混凝土無約束早齡期變形性能試驗研究

張仁瑜，王景賢，戈 兵，王淑麗，徐教宇，黃選明

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

混凝土材料長期以來作為一種堅固耐久的大宗建筑材料已有 180 多年的歷史，隨著現代混凝土技術的發展，大量高強度、工作性能良好的混凝土得到廣泛的應用［1］。然而，許多混凝土結構在建設或使用過程中出現了不同程度、不同形式的裂縫，這是相當普遍的現象。混凝土裂縫會引起滲漏，降低混凝土的耐久性，減少使用壽命，如保護層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土的碳化等，對結構的強度、耐久性造成較大的影響。

工程實踐表明，大量混凝土早期裂縫在初凝前就已經發生，而混凝土早齡期變形是引起早期裂縫的主要原因［2］。早齡期混凝土是一種介于流體與含濕粒子堆聚物之間的材料，具有流變性質，隨著水泥水化和固相生成物的相互黏結，混凝土的固相特征逐漸發展，喪失流動性，此后各項力學性能開始發展［3］。由于早齡期混凝土很長一段時間處于流塑狀態，一般的測試手段難以對早齡期混凝土特別是初凝前的變形進行測試。可以說，混凝土自成型開始至初凝前的變形特性是一個未被人們所認知的技術盲區。為克服現有方法的缺陷，本文在大量試驗研究的基礎上，創造性提出混凝土早齡期自由變形的試驗方法，采用重液懸浮混凝土試件的方法來消除試模對試件的變形約束，此方法能夠準確地測量混凝土的早齡期變形參數。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

無約束混凝土早齡期變形性能試驗裝置如圖 1 所示。該設備目前已經申請并獲得了國家發明專利“一種無約束測量混凝土變形性能的試驗方法和試驗裝置”（專利號 ZL 2012 1 0343567.X）。試驗裝置由以下幾部分組成：試驗容器、懸浮重液、混凝土試件、試驗模具、測量標靶、電渦流位移傳感器、荷重傳感器、溫度傳感器和相關數據采集設備（見圖 1）。

圖1 無約束混凝土早齡期變形試驗裝置示意圖

1.2 試驗方法

無約束混凝土早齡期變形性能試驗步驟如下。

1）將聚乙烯塑料內模放入試驗模具，確保內模與試驗模具之前良好接觸，將測量標靶固定在試驗模具內。

2）將混凝土拌合物裝入試驗模具中，振動成型抹平，振搗過程中確保測量標靶始終垂直于試驗模具側壁，且標靶前后位置不變。

3）將試驗模具立即移入恒溫恒濕試驗室，放入測試裝置內，安放荷重傳感器，恒溫恒濕試驗室的溫度保持在（20±2）℃，相對濕度保持在（60±5）%。

4）將重液加入測試裝置，使重液深度與混凝土表面基本持平。

5）打開試驗模具側壁，使聚乙烯塑料內模與重液接觸，待混凝土材料成功懸浮且液面基本平靜后，安放位移傳感器。

6）打開測試系統，根據示值調整位移傳感器與標靶之間的距離，待示值為 0.2～0.4 mm 時，固定位移傳感器。

7）開始采集混凝土早齡期變形試驗數據，應至少每隔 1 h 或按設定的時間間隔測定試件兩端的變形讀數。

8）整個測試過程中，應保證試件懸浮的位置和方向始終保持不變，在儀器周圍設置警示標志。

9）測試結束后，用鋼卷尺測量兩個標靶之間的距離，作為試件的原始測試標距。

2 試驗研究

混凝土的變形性能可以采用如下定義：由于混凝土中的水和膠凝材料相互作用，和與周圍介質（如空氣中的水分蒸發和碳化等）的作用，而引起的體積變化。常說的體積變形一般指的是混凝土的收縮，包括沉降收縮、化學收縮、物理收縮和碳化收縮。影響混凝土變形性能的主要因素包括：膠凝材料用量、水泥品種、細度、水膠比、外加劑、骨料品種、骨料級配、養護方法、試件尺寸、相對濕度、成型工藝等。

為考察無約束混凝土早齡期變形性能試驗裝置及試驗方法的靈敏性，同時對混凝土早齡期變形性能的部分主要影響因素進行研究，具體研究內容如下：

①水泥用量對混凝土早齡期變形性能的影響；

②水泥品種對混凝土早齡期變形性能的影響；

③外加劑對混凝土早齡期變形性能的影響。

2.1 原材料

水泥：山東即墨中聯產 P·I 42.5 硅酸鹽水泥；金隅琉璃河產 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；冀東盾石產 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。

砂：河北三河產 II 區中砂，細度模數為 2.6，含泥量為 1.5 %，泥塊含量為 0。

碎石：河北三河產石灰巖碎石，5～25 mm 連續級配，含泥量為 0.5 %，泥塊含量為 0，針片狀顆粒總含量為 2.4 %。

粉煤灰：石景山熱電廠產 II 級粉煤灰，需水量比為95 %，細度（45 μm 方孔篩篩余）為 7.8 %。

減水劑：市售聚羧酸系高性能減水劑，減水率為25 %；萘系高效減水劑，減水率為 15 %；氨基磺酸鹽高效減水劑，減水率為 19 %。

拌合用水：自來水。

2.2 水泥用量的影響

為考察水泥用量對混凝土早齡期變形性能的影響程度，選擇三種不同強度等級的混凝土進行試驗，試驗用混凝土配合比如表 1 所示，試驗結果曲線如圖 2 所示。

圖2 水泥用量的影響曲線

表1 試驗用混凝土配合比

對比三種不同水泥用量的配合比早齡期變形性能測試結果，有以下幾點。

1）與現有文獻資料中的早齡期變形曲線形狀基本一致，但 72 h 的收縮率較高，進一步證明了無約束混凝土早齡期變形性能試驗方法的可行性和一致性。

2）混凝土在開始測試的 10 h 內收縮發展很快，隨著設計強度等級提高時，這種趨勢越明顯，到 12 h 以后收縮速率逐漸減緩。從曲線上也可明顯看出，水泥用量增多明顯增加了混凝土早齡期內的收縮量和收縮速率，這與目前已有的各種文獻報道的試驗結果基本一致，高膠凝材料用量的高強混凝土收縮率明顯提高，增大了早期變形和開裂的風險。

2.3 水泥品種的影響

為考察水泥品種和廠家對混凝土早齡期變形性能的影響程度，選擇三種不同水泥廠家的混凝土進行試驗，CT-1 為即墨中聯產 P·I42.5 硅酸鹽水泥，CT-2 為金隅琉璃河產 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，CT-3 為冀東盾石產 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。試驗用混凝土配合比如表 2 所示，試驗結果曲線如圖 3 所示。

圖3 水泥品種的影響曲線

對比表 2 中三種不同水泥品種的配合比早齡期變形性能測試結果，有以下幾點。

表2 試驗用混凝土配合比

1）曲線變化情況與表 1 的分析第 1 點一致。

2）從試驗結果可知，冀東盾石水泥的混凝土早齡期收縮率略高于其它兩種水泥，即墨中聯水泥次之，金隅琉璃河水泥早齡期收縮率最小。結果表明，標號相同的不同品種水泥，對混凝土早齡期變形性能也會產生不同的影響，這與不同廠家的水泥的礦物成分差異、標準稠度用水量和水泥粉磨細度等因素相關。

2.4 外加劑的影響

為考察外加劑種類對混凝土早齡期變形性能的影響程度，選擇三種不同類型的減水劑摻入混凝土進行試驗，試驗用混凝土配合比如表 3 所示。試驗結果曲線如圖4所示。

表3 試驗用混凝土配合比

對比三種不同外加劑類型的配合比早齡期變形性能測試結果，有以下幾點。

1）曲線變化情況與表 4.1.2 的分析第 1 點一致。

2）從試驗結果可知，所用的三種減水劑中，早齡期混凝土收縮率大小依次為萘系＞氨基磺酸鹽＞聚羧酸。

圖4 外加劑的影響曲線

3）無約束混凝土早齡期變形性能試驗方法可敏感地反映出由于外加劑種類的區別而引起的混凝土早齡期收縮率的差異，驗證其敏感性。

4）外加劑對混凝土早齡期變形性能的影響中，除了在減水率上面存在的區別影響混凝土的用水量，進而影響混凝土收縮之外，化學外加劑的品種及摻量本身還會影響混凝土內部孔溶液的堿金屬鹽濃度及表面張力，基于毛細管張力機理的研究認為，這對于收縮尤其是自收縮也有著較大的影響，表面張力的降低可以減小混凝土的自干燥收縮和干燥收縮，因而，影響表面張力的外加劑也會影響收縮。

3 結語

無約束混凝土早齡期變形性能試驗裝置，采用重液懸浮混凝土試件的方法來消除試模對試件的變形約束，此方法能夠準確地測量混凝土的自澆筑成型開始的早齡期變形參數。

為考察無約束混凝土早齡期變形性能試驗裝置及試驗方法的靈敏性，同時對混凝土早齡期變形性能的部分主要影響因素進行研究，探討了水泥用量、水泥品種和外加劑種類對混凝土無約束早齡期變形性能的影響，得出如下結論。

1）水泥用量增多明顯增加了混凝土早齡期內的收縮量和收縮速率，這與目前已有的各種文獻報道的試驗結果基本一致，高膠凝材料用量的高強混凝土收縮率明顯提高，增大了早期變形和開裂的風險。

2）標號相同的不同品種水泥，對混凝土早齡期變形性能也會產生不同的影響，這與不同廠家的水泥的礦物成分差異、標準稠度用水量和水泥粉磨細度等因素相關。

3）外加劑對混凝土早齡期變形性能的影響中，除了在減水率上面存在的區別影響混凝土的用水量，進而影響混凝土收縮之外，化學外加劑的品種及摻量本身也會影響收縮。Q