雙摻高性能混凝土早齡期收縮性能研究

宋鵬程

（甘肅鐵一院工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，甘肅730000）

雙摻高性能混凝土早齡期收縮性能研究

宋鵬程

（甘肅鐵一院工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，甘肅730000）

采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法對(duì)加摻合料高性能混凝土從成型后6h到3d齡期內(nèi)的自生收縮和單面干燥條件下的總收縮進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)測(cè)量了不同齡期混凝土的強(qiáng)度和試件的重量損失。結(jié)果表明：摻入硅灰會(huì)略微增加混凝土早期自生收縮，而對(duì)早期干燥收縮影響不大；粉煤灰的摻入能大幅度地減小混凝土早期自生收縮，但使早期干燥收縮增加；磨細(xì)礦渣只有在摻量較多時(shí)才能明顯降低早期自生收縮，卻對(duì)早期干燥收縮不利。同水膠比加摻合料混凝土的早期自生收縮與抗壓強(qiáng)度之間有很好的線性關(guān)系。

高性能混凝土；摻合料；自生收縮；干燥收縮；早齡期

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)生開裂，從而對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性構(gòu)成威脅[1～3]。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)3d后開始的；近年來(lái)，隨著水泥和混凝土技術(shù)的進(jìn)步，水泥標(biāo)號(hào)和細(xì)度越來(lái)越大，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)越多的早期開裂現(xiàn)象。尤其對(duì)于低水膠比的高性能混凝土來(lái)說(shuō)，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[4]。

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的研究還不多，一些研究結(jié)果間還存在明顯分歧，這主要與不同學(xué)者采用不同的測(cè)試方法和不同的養(yǎng)護(hù)制度相關(guān)。本文將采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法[5]，測(cè)量加入不同摻合料高性能混凝土從6h（相當(dāng)于初凝）時(shí)開始到3d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。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥為牡丹江水泥廠生產(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，哈爾濱電廠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=20mm，連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)為4.9%，含泥量＜1.0%；砂子為松花江江砂，細(xì)度模數(shù)為2.82，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%。

1.2 混凝土配合比

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520kg/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180～220mm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)度值見表1。

1.3 試驗(yàn)方案

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)方法見文獻(xiàn)[5]。測(cè)量的初始齡期選為混凝土澆筑成型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100mm×100mm×400mm，每種混凝土同時(shí)成型6個(gè)這樣的試件，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。

表1 混凝土配合比及性能

2 結(jié)果與分析

2.1 自生收縮

各混凝土的自生收縮測(cè)量結(jié)果如圖1所示，可見，摻硅灰對(duì)混凝土1d內(nèi)自生收縮基本無(wú)影響，而1d后摻硅灰混凝土收縮開始加快，超過(guò)了基準(zhǔn)混凝土，到3d時(shí)摻5%、10%硅灰使混凝土自生收縮分別增加了6.8%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1d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%，3d時(shí)自生收縮減小率分別為20.5%、38.1%?？梢姄饺敕勖夯覍?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裂。

圖1 礦物摻合料對(duì)混凝土早期自生收縮的影響

圖2 混凝土早期自生收縮與抗壓強(qiáng)度值間關(guān)系

通常認(rèn)為細(xì)度大于4000cm2/g的磨細(xì)礦渣摻入后會(huì)增大混凝土自生收縮[7]，但試驗(yàn)結(jié)果是從1d齡期開始測(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??；1d后摻量20%的混凝土自生收縮值開始超過(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，開始時(shí)的收縮值非常小甚至有微膨脹現(xiàn)象[8]，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3d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，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、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[9]。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中所示，發(fā)現(xiàn)兩者之間有很好的線性關(guān)系：

式中 εa、εa0——加與不加摻合料時(shí)混凝土的自生收縮值（10-6）；

fc、fc0——加與不加摻合料混凝土的抗壓強(qiáng)度值（MPa）。

2.2 干燥條件下的總收縮

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，其它側(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，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3d時(shí)摻硅灰混凝土總收縮值比基準(zhǔn)混凝土大約6%左右，因此說(shuō)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3d時(shí)，摻40%粉煤灰混凝土總收縮值僅比基準(zhǔn)混凝土降低5.4%左右。

在開始測(cè)量的6～8h里，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)部往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。1d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%左右；3d齡期時(shí)，分別高出18.7%和32.6%。

2.3 干燥收縮

對(duì)于低水膠比的高性能混凝土來(lái)說(shuō)，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，也就是說(shuō)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[6,10]。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：

圖4為用上述方法換算出的各混凝土干燥收縮值?？梢?，干燥收縮主要發(fā)生在開始的6～10h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1d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，3d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。

3 結(jié)論

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1d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。

[1]MEHTA P K, BURROWS R W. Building Durable Structures in the 21st Century[J]. Concrete International, 2001, 23 (3):57-63.

[2]巴恒靜, 高小建. 約束條件下高性能混凝土的早期開裂[J]. 混凝土, 2002, (5): 3-6.

[3]高小建, 巴恒靜. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與裂縫控制中值得探討的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 混凝土, 2001, (11): 12-13.

[4]TAZAWA E, MIYAZAWA S. Influence of Cement and Admixture on Autogenous Shrinkage of Cement Paste[J].Cement and Concrete Research.1995, 25(2): 281-287.

[5]巴恒靜, 高小建, 楊英姿. 高性能混凝土早期自收縮測(cè)試方法研究[J]. 工業(yè)建筑, 2003, 33(8):1-4.

[6]高小建, 巴恒靜, 祁景玉. 混凝土水灰比與其早期收縮關(guān)系的研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, (1): (已錄用).

[7]LIM S N, WEE T H. Autogenous Shrinkage of Groundgranulated Blast-Furnace Slag Concrete[J]. ACI Materials Journal, 2000, 97(5): 587-593.

[8]BREUGEL K V. Numerical Modeling of Volume Changes at Early Ages—Potential, Pitfalls and Challenges[J]. Materials and Structures, 2001, 34(5): 293-301.

[9]宮澤伸吾, 黒井登起雄, 川合雅弘. コンクリートの自己収縮に及ぼすセメントの種類の影響[J]. コンクリート工學(xué)年次論文集, 2002, 24 (1): 429-434.

[10]ISHIDA T, CHAUBE R P, KISHI T, MAEKAWA K. Mycrophysical Approach to Coupled Autogenous and Drying Shrinkage of Concrete[J]. Concrete Library of JSCE, 1999,(33): 71-81.

宋鵬程，男，監(jiān)理工程師，甘肅鐵一院工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，京滬高速鐵路1標(biāo)段監(jiān)理部實(shí)驗(yàn)室主任。