膨脹劑對約束條件下UHPC早期抗裂性能影響的試驗研究

李逸翔

（上海市市政規劃設計研究院有限公司，建國西路609號200031）

0 引 言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一種具有高強度、高耐久性的新型混凝土材料，一般由水泥、細集料、高效減水劑和纖維材料按一定比例配制而成。UHPC 因其力學和耐久性能優異，近年來逐漸開始應用于橋梁工程中，如用于新型鋼橋面鋪裝、新型橋面鋪裝組合結構、快速換梁工程中的濕接縫澆筑等。在鋼橋面鋪裝結構中，由于鋪裝材料受到鋼板、栓釘等的約束，在收縮過程中會承受拉應力導致開裂，加上UHPC 水膠比?。ㄒ话阈∮?.2），早期收縮率更大，更易使鋪裝形成裂縫。

預防早期裂縫的方法之一是通過在UHPC 拌和過程中添加膨脹劑，使其在混凝土水化反應過程中產生一定量的鈣礬石或氫氧化鈣晶體來填充毛細孔縫，起到減小自收縮和干燥收縮的作用［1］。湖南大學黃政宇等［2］研究了HCSA 膨脹劑對非約束狀態下UHPC 的收縮和微觀特性影響，通過理論和試驗研究論證了適量的膨脹劑可增加UHPC的抗壓和抗折性能；李潛［3］研究了膨脹劑對C50混凝土早期收縮的影響，認為一定量的膨脹劑可以提高橋梁用高性能混凝土的早期抗裂性能；于景超［4］通過實際工程論證了膨脹劑對大跨度橋梁的流態高性能混凝土的初期開裂可以有效控制，從而延長結構壽命。然而，國內關于約束狀態下膨脹劑對UHPC 抗裂性能的研究相對較少，是否可以在實際施工中通過添加膨脹劑提升鋪裝抗裂性能，還需通過試驗方法進行深入研究和評估。

針對約束條件下混凝土的早期抗裂性能，美國材料試驗協會給出了環式限制收縮開裂測試標準方法ASTM C 1581［5］（以下簡稱“圓環法”）。該方法操作較為簡便，相比《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中的平板法，圓環法對試件的約束更為均勻，具有更規范的試驗模具和試驗條件，并且圓環法可通過換算鋼環內側應變數據來獲得量化的混凝土抗裂評估結果，因此更適合用于約束條件下混凝土早期抗裂性能評估與分析。近年來，國內學者如史才軍等［6］、董偉等［7］、閆國亮［8］、李聰等［9］、王國杰［10］使用圓環法對混凝土早期開裂情況進行了研究，并取得了一定的成果。

本研究將通過多組圓環法試驗對UHPC 材料在約束條件下的早期抗裂性能進行定量測試，并對試驗數據進行回歸分析，得到各組試件的平均應力發展速率，進而評估各組試件的開裂風險等級，由此分析膨脹劑對約束條件下UHPC 抗裂性能的影響。為今后膨脹劑在防治鋼橋面UHPC 鋪裝早期裂縫中的使用提供參考。

1 原材料準備

本次試驗使用的膨脹劑為高性能CSA 膨脹劑，鋼纖維為平直型鋼纖維，抗拉強度2 800 MPa，彈性模量210 GPa，直徑0.2 mm，密度7.9 g/cm3，平均長度13 mm。

本次試驗使用A、B、C 三組不同配方作為原材料。其中，A 組添加膨脹劑。B 組不添加膨脹劑，A、B 兩組均添加鋼纖維。C 組除不添加膨脹劑外，也不添加鋼纖維。各組原料配合比見表1。其中A組膨脹劑按干料總重約1%添加。

表1 UHPC原料配合比（每澆筑1方所需原料）Table 1 UHPC raw material mix ratio（material required for each cubic meter） kg

2 試驗方法

根據美國材料試驗協會的標準，圓環法試驗設備由標準試驗模具、應變儀和其他配套試驗用具構成。其中，圓環法標準試驗模具由底板、外環、內環組成，其尺寸如表2所示，幾何結構如圖1所示。底板要求光滑平整不吸水，并配有固定螺栓以限制試件澆筑成型的形狀。內環和外環均為鋼環，兩者間距37.5 mm。

試驗開始前，為保證試驗條件標準化，需將試驗室溫度控制在（23.0±2.0）℃，相對濕度控制在（50±4）%。可通過外部設備進行溫濕度控制，并每日使用溫濕度儀進行記錄。

表2 圓環法試驗模具尺寸Table 2 Dimension of ring test mold mm

試驗主要步驟如下:

圖1 圓環法標準試驗模具（ASTM C 1581）Fig.1 Standard ring test mold（ASTM C 1581）

（1）將模具安裝完畢，置于平整處，然后將2個或4 個應變片用環氧膠對稱固定于內環內側1/2 高度處，并連接到應變儀上，確定連接和讀數正常后等待至少4 小時，確保膠水充分黏結和應變儀預熱完成。

（2）按設計配合比拌和UHPC，在外層鋼環內刷油，將拌合好的UHPC 分兩層澆筑于兩層鋼環間，每層澆筑后用搗棒插搗75次，然后表面抹平。

（3）40～50 min UHPC 試件成型，立即移除固定螺栓，將應變片讀數全部清零并開始檢測應變值，自動采樣間隔應小于30 min。同時立即進行試件養護操作，即在試件上表面覆蓋一層濕潤的麻布片并用樹脂薄膜密封，如圖2所示。

圖2 圓環試件養護Fig.2 Curing for ring test specimens

（4）養護24 h 后拆除外環，然后用石蠟密封試件的上表面，以確保試件只通過外表面失水，如圖3 所示。記錄上表面密封后的第一個應變讀數作為初始讀數，對應的時刻作為初始時刻。

圖3 石蠟密封試件上表面Fig.3 Seal the upper surface of specimens with paraffin

（5）當至少一個應變片測得的應變值出現大于30 με 的突減時，記錄該時刻的應變讀數作為終止讀數，對應的時刻作為終止時刻，并終止試驗。若應變值超過28 d沒有突減，則記錄“試件不開裂”并記錄試驗終止時刻。

3 開裂風險評價方法

根據美國材料試驗協會的標準［5］，圓環法以一組試件的平均應力發展速率S作為抗裂性能的主要評價指標。S可通過各試件應變片隨時間t變化的環向應變值ε間接獲得。步驟如下:

（1）對于單個應變片，對不同時間t測定的ε值按照回歸函數式（1）進行回歸分析，確定應變發展速率系數α:

（2）對于單個試件，將多個應變片的α取平均數，得到平均應變發展速率系數αavg，然后由式（2）計算試件的應力發展速率q:

式中:G為鋼環剪切模量，取G=72.2 GPa；tr為該試驗終止時刻，單位為d，若該試件所有應變片的應變值超過28 d不突減，則tr按28 d計。

（3）將3 個試件的q值取平均數，得到平均應力發展速率S，精確到0.01 MPa/d。

（4）將S統計值與開裂時間按表2 進行綜合比較，得到該組試件的開裂風險等級。

表2 開裂風險等級劃分Table 2 Potential for cracking classification

4 試驗結果分析

本次試驗將 A、B、C 三組各成型 3 個試件，按上述試驗方法進行試驗。每個試件應變讀數記錄間隔為10 min。經過28 d后試驗結束并整理應變數據。其中，A、B 兩組試件經過28 d 后未出現表觀裂縫，C 組的3 個試件經過3 d 后均出現明顯裂縫，故C組僅記錄3 d內的應變數據。

4.1 鋼環應變結果分析

根據試驗記錄的內環應變及對應的時刻數據，可得到單個試件中每個應變片的應變值ε與時間t的對應關系，每組取1個典型試件的試驗結果繪出，如圖4所示。

圖4 單試件各應變片位置的時間-應變關系Fig.4 Time vs.stress at each gage position of certain specimen

根據試驗結果發現，對于單個試件，4 個應變片的應變曲線在最初4 d內的變化率大致相近，但4 d之后曲線會出現較大的差異，這是由于材料不同位置收縮的不均勻性導致的。

觀察圖4（a）可發現，在試驗開始的最初約36 h 內，A 組摻膨脹劑的典型試件各應變片數據均顯示為拉應變，且在24 小時達到峰值?？梢哉J為試件在膨脹劑的作用下持續產生膨脹作用，并且大于收縮作用，導致試件受壓而鋼環受拉；24 h后，膨脹效應開始減小，試件應變主要受收縮影響，鋼環壓應變逐漸增大。

觀察圖4 后發現，A、B 兩組選取的典型試件在28 d 內均未出現大于30 με 的突減，試件未開裂。C 組所選取的試件在試驗開始后3 d 內即出現大于30 με 的突減，表明該試件已經出現開裂。造成上述結果的原因是，三組材料均具有較低的水膠比，早期收縮較一般混凝土更大，在約束條件下更容易產生早期開裂，使得未添加鋼纖維的C組試件很快出現開裂；然而，由于A、B 兩組UHPC 中的鋼纖維大幅提高了材料的抗拉能力，使得這兩組試件在鋼板約束條件下收縮時不易受拉開裂。

對比圖4（a）、圖4（b）可知，相同時刻下，A 組典型試件的各應變片讀數普遍小于B 組典型試件。A 組典型試件最大壓應變讀數為118 με，平均最大壓應變為86 με；B 組典型試件最大壓應變讀數為140 με，平均最大壓應變為101 με。該結果表明，由于膨脹劑在試驗初期的作用抵消了部分收縮，使試件最終因收縮產生的應變減小。

將單個試件所有應變片在同一時刻的數據進行平均，得到各組單個試件平均應變隨時間變化的曲線，如圖5所示。

圖5 中顯示的各組試件平均應變曲線隨時間變化的總體趨勢和圖4 中單個試件各組應變片的趨勢基本對應。盡管A、B 兩組各試件平均應變在28 d 內有小幅波動，但均未出現大于30 με 的突減，而C組試件在試驗開始后3 d內全部出現大于30 με 的突減。通過表面觀察亦證明該組試件在試驗初期已全部出現開裂，如圖6 所示。該結果同樣驗證了鋼纖維對UHPC 材料的抗拉有顯著提高。

圖5（a）和圖5（b）表明，養護結束10 d后，A、B兩組試件內環的壓應變趨于穩定，可推斷10 d 后兩組試件收縮過程基本結束。

圖5單試件的時間-應變關系Fig.5 Time vs.stress of each specimen

比較各組鋼環最大應變可知，A 組最大單試件平均應變達到86 με，B組最大達到113 με。

圖6 C組試件表面開裂Fig.6 Surface crack of group C specimen

將各組單個試件的平均應變值進一步統計分析，得到每組試件平均應變隨時間變化的曲線，如圖7所示。對比A 組和B組平均應變值可知，A 組在試驗開始后約24 h 的平均壓應變值比B 組小20 με；之后兩者差值趨于穩定，但仍在緩慢增加，最終A組比B組的平均壓應變值小30 με。

圖7各組的時間-平均應變關系Fig.7 Time vs.average stress of each group

通過圖7 可知，在每方原料中添加高性能CSA 膨脹劑1.5 kg，可以使UHPC 受收縮引起的28 d內應變最大值降低約30με，從而對材料的抗裂性能提升起到有利影響。

4.2 應力發展速率評估及開裂風險評估

將所有試件各應變片測得的鋼環環向應變數據和對應時刻按式（1）進行回歸分析，確定各應變片的發展速率系數α和單個試件的平均發展速率系數αavg，并根據式（2）確定各試件應力發展速率q，然后對每組試件的q值取平均值，得到每組的平均應力發展速率S，最終結合每組的試件平均開裂時間和S值綜合評估每組試件的開裂風險等級，見表3。

表3 列出了A、B 兩組試件平均發展速率系數、應力發展速率及平均應力發展速率，并對兩組試件的開裂風險等級進行了評價。由于C組試件在試驗開始后3 d內均出現明顯開裂，故C組的開裂風險等級可判定為高開裂風險，其數據不列入表3中。A組試件的平均應力發展速率為0.07，低于B 組的0.11，結合兩組試驗的終止時間和S值，可判定A組為低開裂風險，B組為中低開裂風險。

表3 結果進一步表明，膨脹劑的添加可以降低UHPC 收縮應力的發展速率，降低開裂風險等級。

5 結 論

（1）本文通過圓環法試驗結合回歸分析，定量分析了UHPC 材料在約束條件下的早期開裂風險。研究成果為今后膨脹劑在防治鋼橋面UHPC鋪裝早期裂縫中的使用及相關問題的探索起到了一定的參考作用。

（2）UHPC由于其較低的水膠比，相比常規混凝土材料而言收縮率較大。但UHPC 中的鋼纖維對于材料抗拉性能的提升有顯著效果，使材料在鋼板約束條件下能具有一定的抗裂性能。

表3 A、B組試件開裂風險評價Table 3 Cracking potential evaluation of group A and B

（3）通過在UHPC中加入適量膨脹劑，可以部分抵消材料的早期收縮，使其最終收縮應力減小，并可降低其收縮應力發展速率，進一步降低開裂風險。

（4）膨脹劑的用量、種類及鋼纖維參數等與混凝土收縮的進一步數值關系對實際工程混凝土的配方優化有重要的指導作用，需通過更多試驗和分析來確定。