20 mm ， 連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)為4.9 % ， 含泥量< 110 % ; 砂子為松花江江砂，細(xì)度模數(shù)為2182 ， 屬中砂、Ⅱ 區(qū)級(jí)配. 減水劑采用萘系高效減水劑M100 ， 減水率為25 %～35 %.

    試驗(yàn)中僅考慮摻合料等質(zhì)量取代部分水泥單一因素作用，所有配比的混凝土膠凝材料總用量固定為520 kg/m³，水膠比固定為0.3 ， 砂率固定為0.38 ， 通過(guò)減水劑用量使新拌混凝土坍落度控制在18～ 22 cm 范圍內(nèi)，共設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)混凝土(Control) 、摻入硅灰5 %(SF5) 和10 %(SF10) 、摻入粉煤灰20 %(FA20) 和40 %(FA40) 、摻入磨細(xì)礦渣粉20 %(SL20) 和40 %(SL40) 七個(gè)配比的混凝土，具體配合比及相對(duì)應(yīng)的坍落度、抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表1。

    對(duì)于混凝土早期收縮的測(cè)量，各國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可依，本文采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法收縮測(cè)量?jī)x，具體試驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)^{[4 ]}。測(cè)量的初始齡期選為混凝土澆注成型6h(接近初凝)，這是由于低水膠比的混凝土在初凝后便開(kāi)始產(chǎn)生自生收縮，而在此之前混凝土因收縮而產(chǎn)生的裂縫可通過(guò)二次抹面等措施消除，但在初凝后混凝土中如果出現(xiàn)宏觀裂縫就很難消除，即初凝后的收縮為有害收縮。采用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm， 每種混凝土同時(shí)成型6 個(gè)的試件，兩個(gè)測(cè)量密封條件下的收縮(室溫20 ±0.5 ℃，完全密封與外界無(wú)濕度交換) 、兩個(gè)測(cè)量干燥環(huán)境下的收縮(只將試件成型面暴露于干燥環(huán)境中，即20 ±0.5 ℃， RH = 50 ±5 %) ；另外兩個(gè)分別用來(lái)測(cè)量混凝土在密封、干燥環(huán)境中內(nèi)部溫度變化情況。假設(shè)混凝土溫度膨脹系數(shù)為10 ×10^-6/ ℃，結(jié)合以上幾個(gè)測(cè)量值即可換算出恒溫條件下混凝土的早期自生收縮和總收縮值^{[6 ]。}同時(shí)還測(cè)量了混凝土在密封及單面干燥條件下的重量損失情況。

    各混凝土的自生收縮測(cè)量結(jié)果如圖1 ， 可見(jiàn)， 摻硅灰對(duì)混凝土1 d 內(nèi)自生收縮基本無(wú)影響，而1 d 后摻硅灰混凝土收縮開(kāi)始加快，超過(guò)了基準(zhǔn)混凝土，到3 d 時(shí)摻5 % 、10 % 硅灰使混凝土自生收縮分別增加了618 % 和10 %. 這是因?yàn)? d 齡期內(nèi)硅灰主要發(fā)揮細(xì)顆粒物理填充作用，化學(xué)活性并不顯著；而1 d 之后這兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。與基準(zhǔn)混凝土相比，隨著粉煤灰摻量的增多， 混凝土早期自生收縮明顯減小。 粉煤灰摻量20 % 、40 % 使混凝土1d 時(shí)自生收縮分別減小了29.7 % 、45 % ；3 d 時(shí)自生收縮減小率分別為20.5 % 、38.1 %，可見(jiàn)摻入粉煤灰對(duì)早齡期內(nèi)自生收縮的降低作用顯著，這將有利于防止或減輕混凝土早期開(kāi)裂。

                         

     通常認(rèn)為細(xì)度大于4000 cm²/g 的磨細(xì)礦渣摻入后會(huì)增大混凝土自生收縮[5] ，但試驗(yàn)結(jié)果是從1 d 齡期開(kāi)始測(cè)量得到的。從本試驗(yàn)結(jié)果看，由于礦渣的摻入對(duì)混凝土有一定的緩凝作用，在開(kāi)始測(cè)量的幾個(gè)小時(shí)里，摻礦渣混凝土自生收縮值小于基準(zhǔn)混凝土，且摻量越多收縮越??；1 d 后摻量20 % 的混凝土自生收縮值開(kāi)始超過(guò)基準(zhǔn)混凝土，而摻量40 % 的混凝土由于產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，開(kāi)始時(shí)的收縮值非常小甚至有微膨脹現(xiàn)象^[6] ，其自生收縮在整個(gè)測(cè)量期間均遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)混凝土；到3 d 時(shí)摻入礦渣20 % 、40 % 的混凝土自生收縮值分別為基準(zhǔn)混凝土的110.6 % 、54.6 %。

     由以上分析可見(jiàn)，各摻合料對(duì)混凝土早期自生收縮的影響比較復(fù)雜，與摻合料種類(lèi)、摻量和齡期等因素相關(guān). 而抗壓強(qiáng)度能在一定程度上反映出膠凝材料的水化程度，Eurocode prEN 提議用混凝土抗壓強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)混凝土自生收縮值[7 ] 。為了能用一個(gè)簡(jiǎn)單變量預(yù)測(cè)出摻合料對(duì)同水膠比混凝土自生收縮的影響，將同一齡期的加摻合料混凝土與基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度比與自生收縮值比進(jìn)行回歸分析(如圖2) ，發(fā)現(xiàn)兩者之間有很好的線性關(guān)系： εa/εa0 = A ( f c/ f c0) + B [1 ]。 式中：εa 、εa0分別為加與不加摻合料時(shí)混凝土的自生收縮值(10- 6) ；f c 、f c0 分別為加與不加摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度值(MPa) 。

               

 

    由于實(shí)際工程中早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)幕炷两^大多數(shù)只是處于單面干燥狀態(tài)下，因而本試驗(yàn)中只是將混凝土試件成型面置于干燥環(huán)境中，其他側(cè)面密封的條件下測(cè)量棱柱體試件沿中心軸向的收縮值. 從試驗(yàn)結(jié)果圖3 可見(jiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)期間，摻與不摻硅灰混凝土總收縮值相差僅在10 % 范圍內(nèi)，到3 d 時(shí)摻硅灰混凝土總收縮值比基準(zhǔn)混凝土大約6 % ， 因此，摻硅灰對(duì)混凝土早期干燥條件下的總收縮值影響不大。

    由于明顯地減小了早期自生收縮，摻粉煤灰混凝土的總收縮值均低于基準(zhǔn)混凝土;但由于粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢，混凝土早期密實(shí)度低于基準(zhǔn)混凝土，因而其在干燥條件下的水分散失率較大，使得其對(duì)總收縮值的降低不如自生收縮明顯，到3 d 時(shí)，摻40 % 粉煤灰混凝土總收縮值僅比基準(zhǔn)混凝土降低約5.4 %。

    在開(kāi)始測(cè)量的6～8 h 內(nèi)，摻礦渣混凝土的總收縮值小于基準(zhǔn)混凝土，而且摻量越大的混凝土收縮值越小。這是由于在此期間礦渣混凝土自生.收縮值較小，同時(shí)因其表面泌水能夠及時(shí)地補(bǔ)充水分蒸發(fā)，從而混凝土內(nèi)部向外的水分遷移和由此帶來(lái)的相對(duì)濕度降低還不明顯。隨后，由于強(qiáng)度發(fā)展緩慢且礦渣的保水性不好，摻礦渣混凝土中水分的不斷散失以及相對(duì)應(yīng)自生收縮增長(zhǎng)速度的加快使總收縮值增長(zhǎng)速率加快，逐漸超過(guò)了基準(zhǔn)混凝土1 d 齡期時(shí)，摻量20 % 、40 % 礦渣混凝土的總收縮值比基準(zhǔn)混凝土均高約13.7 %；3 d 齡期時(shí)，分別高出18.7 % 和32.6 %。

    對(duì)于低水膠比的高性能混凝土，不能將其在干燥條件下的收縮簡(jiǎn)單地歸為干燥收縮，而是自生收縮與干燥收縮共同作用的結(jié)果。盡管早期干燥引起的水分散失會(huì)在一定程度上影響到混凝土自生收縮，這時(shí)混凝土的實(shí)際自生收縮值小于密封條件下的自生收縮^{[ 8 ]}。但通常還是用測(cè)量到的混凝土在干燥條件下的總收縮εt 與密封條件下的自生收縮值εa 相減來(lái)評(píng)價(jià)干燥收縮εd =εt -εa 。

    圖4 為用上述方法換算出的各混凝土干燥收縮值?？梢?jiàn)，干燥收縮主要發(fā)生在開(kāi)始的6～10 h 內(nèi)，之后隨著混凝土密實(shí)度的提高和強(qiáng)度的增長(zhǎng)， 收縮逐漸趨于平穩(wěn)；由于摻40 % 礦渣的混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展很慢，結(jié)構(gòu)不致密，且保水性差，因而其干燥收縮發(fā)展速度很快，直到1 d 后才逐漸趨于緩和. 各摻合料混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，摻硅灰混凝土干燥收縮與基準(zhǔn)混凝土基本相同;摻粉煤灰混凝土早期干燥收縮大于基準(zhǔn)混凝土30 %～ 40 % ， 而兩種不同摻量的混凝土相比差別不大；摻礦渣混凝土早期干燥收縮明顯高于基準(zhǔn)混凝土， 且摻量越大收縮越大，3 d 時(shí)摻量20 % 、40 % 的礦渣混凝土干燥收縮比基準(zhǔn)混凝土分別高出30 % 、130 % ， 其中摻礦渣40 % 的混凝土由于泌水量較多，而且出現(xiàn)明顯地緩凝現(xiàn)象，因而早期干燥收縮異常地大。

    各混凝土早期干燥收縮與試件中水分散失率間的關(guān)系如圖5 所示，其中摻礦渣40 %的混凝土因結(jié)構(gòu)形成緩慢收縮異常偏大，此圖中沒(méi)有列出它的數(shù)據(jù)點(diǎn)。 可見(jiàn)，混凝土水分散失率越大，早期干燥收縮值也越大，干燥收縮與試件的水分散失率間存在近似的對(duì)數(shù)關(guān)系εd = Cln (wl) + D(3). 式中：wl 為試件在干燥條件下的水分散失率，其值等于：試件的重量損失/ 試件中初始總用水量× 100 ， (%)；C 、D為常數(shù)。圖5 中的回歸曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)性較好。

 

    1) 硅灰的加入不會(huì)增加混凝土早期干燥收縮，但對(duì)早期自生收縮略有增大作用. 粉煤灰的摻入能大幅度地降低混凝土早期自生收縮，但也會(huì)降低混凝土早期強(qiáng)度，從而增大了早期干燥收縮， 使其對(duì)干燥條件下混凝土的總收縮值降低并不明顯. 因而工程中宜采用復(fù)合摻入的方式以抵消單一摻合料帶來(lái)的負(fù)面影響；

    2) 磨細(xì)礦渣對(duì)混凝土早期收縮的影響與摻量、齡期等有關(guān)，摻量較小時(shí)會(huì)增加1 d 后自生收縮，摻量較多時(shí)因強(qiáng)度發(fā)展緩慢，能明顯降低自生收縮，但卻對(duì)早期干燥收縮不利，使得混凝土在干燥條件下的總收縮值反而大于基準(zhǔn)混凝土，因而應(yīng)對(duì)此類(lèi)混凝土加強(qiáng)早期保濕養(yǎng)護(hù)；

    3) 與同水膠比的基準(zhǔn)混凝土相比，加摻合料混凝土早期自生收縮比與其抗壓強(qiáng)度比之間存在很好的線性關(guān)系；

    4) 對(duì)于同水膠比的混凝土，早期干燥收縮與試件的水分散失率間呈近似的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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