基于超高性能水工混凝土收縮變形試驗分析

張銀鵬

(錦州新澤工程建設監理有限公司,遼寧 錦州 121000)

為了降低超高性能水工混凝土的收縮變形和材料成本,國內外諸多學者從摻高吸水性樹脂內養護劑、飽水輕集料、膨脹劑、碎石等角度提出改性措施,并以摻膨脹劑和碎石改性為主。例如,明陽等將5%鈣礬石型復合膨脹劑與15%鋼渣粉摻入超高性能混凝土中,結果發現180d干縮率可減小到208×10-6;付澤東等探討了超高性能混凝土受CSA膨脹劑的影響,結果表明摻CSA膨脹劑會降低抗折、抗壓強度和工作性能;李信等研究認為摻碎石與河砂超高性能混凝土相比,其抗彎拉、抗壓強度和拌合物流動性均有所下降;黃征宇等認為熱養護工藝是控制超高性能混凝土的最佳技術手段,熱養護溫度不超過50℃幾乎不產生收縮,溫度達到70℃時收縮量提高到450×10-6,為有效抑制收縮可以提高配筋率[1-4]。

綜上分析,以往研究主要集中于超高性能混凝土力學性能受鋼纖維或不同粗骨料摻量的影響,減少考慮收縮變形性能的影響。鑒于此,文章探討了超高性能水工混凝土收縮性能、微變形和水化溫度受粗骨料的影響規律,旨在為超高性能水工混凝土在水利工程領域的廣泛應用提供一定技術支持。

1 試驗方案

1.1 原材料性能

水泥:中國葛洲壩集團生產的P·O 42.5級水泥,山東博肯硅材料廠生產的硅灰,市場上購買的S95級礦粉和磨細石英粉,鞍山成達電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰。采用大連建材廠生產的河砂(細度模數2.9)和1～5mm、5～10mm、10～15mm三個粒徑范圍的花崗巖碎石,徐水正達鋼纖維廠生產的端鉤型鋼纖維,斷裂強度1200MPa,彈性模量210GPa,科之杰聚羧酸高效減水劑(粉體),拌合水用自來水。

1.2 配合比設計

在不改變砂漿各組分的情況下,通過單摻5～10mm、1～5mm、10～15mm三種粒徑,0、180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3五種摻量的粗骨料設計7組不同配合比,如表1所示。

表1 試驗配合比及性能

1.3 試驗方法

1)拌合過程。超高性能水工混凝土與普通混凝土的養護條件、拌合工藝及原材料存在較大差異,配制目標不同所選用的拌合工藝也存在一定差異。拌合過程中,本試驗參考有關研究成果及《活性粉磨混凝土》中的攪拌工藝,通過試驗試驗確定最合適的攪拌方式,具體如下:①參照試驗配合比精準稱量所用原材料,先在震蕩式攪拌機中投入粉體外加劑、骨料和膠凝材料,啟動設備干拌120s后開始震蕩,再干拌60s;②向持續攪拌的攪拌機內用篩網篩入纖維,并震蕩到360s停止;③向攪拌機內倒入稱好的水攪拌120s,然后開啟震蕩再攪拌120s;④拌合完成后從出料口用容器接料,若拌合物過多可分兩次接料;④出料后,采用專用設備立即測定混合料的流動度,然后分組裝入對應的模具。

2)試驗方法。為探討超高性能水工混凝土蒸養階段和凝結硬化階段內部微變形、水化溫度、干燥收縮受粗骨料粒徑及其摻量的影響,試驗選用綜合測試儀測量微變形和水化溫度,主要操作步驟為:①在混凝土試件成型時預先埋入測頭,綜合測試儀與試件間可以利用連接線連接;②試件成型后連線接通,啟動測試儀并調整、清零,考慮到該測試儀可以分組記錄數據以及每組測頭編號不同的情況,整個試驗過程中只需清零一次,其它參數保持不變;③依據現行標準推薦的接觸法測定混凝土收縮量,試驗中以脫模后3d的收縮值為0(即初始值)。

2 結果與分析

2.1 水化溫度變化特征

1) 水化溫度受粗骨料摻量的影響。不同摻量條件下,超高性能水工混凝土的早期水化溫度變化特征如圖1所示。結果顯示,隨時間的增加各組混凝土水化放熱均表現出先下降后上升再下降的變化趨勢,水泥基體水化放熱峰值隨粗骨料的摻入明顯減小,未摻粗骨料組的水化放熱較大,水化溫度最高達到35.5℃,且摻180kg/m3、340kg/m3和480kg/m3粗骨料的水化溫度峰值相差不大。

圖1 不同摻量早期水化溫度變化曲線

2)從微觀上分析以上變化趨勢,這是由于在拌合過程中水接觸到水泥后立即產生水化放熱反應,該階段屬初始水解期,硬化成型時達到一定的溫度,隨后水化放熱反應速率明顯下降,并進入水化誘導期;另外,粒徑較小的粉煤灰、硅灰等被大量吸附于水泥顆粒表面,這些超細顆粒的絮凝作用較強,水與膠凝材料拌合后絮凝結構及超細顆粒會吸附大量的水分,從而減少與水泥接觸的水,延緩水化反應并延長誘導期;誘導期之后水化反應加速使得溫度快速上升,宏觀上表現出“上升”趨勢,該階段屬加速期;加速期之后水化速度下降,放熱減少表現出“下降趨勢”,該階段屬衰退期。在水化放熱后期溫度趨于穩定,這主要是因為水化逐漸趨于穩定。水化放熱峰值明顯下降是因為骨料的摻入降低了單位體積水泥含量,水化進程和速度下降,放熱下降,并且基體流動性隨粗骨料摻量的增加而減少,膠凝材料沒有完全水化,使得水化放熱下降[5]。

3)水化溫度受粗骨料粒徑的影響。不同粒徑條件下,超高性能水工混凝土的早期水化溫度變化特征如圖2所示。結果顯示,隨時間的增加各組混凝土水化放熱也表現出先下降后上升再下降的變化趨勢,這主要與礦物摻合料及其自身水化反應特性有關;在水化加速期前骨料粒徑與水化反應放熱不存在明顯相關性,究其原因是誰與水泥接觸后放熱受膠凝材料的浸潤線及鈣礬石的生成影響,放熱未表現出明顯規律性;當進入加速期時,隨骨料粒徑的增大水化反應放熱表現出上升趨勢,10～15mm粒徑的水化溫度最高值(32.6℃)相較于1～5mm(31.8℃)、5～10mm(32.0℃)均有所提升,這是因為骨料粒徑越大則單位體積填充量就越少,相應的膠凝材料用量也就越多,并且比表面積越小漿體需要裹附的面積就越小,基體內的自由漿體含量越多引起的水化反應越激烈,放熱越多;另外,水化放熱峰值隨骨料粒徑的增大有所提前,這是因為骨料粒徑越小則漿體流動性越差,比表面積越大其水化進程變慢,水化加速期和放熱峰值被延后。

圖2 不同粒徑早期水化溫度變化曲線

2.2 微變形性能

1) 微變形受粗骨料摻量的影響。不同摻量條件下,隨齡期增長超高性能水工混凝土的應變變化特征如圖3所示。結果顯示,各組微變形測量值均隨著水化反應時間的延長不斷增長,直至蒸養完成溫度下降到室溫時應變趨于穩定。不同摻量條件下,各組混凝土最大應變如圖4所示,結果顯示未摻和摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料的混凝土最大變形測量值為464με、452με、450με、421με,未摻組相較于摻粗骨料組依次增大5.59%、3.02%、9.27%;基體微變形測量值隨著粗骨料摻量的增加而減小,這是因為骨料的摻入有利于增強水泥基體剛度,其鋼芯骨架作用對增強混凝土抗變形性能具有積極作用,并且摻量越高則增強作用越明顯。

圖3 不同摻量應變曲線

圖4 不同摻量微應變峰值變化特征

2)微變形受粗骨料粒徑的影響。不同粒徑條件下,隨齡期增長超高性能水工混凝土的微變形變化特征如圖5、圖6所示。結果顯示,隨水化反應時間的延長各組微變形測量值均持續增大,其中微應變峰值最小的是骨料粒徑10～15mm組的416με,相較于1～5mm和5～100m組有所減少,5～10mm粒徑組的應變最高達到452με,究其原因是骨料粒徑較小時單位體積的摻量增多,骨料自身強度較高不易被壓縮能夠抑制混凝土收縮變形;雖然10～15mm粒徑組的單位體積骨料摻量少,但較大粒徑粗骨料可以提供良好骨架作用,具有更好的整體性能,從而使得較大粒徑的變形量下降,在5～10mm粒徑時試件變形較大。

圖5 不同粒徑應變曲線

圖6 不同粒徑微應變峰值變化特征

2.3 收縮性能

1)不同摻量條件下,隨齡期增長超高性能水工混凝土的收縮特征如圖7所示。結果顯示,水泥基體的收縮值隨著粗骨料摻量的增加呈減小趨勢,摻量越高則收縮值越大,180d齡期時摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3粗骨料組相較于未摻組依次減少9.71%、25.24%、27.18%和30.82%。這是由于提高粗骨料摻量會增大基體彈性模量和混凝土受壓剛度,更好地發揮其骨架作用,加之骨料自身就具有較高的強度很難發生壓縮變形,試件在纖維的錨固與橋接作用下具有更好的整體性,使其更加均勻地受力,這也在一定程度上限制了收縮。另外,早齡期(7d)試件的收縮量很大,7d齡期摻0%、180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3粗骨料組的收縮值與180d齡期相比為72.82%、75.26%、81.27%、78.66%和77.19%,摻0～340kg/m3粗骨料時,7d齡期混凝土收縮完成度隨著摻量的增加而提高,說明水化早期收縮較大。這是因為提高粗骨料摻量相當于減少了單位體積的膠凝材料含量,即水泥顆粒未參與水化的含量減少,也就降低了后期收縮變形,對抑制收縮具有積極作用;摻340kg/m3及以上粗骨料時,早齡期(7d)基本完成收縮變形,這是由于繼續提高骨料摻量會最先降低拌合物流動性,纖維的團結風險使得漿體均勻性變差,對水化反應具有延緩作用,在一定程度上抵消增加摻量所引起的收縮。

圖7 不同齡期收縮值變化曲線

圖7 不同齡期收縮值變化曲線

2)不同粒徑條件下,隨齡期變化超高性能水工混凝土收縮變化如圖8所示。結果顯示,5～10mm粒徑時混凝土收縮測量值最高,10～15mm粒徑組混凝土收縮測量值最小,該變化規律與微變形相似。這是因為較小粒徑條件下單位體積內的摻量就越多,基體剛性增大難以發生壓縮變形,從而限制了混凝土收縮哦;10～15mm粒徑組的收縮值最小,這是由于基體中粗骨料發揮更加明顯的剛性骨架作用,加之其不易被壓縮變形、自身強度高的特性更加明顯地限制混凝土收縮。

3 結 論

1)隨骨料摻量的增加超高性能水工混凝土早期水化溫度不斷下降,摻600kg/m3粗骨料組與未摻組相比,其最高水化反應溫度明顯下降;10～15mm粒徑組水化溫度最高值(32.6℃)相較于1～5mm(31.8℃)、5～10mm(32.0℃)均有所提升,增幅達到2.45%和1.84%,總體相差不大,說明水化溫度受粒徑變化影響較低。

2)隨骨料摻量增加集體應變測量值不斷下降,未摻和摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料的混凝土最大變形測量值為464με、452με、450με、421με,未摻組相較于摻粗骨料組依次增大5.59%、3.02%、9.27%;

3)水泥基體的應變與收縮測量值變化規律相似,混凝土收縮隨骨料陳亮的增加而減少,摻600kg/m3粗骨料組為未未摻組的68.2%;10～15mm粒徑組的收縮較小,5～10mm組的收縮最大,并且7d齡期摻180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料組的收縮值與180d齡期相比為71.22%、76.48%、80.25%、78.25%。