大壩混凝土早齡期溫度變化下自收縮變形研究

張秀磊

(山東省臨沂市河東區湯河鎮農業綜合服務中心，山東 臨沂 276026)

0 引 言

由于高摻量粉煤灰混凝土(HCFA)[1]具有減小和降低熱開裂風險的優點而大量應用在大壩建造工程中。為響應國家綠色、健康發展的號召，建造耐久性強、綠色的大壩，大量學者對摻有粉煤灰的混凝土開展了深入的研究，代表性成果是粉煤灰含量高達80%的粉煤灰混凝土(UHVF)，這種混凝土目前也廣泛用在筑壩工程當中[2]。對于大壩而言，最重要的是其抗開裂性，但目前研究人員并未全面、深入地研究UHVF的抗開裂性能，因此對UHVF自身的收縮變形特性的報道也較少。

由于水泥在形成初始結構后，會開始發生收縮變形，這是由水泥持續發生的水化反應導致的，其收縮規律受多種因素的影響，如粗細骨料的占比、礦物種類、水泥的品種、水膠比、養護時間和方式等。國內部分研究成果也揭示了混凝土收縮變形與澆筑時環境溫度之間的關系。根據CEB-FIP較為成熟的理論基礎，Tazawa等[3]首次提出了混凝土的收縮變形會受到養護溫度影響的理論，并給出“等效齡期”函數，這一概念是通過觀察混凝土在標準養護下的收縮變形規律來對某種養護溫度條件下混凝土的收縮變型規律進行研究，該函數對范圍在10℃～40℃內的混凝土收縮變形具有較好的預測效果。在實際的筑壩工程中，因為水泥水化放熱和外界工程條件會對混凝土強度造成影響，所以養護大壩混凝土時通常是采取溫度可變的模式，但目前國內研究變溫養護條件下混凝土變形規律的成果和結論還比較少[4]。

為了研究UHVF自收縮性在早期時的變化特性，本文借助溫度應力試驗機設置兩種養護溫度開展室內模擬試驗。以某大壩筑壩原材料為例，配置粉煤灰含量達80%的UHVF混凝土，并設置兩種溫度變化過程，對其開展溫度-應力試驗(Tempera-stress tester，簡稱為TST)，根據試驗結果得出其早齡期的熱膨脹系數，最后將其收縮變形從總體變形中剝離出來，以此探究大壩混凝土在溫度改變的情況下，自身收縮變形的發展規律。

1 溫度-應力試驗

1.1 材 料

本文以某地區水庫大壩為背景，該壩頂高程222 m，壩長310 m，筑壩混凝土配合比見表1，以單位立方米混凝土進行計算。配置粉煤灰含量較多的混凝土時，選用的是“等漿體積法”。試驗過程中，所用的混凝土均選用同樣的原材料：聚羧酸高效減水劑、銀凱NOF-AE引氣劑、粗細骨料都選自人為碾碎的花崗巖、粉煤灰為F類Ⅲ級、普通硅酸鹽水泥選用華新牌。

表1 筑壩混凝土配合比 /kg·m-3

1.2 試驗所用的設備

溫度-應力試驗機[5]為此次試驗所用的設備，英文名為Temperature-stress tester machine(TSTM)。TST試驗的試樣為兩個試樣：一個為平行試樣；一個為自主試樣，兩個試樣大小一致，外形均類似棒骨頭。其中，自主試樣受約束，平行試樣不受控制，只參與測量，可以自由變形。樣品有效長度處的截面是正方形，邊長為150 mm，有效長度是截面尺寸的10倍，為1 500 mm。兩側裝有能夠控制溫度的模板，可以控制和實時跟蹤試樣環境溫度，以達到保證試樣內部溫度與周圍環境溫度相一致的目的。該設備能夠滿足多種模式的試驗，主要包括：

1) 第一種模式為近似絕熱溫升。表示可以讓混凝土的水化不受限制，模板內的特殊介質可以實現對混凝土內部溫度實時跟蹤測量的目的，在溫度達到最大值后，可以保持一段時間的恒溫，再以可控速度進行降溫；直到試樣破壞。

2) 第二種為數據存檔模式。即在試驗開始前就將溫度變化曲線設置好，并可控制試驗中試樣周圍的環境。

3) 第三種模式為恒溫模式。即可以使混凝土的水化反應在恒溫環境中進行，并且TSTM系統中布置的數據收集器會把試樣的溫度變化、應力應變的變化歷程詳盡地記錄下來。

當試件變形閾值到達1 μm后，電機開始工作，將試樣拉回到原點，這樣能夠保證試樣不會在長度上發生變化。并且TSTM可以通過控溫板來控制試樣溫度，可以開展變溫和等溫試驗。TST每組中兩個試樣具有相同的養護模式。

1.3 試驗操作步驟

開始試驗前，在模板兩側刷一道底油，貼上尺寸大小一致的透明塑料膜，完成這些之后再把混凝土倒入模具。為了避免砂漿滲透，將銅版紙放置在試樣兩頭的圓弧處。在自由試樣和約束試樣的模板中，分別倒入剛配置好的混凝土，并分兩層倒入。為了避免試樣兩端應力集中而斷裂，要把短鋼筋放置在模板兩端。注意在澆筑混凝土時，要持續不斷地用振動棒對其進行振搗，避免有過多氣泡，以保證混凝土的密實性。然后對試樣表面進行抹平，同時為了避免外界水分對混凝土式樣造成影響，要用塑料薄膜將試樣密封處理。裝好試樣后，打開系統的操作界面，對溫度變化過程進行設置，并把溫度的變化過程同步輸入到試驗機器上，點擊開始試驗，試樣開始被拉伸，直至受約束的樣品被拉斷。假如出現溫度降低到最低處時還未拉斷試樣，這時需要人工進行干預來把試樣拉斷。本次試驗全部過程均在室內進行，室內溫度不變。試驗過程中溫度控制有兩種模式：一種是TMC(溫度匹配)模式，一種是絕熱養護模式。大壩混凝土的應力隨溫度變化試驗就是在這兩種模式下進行的。

2 試驗結果和討論

2.1 應力隨溫度變化的試驗結果

TST試驗中，數據收集系統對試樣的應變過程、溫度發展進行了記錄。圖1為混凝土在絕熱和TMC模式下溫度變化過程中的應變與實測溫度之間的關系曲線?？梢钥闯?，F80混凝土即便是在機器達到溫控最低值-15°時也未發生破壞斷裂，而是采取了人工干預使其斷開。

圖1 大壩混凝土的自由應變及溫度發展曲線

2.2 溫度變化時大壩混凝土收縮變形分析

本文對大壩混凝土等效齡期的計算選用兩種模型，分別是Pedersen和Freiesleben模型，圖2為實際-等效齡期之間的關系。此關系中，對體積比較大的混凝土失水收縮未作考慮，假定自生體積應變和溫度變形之和就是它的總變形，表達式為：

圖2 混凝土等效及實際齡期間的轉換

εtot=εT+εA

(1)

εtot(t)=∑αT(t)·ΔTi+εA(t)

(2)

式中：εtot為自由應變；εT為溫度應變；αT(t)為ΔTi時間范圍里熱膨脹系數；εA為自由應變。

以現有學者提出的熱膨脹系數模型為基礎[8]，與式(1)、式(2)相結合，能夠將其自收縮變形分離出來。因為筑壩所用混凝土在凝結之前是可流動狀態，自由試樣不會出現應力積累的情況，不會對其抗裂性能造成影響。所以，在記錄變形分離這個過程時，計算要從混凝土初步凝結時開始，其初凝時間為28.6 h，終凝時間為39.5 h。在不同溫度模式下養護的大壩混凝土，從初凝開始積累至168 h時等效齡期的自收縮變形、溫度變形、早齡期自由變形的變化曲線見圖3和圖4。

圖3 絕熱養護模式下大壩混凝土的應變發展圖

圖4 匹配養護模式下大壩混凝土的應變發展圖

3 對某地區大壩混凝土自收縮變形的分析與討論

有研究顯示，大壩混凝土的自收縮變形速度在澆筑后的48h內有較快的增長。因為本文在此次試驗中設計的齡期不長，所以對大壩混凝土變形情況選定的等效齡期為7d(168 h)。F80大壩混凝土的溫度應變出現偏小的情況是因為其在齡期開始階段的變化較為平緩，因為水泥的水化反應速度原本就要大于粉煤灰的速度，隨著混凝土里粉煤灰的占比不斷增加，有效水膠比因粉煤灰的增多而被增多，混凝土內部的水分會隨著水化反應的持續進行而減少，而有效水膠比的增加卻會延緩這種趨勢，以此限制了自收縮的變形。

通過設置兩種不同的溫度模式對混凝土進行養護，并開展應力試驗，以此得出該地區大壩混凝土自身變形與養護齡期之間的關系，見圖5。

圖5 兩種溫度變化過程下等效齡期和自收縮變形關系對比圖

從圖5中可以看出，TMC比絕熱模式下的自收縮變形要小，雖然兩種模式下試樣具有一樣的等效齡期，但它們的收縮變形卻存在著一些差異。這一表現反映出想要精準預測混凝土的收縮變形，僅僅采用“等效齡期”這一種方式是不太可行的，預測的結果會有較大的偏差。產生這種現象的具體原因是凝膠體的孔隙結構、相對濕度、水化過程等微觀變化會受到養護溫度的影響，且受影響程度較大。但在實際施工過程中，筑壩混凝土往往會受到外界很多因素的影響，其養護過程中的溫度不是一成不變的，這就勢必會影響到大壩混凝土自收縮變形的預測。為了更精準地對變溫度養護過程中大壩混凝土收縮變形的預測，還需要對現有預測模型進行改進，提出實用性更強、預測精度更高的模型。

4 結 論

本文選取TMC模式和絕熱模式這兩種溫度變化過程對某地區大壩混凝土開展了溫度-應力試驗，結果如下：

1) 可以通過將溫度變形從齡期剛開始時的自由應變里剝離出來的方法，來得到其在早期時的自收縮變形。并且大壩混凝土的自收縮會隨時間的變化而變化，溫度變化過程也會對其自收縮變形產生影響。

2) 當混凝土類別一樣時，其在溫度匹配模式情況下的自收縮變形要小于絕熱模式下的自收縮變形。

3) 基于實驗結果對比發現，目前的“等效齡期”預測法仍存在一些缺點，需要深入研究并改進。