低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發展特性研究

劉志洪 胡昱 鄔昆 楊寧 譚堯升 高小峰

摘要：低熱水泥混凝土在中國特高拱壩建設中已全面應用。為確定低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發展規律，設計10，20，40 ℃ 3種養護溫度，3，7，14，28 d 4種齡期，開展了不同養護溫度下低熱水泥混凝土楔入劈拉斷裂試驗，并依據試驗結果采用成熟度理論分析斷裂參數與等效齡期間的關系。結果表明：在10～40 ℃范圍內，相同齡期低熱水泥混凝土的起裂斷裂韌度、失穩斷裂韌度和斷裂能均隨養護溫度的增大而增大;基于成熟度理論的等效齡期計算公式和斷裂參數-成熟度的對數函數形式均可較好地描述低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發展規律。研究成果可為大壩結構開裂風險分析與安全評定過程中可靠斷裂參數的取值提供依據。

關 鍵 詞：低熱水泥; 混凝土; 斷裂參數; 養護溫度; 成熟度; 楔入劈拉斷裂試驗; 高拱壩

中圖法分類號： TU528.44 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.027

0 引 言

低熱水泥混凝土具有水化熱低、綜合抗裂性能好等特點[1]，可有效降低大體積混凝土溫控防裂的難度，為中國無縫大壩的建設提供了可能。目前低熱水泥混凝土已在烏東德和白鶴灘大壩得到了全面運用，為特高拱壩的建設與維護提供了相較于中熱水泥混凝土更高的抗裂安全儲備。然而，由于低熱水泥混凝土早齡期的材料特性發展相對較慢，且易受養護溫度的影響，可能存在一定的早齡期開裂風險，因此需特別關注其早齡期斷裂性能的演化規律。

現有研究表明，混凝土早齡期材料特性與其溫度歷程密切相關[2]。近年來，國內外學者針對養護溫度對混凝土強度性能的影響開展了大量研究[3-5]，而關于養護溫度對混凝土斷裂性能的影響研究則相對較少。Yu等[6]開展了養護溫度為14，23，35 ℃的混凝土3點彎曲梁斷裂試驗，試驗結果表明：相同齡期下，混凝土的斷裂能隨養護溫度增大呈上漲趨勢。李慶斌等[7]分別在夏季和冬季開展了中熱水泥全級配混凝土楔入劈拉斷裂試驗，結果表明：相同齡期下，夏季澆筑混凝土的斷裂參數大于冬季澆筑混凝土的斷裂參數。李根[8]通過開展養護溫度為5～30 ℃的碾壓混凝土楔入劈拉試驗發現，隨著養護溫度的增加，混凝土的起裂和失穩韌度均逐漸增大。黃煜鑌等[9]開展了夏季高溫養護條件和標準養護條件下的高強混凝土斷裂試驗，發現56 d后，標準養護的混凝土斷裂能遠大于夏季高溫養護下的混凝土斷裂能。米正祥[10]通過開展養護溫度為5～60 ℃下的混凝土楔入劈拉試驗發現，混凝土的斷裂性能存在高溫交叉效應，即較高的養護溫度對應較小的極限斷裂參數。以上研究表明：對于普通或中熱水泥混凝土而言，在一定的溫度范圍內，混凝土斷裂參數隨養護溫度的增大而增大，但對于不同的混凝土材料，溫度對混凝土斷裂性能的影響效應可能存在差異。因此，對于低熱水泥混凝土，其不同養護溫度條件下斷裂性能的定性規律雖然可能與普通或中熱混凝土一致，但其具體的定量關系仍需通過不同養護溫度條件下的斷裂性能試驗確定。

為了定量分析養護溫度和齡期對混凝土強度性能發展的綜合影響，Nurse[11]和Saul[12]提出了成熟度的概念和相應的計算公式（本文稱之為N-S成熟度公式）。基于上述研究，不同學者先后提出了多種改進的成熟度計算方法[13]。其中最著名的是Freiesleben等[14]基于Arrhenius理論提出的F-P等效齡期公式。它不但提高了混凝土強度預測精度，還為成熟度理論賦予了清晰的物理意義，因此成為目前應用較為廣泛的成熟度模型之一。此外，中國DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規范》[15]亦給出了用于混凝土早齡期強度性能預測的等效齡期推薦公式，該公式與F-P等效齡期公式具有相似的表達形式，因此其本質是相同的。在成熟度理論的應用方面，管俊峰等[16]基于其提出的等效成熟度理論，建立了現場澆筑大壩混凝土斷裂性能與等效成熟度的關系。米正祥[10]認為F-P等效齡期公式相較于N-S成熟度公式而言，對混凝土斷裂參數的預測精度更高。李根[8]認為管俊峰等提出的等效成熟度公式能更好地反應碾壓混凝土斷裂參數隨養護溫度和齡期的變化規律。綜上所述，有必要在開展不同養護溫度對低熱水泥混凝土斷裂性能影響試驗的基礎之上，采用合適的成熟度方法，建立任意養護溫度和齡期條件下低熱水泥混凝土的斷裂性能發展曲線，進一步明確F-P等效齡期公式和N-S成熟度公式在混凝土斷裂性能預測方面應用的適用性。

本文設計10，20，40 ℃共3種養護溫度，3，7，14，28 d 4種齡期，開展不同養護溫度下低熱水泥混凝土楔入劈拉斷裂試驗。依據試驗結果，采用成熟度理論分析斷裂參數與等效齡期間的關系。研究成果可為大壩結構施工期開裂風險分析與安全評定提供必要材料參數。

1 試驗方案

1.1 原材料及配合比

本次試驗采用骨料最大粒徑為20 mm的一級配混凝土，配合比如表1所列。混凝土水膠比為0.5，粉煤灰摻量為35%，與烏東德大壩混凝土一致。經測定，標準養護條件下該一級配混凝土強度性能的發展曲線，與施工現場設計強度為C18035的全級配混凝土經濕篩后得到的二級配混凝土強度性能發展曲線較為接近。本次試驗所用混凝土原材料均取自烏東德大壩工程施工現場。其中水泥為P·LH 42.5嘉華低熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為卓圣F類I級，粗骨料與人工砂均為石灰巖，減水劑為SBTJM-Ⅱ緩凝Ⅱ型高效減水劑，引氣劑為GYQ-I混凝土高效引氣劑。本次試驗所有試件的養護相對濕度均設定為98%，從而消除養護濕度對混凝土斷裂性能的影響。

1.2 試件制作與養護

本次試驗的試件形式采用楔入劈拉試件，試件總高度為330 mm，有效高度和厚度分別為300 mm和120 mm。試件初始縫高比統一為0.4，即初始裂縫長度為120 mm，韌帶高度為180 mm。為保證試件的成型質量，楔入劈拉試件全部采用鋼模具澆筑。模板頂部預留有凹槽，并在凹槽處固定一根50 mm×30 mm的方管。試件的預制裂縫通過內嵌鋼板生成，鋼板厚度統一為3 mm，底端磨成刀口型，用于生成預制裂縫尖端。

所有試件在澆筑完成后連同模具放入設定好溫濕度的環境箱中進行養護，48 h后取出拆模。拆模完畢后將試件放回原環境箱繼續養護，直至達到試驗齡期后取出、晾干后開展試驗。

1.3 試驗方法

混凝土楔入劈拉試驗采用濟南試金試驗機廠生產的WDW-10微機控制電子式萬能試驗機加載，加載速率設定為0.05 mm/min。在試件預制縫左右兩側10 mm處分別對稱布置兩片應變片測定起裂荷載。裂縫口張開位移CMOD采用YYJ-4型電子夾式引伸儀測量，量程為4 mm，標距10 mm。試驗數據采集使用DH3818Y東華動態應變采集箱，采集頻率為5 Hz。試件底部支承形式采用雙線支承，即將支座放置于試件底部四分點處，從而消除試件自重對試驗結果的影響。啟動試驗機，在加載架、傳力裝置及試件即將接觸時，開啟數據采集系統并采集零點，直到試件破壞，停止加載和數據采集，整個過程大約持續20～90 min。試驗加載裝置如圖1所示。

圖3～5分別為不同養護溫度下混凝土起裂斷裂韌度、失穩斷裂韌度和斷裂能隨齡期的變化規律。可以看出：混凝土起裂韌度、失穩韌度和斷裂能均隨齡期的增大而逐漸增大。40 ℃養護條件下的混凝土斷裂性能表現為14 d齡期內快速增長，14 d齡期后增長緩慢，其主要原因為較高的養護溫度加快了早齡期水泥的水化速率，從而促進混凝土斷裂性能的快速增長。然而隨著齡期的繼續增加，40 ℃養護混凝土中的水化反應已經接近完成，因此后期混凝土斷裂性能的增長較為有限。另一方面，相同齡期、不同養護溫度條件下混凝土的起裂斷裂韌度、失穩斷裂韌度和斷裂能均隨養護溫度的增大而增大。以起裂斷裂韌度為例，養護溫度為10 ℃時不同齡期混凝土的起裂斷裂韌度相較于20 ℃時分別減小9.6%（3 d），24.4%（7 d），22.9%（14 d），35.0%（28 d），40 ℃時相較于20 ℃增大18.5%（3 d），22.0%（7 d），31.3%（14 d），3.3%（28 d）。

2.3 成熟度理論分析

為定量分析環境因素對混凝土力學性能的影響，國內外學者開展了大量研究，并提出了多種成熟度計算公式以及強度與成熟度的關系方程。現有成熟度計算公式中較為著名的有N-S成熟度公式和F-P等效齡期模型，強度與成熟度的關系方程則主要有指數[18]、對數[19]和雙曲線[20]3種形式。本文采用N-S成熟度公式和F-P等效齡期模型，分別計算了各養護溫度工況下混凝土的等效齡期，并采用指數、對數和雙曲線函數形式分別擬合了混凝土斷裂性能與等效齡期的關系。經對比分析發現，3種函數形式中對數形式對于早齡期低熱水泥混凝土斷裂性能和等效齡期的關系擬合效果最佳。為簡化分析流程，本文僅展示對數形式擬合結果。

2.3.2 成熟度計算結果與分析

將混凝土的養護溫度和齡期代入式（9） 和式（10） 可分別計算得到N-S和F-P等效齡期，計算結果列于表5。

圖6～11分別給出了混凝土起裂韌度、失穩韌度和斷裂能與F-P和N-S等效齡期的擬合關系曲線。由圖可知，N-S成熟度公式和F-P等效齡期模型均能較好地反映混凝土斷裂參數與等效齡期間關系。對于本文試驗結果，基于F-P等效齡期模型的斷裂參數與等效齡期的對數擬合形式精度更高。

3 結 論

本文通過開展不同養護溫度和齡期條件下低熱水泥混凝土楔入劈拉斷裂試驗，定量分析了養護溫度對混凝土斷裂參數的影響，并利用成熟度理論建立了早齡期低熱水泥混凝土斷裂參數與等效齡期之間的關系，得到如下主要結論。

（1） 低熱水泥混凝土斷裂性能隨齡期的增大而增大，40 ℃養護利于14 d齡期內混凝土斷裂性能的快速增長，但后期斷裂性能增長較為有限。

（2） 在10～40 ℃范圍內，相同齡期低熱水泥混凝土斷裂性能隨養護溫度的增大而增大。

（3） 由Freiesleben和Pedersen提出的等效齡期計算公式和斷裂參數-成熟度的對數函數形式均能較好地描述低熱水泥混凝土早齡期斷裂性能發展特性。研究成果可為大壩結構開裂風險分析與安全評定過程中可靠斷裂參數的取值提供依據。

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（編輯：胡旭東）