石粉對自密實混凝土收縮性能的影響

何世欽，高鵬飛，白紫云，王 輝，孫東興，徐紹峰

(北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

0 引 言

收縮性能是混凝土體積穩定性的重要特性之一，與預應力結構的預應力損失、混凝土強度、裂縫開展狀況，甚至是耐久性關系密切[1-2]。目前學者從材料內部的配合比組成[3-5]、外部的工作環境[6]等因素對普通混凝土的收縮性能進行了大量研究，且結論較為一致。自密實混凝土(self-compacting concrete， SCC)相比普通混凝土具有水膠比低、膠凝材料用量大的特點，工程實踐和室內試驗研究[7-8]表明，SCC的收縮特性不同于普通混凝土。隨著天然砂資源的短缺，價格上漲，采用機制砂配制自密實混凝土成為了必然趨勢。機制砂在生產過程中不可避免地會產生與母巖巖性相同的石粉，目前石粉對SCC干燥收縮的研究結論不一。林燕妮[9]發現摻入質量分數為10%的石粉時可以減少SCC的干燥收縮，當摻入石粉的質量分數超過20%時，干燥收縮隨著石粉摻量的增加而增大。薛曉芳等[10]研究表明石粉的摻入不同程度地增大了SCC的干燥收縮，但影響不明顯。何民偉[11]的研究表明隨著摻入石粉質量分數的增加，SCC的干燥收縮值不斷增加，混凝土的收縮開裂風險增大。SCC作為一種高性能混凝土，其自收縮不可忽略。而關于石粉對SCC自收縮影響的研究較少，普遍認為石粉的摻入可以減少SCC的自收縮[12-14]。

綜上，目前石粉對SCC收縮性能影響的研究仍缺乏系統性，考慮因素較單一，且無適用于摻石粉SCC的收縮預測模型。本文研究了不同水膠比和石粉質量分數下SCC在28 d齡期內的自收縮和干燥收縮規律，提出了考慮水膠比和石粉質量分數的SCC自收縮與干燥收縮預測模型。

1 實 驗

1.1 原材料

原材料主要包括水泥、粉煤灰、石英砂、粗骨料、減水劑和清潔自來水。水泥為金隅P·O 42.5水泥，粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，粗骨料為粒徑5～10 mm和10～20 mm的兩級配骨料，其中10～20 mm的骨料占總體骨料的60%。細骨料采用五種粒徑的石灰巖石英砂，按表1進行混合，級配曲線如圖1所示。石粉為石灰石粉，石粉質量分數通過外摻方法進行調整。減水劑采用聚羧酸減水劑，減水劑和保塑劑母液按1 ∶1的質量比進行配制。主要材料的密度如表2所示。

圖1 石英砂級配曲線Fig.1 Grading curves of arenaceous quartz

表1 石英砂不同粒徑比例Table 1 Different particle size ratios of arenaceous quartz

表2 材料密度Table 2 Material density

1.2 試驗設計

考慮水膠比和石粉質量分數對SCC收縮性能的影響，參照《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)，以V漏斗試驗和坍落擴展度試驗評價SCC性能，當V漏斗通過時間為10～25 s、擴展度大于550 mm時SCC合格。設計了水粉比為0.9、1.0和1.1，水膠比為0.30、0.34和0.37，石粉質量分數為0%、10%和20%的9組SCC配合比，如表3所示。其中，膠凝材料包括水泥和粉煤灰，水粉比為水與膠凝材料的體積比，水膠比為水與膠凝材料的質量比，石粉質量分數為石粉與石英砂的質量比。表3中以編號0.30-10為例，表示水膠比為0.30，石粉質量分數為10%。

表3 SCC配合比Table 3 Mix proportion of SCC

1.3 收縮測量方法

1.3.1 總收縮試驗方法

采用HSP-540型混凝土收縮膨脹儀(見圖2)測量總收縮，環境溫度為16 ℃，濕度為25%。采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，兩端預埋金屬測頭。試件成型后帶試模養護1 d，脫模后繼續澆水覆膜養護2 d，在第3天時(從混凝土攪拌加水算起)用千分表測量初始長度，隨后放置在架空的鐵架之上，分別在1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d時間間隔測量收縮值。

圖2 HSP-540型混凝土收縮膨脹儀Fig.2 HSP-540 concrete shrinkage and expansion instrument

1.3.2 自收縮試驗方法

自收縮試件的試驗方法及養護條件與總收縮試件相同，但需在第3天測量自收縮試件初始長度后立即使用塑料薄膜包裹密封，外漏金屬測頭用石蠟反復密封，防止水分流失。干燥收縮等于總收縮減去自收縮。

2 結果與討論

2.1 總收縮性能分析

總收縮和自收縮隨齡期(t)的變化曲線如圖3所示，其中0.30-10AS代表水膠比為0.30，石粉質量分數為10%時試件的自收縮；0.30-10TS代表水膠比為0.30，石粉質量分數為10%時試件的總收縮。28 d的總收縮值為330×10-6～430×10-6，在7 d之前的增長速率較高，在14～28 d收縮增長開始放緩，但是依然有一定的增長趨勢。相同石粉質量分數條件下，水膠比減小時總收縮略增大；相同水膠比條件下，總收縮隨著石粉質量分數的增加而增大。28 d齡期自收縮在總收縮中占比情況如表4所示。自收縮平均占總收縮的36.6%，說明在SCC的收縮問題中自收縮不容忽視。

圖3 總收縮和自收縮隨齡期變化規律Fig.3 Change rules of total shrinkage and autogenous shrinkage with age

表4 自收縮占總收縮百分比Table 4 Percentage of autogenous shrinkage in total shrinkage

2.2 自收縮性能分析

水膠比對SCC自收縮的影響如圖4所示。在28 d齡期內，7 d之前收縮較快，14～28 d收縮放緩；自收縮整體上隨著水膠比的減小而增大。對比水膠比為0.37時28 d齡期自收縮，當石粉質量分數為0%時，水膠比為0.34和0.30時自收縮分別增加5.6%和11.2%；當石粉質量分數為10%時，水膠比為0.34和0.30時自收縮分別增加6.3%和12.7%；當石粉質量分數為20%時，水膠比為0.34和0.30時自收縮分別增加4.1%和14.2%。說明同石粉質量分數下，混凝土內部的膠凝材料越多，持續的水化過程會消耗更多的自由水，釋放更多的熱量，造成混凝土內部更傾向于干燥，微小孔隙失水造成毛細管處于負壓狀態，形成局部受壓，增大自收縮。

圖4 不同水膠比下各石粉質量分數對應自收縮變化曲線Fig.4 Autogenous shrinkage change curves corresponding to each mass fraction of limestone powder under different water to binder ratios

石粉質量分數對SCC自收縮的影響如圖5所示。在28 d齡期內，同水膠比條件下，在7 d之前，石粉質量分數越高，SCC自收縮增長速率越大，在7 d之后，不同石粉質量分數的SCC自收縮增長速率區別不大，整體上自收縮隨著石粉質量分數的增加呈明顯的增大趨勢。相比石粉質量分數為0%時的28 d齡期自收縮，當水膠比為0.37時，石粉質量分數為10%和20%時自收縮分別增加17.8%和38.8%；當水膠比為0.34時，石粉質量分數為10%和20%時自收縮分別增加18.6%和36.3%；當水膠比為0.30時，石粉質量分數為10%和20%時自收縮分別增加19.3%和42.0%。由于石粉粒徑較小，其摻入會使膠凝材料質量增加，用水量增大，使混凝土內部更早進入欠飽和階段；雖然石粉在一定程度上可以完善顆粒級配，但同時會使內部結構存在細小空隙，增加了微觀結構的不穩定性，因此當內部干燥時，石粉質量分數越高，自收縮越大。

圖5 不同石粉質量分數下各水膠比對應自收縮變化曲線Fig.5 Autogenous shrinkage change curves corresponding to each water to binder ratio under different mass fractions of limestone powder

2.3 干燥收縮性能分析

水膠比對SCC干燥收縮的影響如圖6所示，其中0.30-10DS代表水膠比為0.30，石粉質量分數為10%時試件的干燥收縮。同石粉質量分數、不同水膠比時干燥收縮值相差不大，分析其原因有兩點：(1)水膠比跨度不明顯；(2)水膠比對干燥收縮的影響主要體現在水膠比大的混凝土試件某階段內自由水更多，有更多的水散發到空氣中，從而使干燥收縮性能不同，而本試驗環境濕度低，在水膠比相近的情況下，試件處于過干燥狀態。

圖6 不同水膠比下各石粉質量分數對應干燥收縮變化曲線Fig.6 Drying shrinkage change curves corresponding to each mass fraction of limestone powder under different water to binder ratios

石粉質量分數對SCC干燥收縮的影響如圖7所示。同水膠比條件下，當石粉質量分數為0%和10%時，干燥收縮區別不大；當石粉質量分數達到20%時，干燥收縮明顯增大。說明適量的石粉會完善顆粒級配，對干燥收縮不會造成負面影響；而當石粉摻量較大(≥20%)時，會在混凝土內部形成許多微小的毛細孔，當表層失水時，存在的毛細孔連成通道，加快水分向表層運動，從而不利于干燥收縮。

圖7 不同石粉質量分數下各水膠比對應干燥收縮變化曲線Fig.7 Drying shrinkage change curves corresponding to each water to binder ratio under different mass fractions of limestone powder

3 SCC自收縮與干燥收縮預測模型

目前混凝土收縮表達式主要形式包括雙曲線型、對數式型和指數式型[15]。由于考慮的收縮影響因素不同，國內外專家學者建立了不同的收縮預測模型，其中最具代表性的有ACI-209R模型、CEB-FIP模型、GL2000模型和B3模型等[16-20]。由于SCC收縮特性不同于普通混凝土，普通混凝土的收縮預測模型不適用于SCC的收縮預測。本文基于試驗結果，考慮水膠比、石粉質量分數及齡期三個影響因素，以SCC第3天(從混凝土攪拌加水算起)作為收縮測試初始時間，采用Origin軟件對試驗結果進行多元非線性擬合，分別建立了實驗室環境(非標準環境)下適合SCC自收縮與干燥收縮發展規律的預測模型。

(1)自收縮預測模型

εsh(t)=2.96×R1×R2×e-6.89/t+23

(1)

(2)干燥收縮預測模型

εsh(t)=217×R1×R2×e-5.32/t+33.99

(2)

式中：εsh(t)代表齡期為t時混凝土的收縮值,10-6；R1為水膠比影響因子；R2為石粉質量分數影響因子；β1為水膠比；β2為石粉質量分數,%；t為混凝土齡期(t≥1),d。

自收縮、干燥收縮試驗值與模型預測值對比曲線分別如圖8、圖9所示，其中0.30-10FD和0.30-10TD分別代表水膠比為0.30，石粉質量分數為10%時收縮預測值和試驗值。自收縮預測模型R2為0.974,干燥收縮預測模型R2為0.978，擬合效果較好，可用于考慮石粉影響的SCC自收縮與干燥收縮的預測。

圖8 自收縮試驗值與模型預測值對比曲線Fig.8 Comparison curves between test values and model forecast values of autogenous shrinkage

圖9 干燥收縮試驗值與模型預測值對比曲線Fig.9 Comparison curves between test values and model forecast values of drying shrinkage

4 結 論

(1)SCC 28 d的總收縮值為330×10-6～430×10-6。同石粉質量分數條件下，水膠比減小時總收縮略增大；同水膠比條件下，總收縮隨石粉質量分數的增加而增大，自收縮平均占總收縮的36.6%。

(2)SCC 28 d齡期內自收縮隨著水膠比的減小而增大，隨石粉質量分數的增加而增大；當摻入石粉的質量分數達到20%時，自收縮可增大42.0%。

(3)水膠比在0.30～0.37時，SCC干燥收縮受水膠比的影響較小，但隨石粉質量分數的增加而增大，當石粉質量分數增加到20%時，SCC干燥收縮明顯增大。

(4)本文提出了考慮水膠比及石粉質量分數影響的自收縮與干燥收縮預測模型，并驗證了模型的準確性。