基于溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)膨脹劑對(duì)混凝土抗裂性能的影響研究

劉拼，李從號(hào)，徐可

（武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430080）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題是土木工程領(lǐng)域極為關(guān)注的問題，雖然從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定[1-2]，但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫僅約 20% 由荷載引起，而由非荷載因素造成的裂縫高達(dá)80%[3-4]。非荷載裂縫主要表現(xiàn)為早齡期階段的溫度變化導(dǎo)致的溫度裂縫和混凝土內(nèi)部水分含量變化造成的收縮裂縫[5-7]。混凝土結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生裂縫并且裂縫在某些因素作用下不斷發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用會(huì)產(chǎn)生一定的影響，甚至威脅結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

基于補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)，在混凝土中摻加膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土，混凝土在受約束條件下內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，能有效抵消混凝土因溫度收縮和干燥收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，提高混凝土的抗裂性能和耐久性[8-9]。然而，膨脹劑在制備過程中，磨機(jī)工藝參數(shù)、粉磨時(shí)間、原材料品質(zhì)等存在波動(dòng)性，成品膨脹劑的粒徑分布具有差異性，使膨脹劑在混凝土中的膨脹性能發(fā)揮不盡相同[10-11]。溫度應(yīng)力試驗(yàn)可考慮各種因素的綜合作用，有效評(píng)價(jià)混凝土的開裂敏感度[12-13]，其中采用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過程中開裂溫度可作為綜合評(píng)價(jià)混凝土抗裂性/開裂趨勢(shì)的指標(biāo)[14-15]。本文基于溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)（TSTM）探討氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑在特定溫度歷程下對(duì)混凝土抗裂性能的影響。

1 溫度應(yīng)力試驗(yàn)

1.1 溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)工作原理

溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)（TSTM）是一種單軸試驗(yàn)裝置，其實(shí)物圖如 1 所示。試件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖 2 所示，試件長 2000mm，有效總長 1500mm、橫截面 150mm×150mm。試件結(jié)構(gòu)兩端有兩個(gè)夾頭，靠近荷載傳感器一端為活動(dòng)夾頭，其余荷載傳感器連接在步進(jìn)電機(jī)的減速箱上；另一端為固定夾頭。緊貼試件兩側(cè)的溫控模板可以基于循環(huán)介質(zhì)對(duì)混凝土試件進(jìn)行加熱或冷卻。試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)通過溫度傳感器、荷載傳感器和位移傳感器自動(dòng)記錄試件的溫度、應(yīng)力、活動(dòng)夾頭以及變形。在試驗(yàn)過程中，混凝土試件處于密封狀態(tài)，其膨脹或收縮使得活動(dòng)夾頭移動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)夾頭的位移超過設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)動(dòng)，使活動(dòng)夾頭回至原位，保證混凝土試件長度不變。在混凝土試件中心預(yù)先埋設(shè)溫度傳感器，依據(jù)其反饋的數(shù)據(jù)調(diào)整循環(huán)介質(zhì)的溫度，使混凝土試件處于預(yù)先設(shè)定的溫度歷程下。

圖1 溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

圖2 試件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

1.2 試驗(yàn)原材料和混凝土配合比

采用 P·O42.5 水泥；Ⅰ級(jí)粉煤灰；S95 級(jí)磨細(xì)礦渣粉；5～10mm 和 10～26.5mm 碎石按 1:2 比例配制5～26.5mm 連續(xù)級(jí)配的粗骨料，含泥量不大于 1%；4.75mm 圓孔篩篩選、細(xì)度模數(shù) 2.4～2.6 的機(jī)制砂，含泥量不大于 3%；聚羧酸系高性能減水劑；氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑具有氧化鈣（CaO）和硫鋁酸鈣（CAS）雙膨脹源組分，其主要成分有氧化鈣（特征峰 2.7723、2.4004 和 1.6972）、硫鋁酸鈣（特征峰3.7540）和石膏（特征峰 3.5065），XRD 圖和 SEM 圖分別如圖 3 和圖 4 所示。氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑樣品 A1 和樣品 A2 依據(jù) GB/T 1345—2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法篩析法》采用負(fù)壓篩析儀進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果詳見表 1。

圖3 氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑 XRD 圖

圖4 氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑 SEM 圖

表1 氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑樣品粒徑分布

由表 1 可知，80μm 方孔標(biāo)準(zhǔn)篩上 A1 樣品的篩余值為 19.47%、A2 樣品的篩余值為 28.85%，說明相較于A1 樣品，A2 樣品粗顆粒較多、比表面積小。

為保證混凝土入模溫度大于 30℃、混凝土成型溫度控制在 (35±2)℃、混凝土擴(kuò)展度 550mm及坍落度(220±20)mm，根據(jù)原材料性能進(jìn)行混凝土試配試驗(yàn)，混凝土最終配合比見表 2，膨脹劑約占膠凝材料總量的7.95%、內(nèi)摻等量取代粉煤灰。

表2 C45 混凝土配合比 kg/m3

1.3 溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)參數(shù)設(shè)置

通過溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)采用手動(dòng)方式設(shè)定的溫度歷程如圖 5 所示。起始溫度設(shè)定為 35℃，20h 后混凝土溫度達(dá)到溫峰值且為 65℃；隨后經(jīng)歷 48h 混凝土溫度降至35℃，若在此期間混凝土開裂則停止試驗(yàn)，若混凝土未開裂則保持平均每 0.5℃/h 降溫、直至斷裂；若直至溫度應(yīng)力機(jī)最低溫度仍未斷裂，停止試驗(yàn)。

圖5 設(shè)計(jì)溫度歷程

空白組、A1 樣組和 A2 樣組均調(diào)用相同的溫度歷程；均采用 100% 約束、步進(jìn)電機(jī)單位設(shè)置為 1.3μm、恒溫時(shí)步進(jìn)單位設(shè)置為 1.3μm，采集間隔為 5min。

1.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)準(zhǔn)備：包括試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備和試驗(yàn)儀器的調(diào)試等。為保證試驗(yàn)室溫度應(yīng)力試驗(yàn)的連續(xù)性，在正式成型前依據(jù)混凝土配合比、主附試件混凝土用量（約120L）以及試驗(yàn)室用混凝土攪拌鍋等將試驗(yàn)原材料均稱量好。試驗(yàn)進(jìn)行前，將溫度應(yīng)力機(jī)試件槽內(nèi)的雜物清理干凈、涂刷脫模油，并墊塑料薄膜紙，如圖 6 所示。

圖6 溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備工作

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及調(diào)試：點(diǎn)擊試驗(yàn)儀器自帶調(diào)試軟件界面，設(shè)置溫度曲線、約束度、步進(jìn)電機(jī)單位等參數(shù)，同時(shí)需要將步進(jìn)電機(jī)的刻度線回至起始點(diǎn)，保證電機(jī)不會(huì)超量程。

混凝土成型、裝模：按照配合比要求連續(xù)拌制混凝土，并將混凝土分兩層分別裝入主、附試件槽內(nèi)，裝模過程中確保混凝土在塑料薄膜以內(nèi)。混凝土振搗：每裝一層混凝土需用振搗棒進(jìn)行振搗，保證澆筑的混凝土密實(shí)可靠。

刮平及封膜：振搗完成后及時(shí)將預(yù)先鋪墊的塑料薄膜封裹澆筑面并用膠帶加固。

插入溫度傳感器：將套有銅管的溫度傳感器從蓋板中央處插混凝土中，確保在混凝土的中心處。

調(diào)試位移表并開始試驗(yàn)：調(diào)試溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)一端的位移傳感器，確保讀數(shù)在±3 左右，調(diào)試好后即可點(diǎn)擊開始試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

空白組、A1 樣組和 A2 樣組混凝土試件試驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)如表 3 所示。

2.1 混凝土試件溫度

空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件的溫度曲線如圖 7所示。由圖 7 和表 3 可知，3 組混凝土試件除入模溫度要低于設(shè)定的起始溫度外，其他均與設(shè)定的溫度歷程相吻合，說明混凝土試件內(nèi)部溫度控制滿足要求；空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件 20h 左右達(dá)到內(nèi)部溫度達(dá)到峰值且分別為 65.7℃、64.8℃ 和 64.5℃，均在 (65±1)℃范圍內(nèi)，滿足設(shè)定曲線最高溫度要求。高溫、100% 單軸約束條件下，空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件的開裂溫度分別為 24.8℃、34.0℃ 和 23.5℃，摻加 A2 樣混凝土試件的開裂溫度稍低于空白，說明 A2 樣在一定程度上能夠提高混凝土的抗裂性能；摻加 A1 樣混凝土試件開裂溫度要高于空白組混凝土，說明 A1 樣并未有助于提高混凝土抵抗溫度變形的能力。因此，高溫、強(qiáng)約束條件下，混凝土的抗裂性能在一定程度上受到氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑粒徑分布的影響，膨脹劑中粒徑大的顆粒占比適當(dāng)提高，可在一定程度上降低混凝土的開裂溫度、有利于提高混凝土的抗裂性能。

表3 混凝土試件試驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)

圖7 混凝土試件溫度曲線

2.2 混凝土試件應(yīng)變

空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件應(yīng)變曲線如圖 8 所示。由圖 8 和表 3 可知，升溫階段，3 組混凝土試件發(fā)生膨脹變形、累計(jì)膨脹變形逐漸增大，且摻氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑的混凝土試件的累計(jì)膨脹變形明顯高于空白組，空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件膨脹變形最大值分別為 9.17με、32.40με 和 41.11με。這是由于空白混凝土試件的膨脹變形的增長源于溫度的上升，使得混凝土因熱脹冷縮而發(fā)生溫度變形，而摻加膨脹劑的混凝土試件的膨脹變形除此之外還源于膨脹劑水化反應(yīng)提供膨脹能使混凝土膨脹變形。其中，摻 A2 樣混凝土試件的累計(jì)膨脹變形值要大于摻 A1 樣的混凝土試件，這是由于 A1 樣相對(duì)于 A2 樣粗顆粒占比小、比表面積大，水化反應(yīng)迅速，其產(chǎn)生的膨脹能相對(duì)于 A2 樣穩(wěn)定期短。20h 后混凝土試件均處于降溫階段，混凝土試件溫降收縮，其累計(jì)變形值逐漸減小，但摻加膨脹劑的混凝土試件的收縮要明顯小于空白混凝土試件，且在同一時(shí)間段摻 A2 樣的混凝土試件收縮最小，說明氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑能有效地降低混凝土的收縮值，且粒徑大的顆粒占比適當(dāng)提高抵抗混凝土收縮效果更好。

圖8 混凝土試件應(yīng)變曲線

2.3 混凝土試件應(yīng)力

空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件應(yīng)力曲線如圖 9 所示，圖中應(yīng)力值為正值表示受壓、反之受拉。由圖 9 和表 3 可知，在混凝土溫峰到來之前，空白、A1 樣和 A2樣混凝土試件達(dá)到最大壓應(yīng)力，這是由于混凝土在早期應(yīng)力松弛[16]；摻加 A1、A2 樣混凝土試件的壓應(yīng)力均要遠(yuǎn)高于空白試件，其中空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件最大壓應(yīng)力分別為 0.31MPa、1.92MPa 和 1.94MPa，說明高溫、強(qiáng)約束條件下氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑在早期快速水化反應(yīng)產(chǎn)生膨脹能，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的預(yù)壓應(yīng)力，但是從三組混凝土試件最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間和第二零應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間可知，相對(duì)于空白組摻加氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑的混凝土試件中預(yù)壓應(yīng)力保持的時(shí)間不是太長；同時(shí)，摻加 A2 樣混凝土試件內(nèi)部的預(yù)壓應(yīng)力均要略高于摻加 A1 樣混凝土試件，說明膨脹劑中粒徑大的顆粒占比適當(dāng)提高能產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的膨脹能。

圖9 混凝土試件應(yīng)力曲線

此外，摻氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑混凝土試件的開裂應(yīng)力均要低于空白組，其中空白、A1 樣和 A2 樣混凝土試件斷裂時(shí)開裂應(yīng)力分別為 2.48MPa、1.28MPa 和 1.57MPa。其原因在于氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑在高溫、強(qiáng)約束條件下過早地產(chǎn)生較大的膨脹能，為保證混凝試件長度不變，電機(jī)頻繁進(jìn)行拉、壓動(dòng)作使得混凝土內(nèi)部損傷較空白混凝土試件大，且膨脹劑中粗顆粒占比越小內(nèi)部損傷越大。

3 結(jié)論

（1）高溫、強(qiáng)約束條件下，混凝土的抗裂性能在一定程度上受到氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑粒徑分布的影響，膨脹劑中粒徑大的顆粒占比適當(dāng)提高，可在一定程度上降低混凝土的開裂溫度，有利于提高混凝土的抗裂性能。

（2）在高溫、強(qiáng)約束條件下，氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑能有效地降低混凝土的收縮值，且粒徑大的顆粒占比適當(dāng)提高抵抗混凝土收縮效果更好；氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑早期可在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的預(yù)壓應(yīng)力，但降低了混凝土的開裂應(yīng)力。

（3）采用膨脹劑來提高混凝土抗裂性能是一種有效的技術(shù)路徑，但實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用中應(yīng)重視粒徑分布對(duì)膨脹劑性能發(fā)揮的影響。高溫、強(qiáng)約束條件下，摻加入混凝土中的氧化鈣—硫鋁酸鈣復(fù)合型膨脹劑的最佳粒徑分布有待進(jìn)一步探討。