高強混凝土自收縮特性研究

崔樹國

（唐山市交通運輸局，河北 唐山 063000）

0 引言

混凝土早期收縮開裂問題是目前國內外較為關注的熱點問題[1-2]。為使混凝土使用性能達到最優化，需要對混凝土早期開裂問題進行深入研究，不能僅僅把該問題簡單地按照自由收縮的方法進行處理，必須考慮混凝土的自收縮應力在限制條件下的發展情況及評估應力引起開裂的危險性。

目前，評估混凝土早期限制收縮開裂的試驗技術主要有三種：具有限制環的圓環試驗[3]；四周限制的平板試驗；具有外部限制的軸向拉伸試驗。它們的技術特點如下：a）圓環型試驗是評估混凝土塑性收縮開裂和硬化混凝土開裂最常用的方法，混凝土環澆注在一個限制環的周圍（通常是鋼環），以限制混凝土的收縮，產生拉應力，從而觀察到開裂情況；b）軸向拉伸試驗通過約束混凝土條形試件的軸向變形和測量試件的應力來檢測試件在不同條件下的開裂行為，了解混凝土內部應力，以直接了解混凝土開裂的危險程度，從而較好地預測混凝土的抗裂性能；溫度—應力試驗是軸約束試驗的一種，在軸向約束的基礎上控制試件的環境溫度，檢測試件在絕熱或半絕熱溫度條件下的應力發展，國內外對此種試驗方法都有所研究[4-6]；c）平板試驗主要用來評價纖維降低塑性收縮開裂的效果[7]，具體試驗方法是把混凝土澆筑在1m×1m板上，板的四周埋入限制鋼筋，其表面用電扇吹干，用混凝土開裂程度的大小來評價混凝土的性能。本文參考平板試驗方法，考察限制條件下高強砂漿板自收縮開裂的形貌特征。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗用原材料

試驗所用原材料主要有：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細度模數2.6的河砂；5～20mm連續級配的碎石；比表面積為700m2／kg的磨細粒化高爐礦渣；比表面積為390m2／kg 的二級粉煤灰；比表面積為1830m2／kg的硅灰；比表面積為340m2／kg的自制石灰石粉；市場銷售的鈣礬石型膨脹劑UEA。

1.2 自收縮應變、應力的測量

模具尺寸為100mm×100mm×400mm。1mm厚聚四氟乙烯（PTFE）置于模具底部，3mm厚泡沫聚苯乙烯層置于端蓋，0.1mm厚聚脂薄放置于PTFE和聚苯乙烯及模具側表面。模具的兩個端蓋各開一個直徑為12mm的洞。限制配筋為0.6m長φ10mm的螺紋鋼筋。測量用具為千分表。新拌混凝土澆入試模后，立即開始測量，養護24h后從模具中移開，之后繼續測量，樣品置于兩個棍子上以防止摩擦受限。樣品在（20±3）℃、RH80%環境中養護。測量過程中，試樣中埋入溫度傳感器，測量水化溫升，其造成的熱膨脹值從測量結果中扣除。測量裝置如圖1所示。

圖1 測量裝置示意圖

自收縮應力的計算公式為：

式中：E——鋼筋的彈性模量，取2.1×105MPa；

As——鋼筋的橫截面積；

Ac——混凝土的橫截面積；

ε——自收縮應變。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能及自收縮應力應變

普通混凝土、礦渣混凝土及硅灰混凝土的配合比及其物理性能列于表1中，1～3#試樣的膠凝材料總量為500kg／m3，其自收縮應變及應力如圖2所示；4～6#試樣的膠凝材料總量為600kg／m3，其自收縮應變及應力如圖3所示。

表1 1～6#試樣混凝土配合比、坍落度及28d強度

圖2 500kg/m3膠凝材料量的混凝土的自收縮應變和應力

圖3 600kg/m3膠凝材料量的混凝土的自收縮應變和應力

由表1可知，混凝土摻加礦渣和硅灰后，28d強度明顯提高，摻硅灰混凝土增加幅度最大。但是，在其他條件基本不變的情況下，膠凝材料用量從500kg／m3增加到600kg／m3并不能使混凝土的強度提高，因此，高強混凝土的膠凝材料用量應該控制在一定范圍內。但膠凝材料用量的增加使新拌混凝土的坍落度得到提高，改善了混凝土的工作性。

由圖2可知，在本試驗中，礦渣混凝土的自收縮最大，硅灰混凝土自收縮最小，這可能是因為硅灰混凝土的早期強度發展很快，使得試件本身強度和剛度較高，抵抗自收縮影響能力較強，結果表現為較小的自收縮率。作者對低水灰比的硅灰混凝土的自收縮變化情況進行28d觀測，結果發現：硅灰混凝土自收縮率在7d以后隨齡期發展加快，14d以后自收縮值便超過不摻硅灰的試塊。

對比圖2和圖3可以看出，當單位膠凝材料用量從500kg／m3增加到600kg／m3時，普通混凝土和硅灰混凝土的自收縮應變基本沒有變化，而礦渣混凝土的自收縮應變則有較大的增加，10d的自收縮應變增加了27%，這說明在W／C比值相同的條件下，增加礦渣混凝土單位體積內膠凝材料總量，會導致較大的自收縮，因此工程中在保證強度的前提下，應盡量減少膠凝材料的摻量。

在上述試驗的基礎上，控制膠凝材料總量為600kg／m3不變，用石灰石粉、粉煤灰和膨脹劑作為混凝土摻合料，混凝土（7～9#試樣）的配合比及其物理性能列于表2中，自收縮應變及應力如圖4所示。

表2 7～9#試樣混凝土配合比、坍落度及28d強度

圖4 7～9#試樣混凝土的收縮應變和應力隨時間的變化

由表2可知，與純水泥混凝土相比，摻石灰石粉不降低混凝土強度，坍落度有所提高；摻粉煤灰及膨脹劑明顯提高了混凝土的強度，坍落度并不損失。由圖4可知，石灰石粉比粉煤灰對混凝土的自收縮抑制效果更好，通過對比圖4與圖3也可以看出，摻石灰石粉及粉煤灰的混凝土，其自收縮大大小于普硅水泥混凝土。膨脹劑對于降低混凝土自收縮的早期作用明顯，甚至能使試塊膨脹，這是因為膨脹劑在早期反應生成了鈣礬石；但在水化2d以后，隨著鈣礬石生成速度的變慢及水泥水化的繼續進行，混凝土試件不再繼續膨脹，開始有所收縮；6d后又有所膨脹，可能是由于濕養護不足時，膨脹劑未反應的組分在適合條件下產生二次鈣礬石（Delayed Ettringite Formation）所造成的。

2.2 水泥砂漿板自收縮特性的研究

本試驗參考平板試驗方法，考察了限制條件下高強砂漿板自收縮開裂形貌特征。具體試驗方法是：在長×寬×深為90cm×60cm×2cm的木板上先覆蓋一層光滑的塑料薄膜，然后在板的四周放入限制鋼筋框，其尺寸為86cm（長）×56cm（寬），水泥砂漿澆筑在木板上后，其表面再用聚脂薄膜密封，觀察砂漿在限制條件下的形貌特征。試樣養護條件為（20±2）℃，試驗中測量砂漿板的最高溫升為21.8℃，因此可以忽略冷縮的影響。砂漿的配合比如表3所示。

表3 三種砂漿的配合比

砂漿板成型養護30d后，觀察其是否出現裂紋或裂紋的長度和寬度。觀察結果顯示，純水泥砂漿板沒有發現裂紋，摻礦渣和硅灰的砂漿板出現不同程度的裂紋，并且硅灰砂漿板裂紋更為顯著（見圖5和圖6）。由此可見，摻加礦渣及硅灰等高活性混合材會顯著增加水泥混凝土的開裂危險性。

圖5 礦渣混凝土板自收縮開裂圖

圖6 硅灰混凝土板自收縮開裂圖

3 結論

3.1 磨細礦渣和硅灰替代部分水泥作膠凝材料會顯著增加混凝土的自收縮，但是二者影響自收縮變化的規律不同：礦渣混凝土自收縮發展最快，硅灰混凝土水化開始7d內自收縮率小于普通水泥混凝土和礦渣混凝土，7d后自收縮發展加快，14d后自收縮率最大。

3.2 將膠凝材料用量從500kg／m3增加到600kg／m3，普通混凝土和硅灰混凝土的自收縮應變基本沒有變化，而礦渣混凝土的自收縮應變則有較大的增加。

3.3 摻石灰石粉能夠在不降低混凝土強度的前提下提高混凝土坍落度；摻粉煤灰及膨脹劑能夠在不降低混凝土坍落度的前提下提高混凝土強度。石灰石粉和粉煤灰都能明顯抑制混凝土的自收縮，石灰石粉的效果最好。膨脹劑對于降低混凝土自收縮的早期作用明顯，后期有所波動。

3.4 通過砂漿板試驗可以觀察到礦渣水泥砂漿和硅灰水泥砂漿在水化30d時產生自收縮開裂，并且硅灰砂漿板裂紋更為顯著。

[1]李悅，談慕華，張雄，等.混凝土的自收縮及其研究進展[J].建筑材料學報，2000，（3）：45-48.

[2]Tzazwa E.Autogenous Shrinkage of Concrete[M].New York: E&FN Spon,1998.

[3]Grysbowski M，Shah S P.Shrinkage Cracking of Fiber Reinforced Concrete[J].American Concrete Inst.Materials Journal,1990,87（2）：395-404.

[4]Kovler K.Testing System for Determining the Mechanical Behavior of Early Age Concrete Under Restrained and Uniaxial Shrinkage[J].Materials and Structures,1994 ,（27）：324-330.

[5]張士海，覃維祖，張濤，等.混凝土早期抗裂性能評價——單軸約束試驗方法的進展[J].混凝土與水泥制品，2002，（3）：13-16.

[6]林志海，覃維祖，張士海，等.混凝土早期應力發展與抗裂性能評價[J].2003，34（1）：34-35.

[7]Kraii P P.Proposed Test to Determine the Cracking Potential Due to Drying Shrinkage of Concrete[J].Concrete Construction,1985,（30）：775-778.