C30钢渣混凝土的温度线膨胀系数试验研究

刘安宁,徐 兵,徐 兵

(1.上海勘测设计研究院，上海 200434； 2.上海宝钢新型建材科技有限公司技术中心，上海 201999)

混凝土的温度线膨胀系数是其热膨胀系数的一个方面[1]，水泥混凝土的线膨胀系数是影响其早期行为的重要因素，对混凝土翘曲、早期开裂有着直接影响，是混凝土早期开裂敏感性分析的重要参数[2]。在混凝土结构设计时常常需要考虑混凝土的热性质，汪澜、冯乃谦等对混凝土材料的热膨胀性进行了很多研究[3-4]。目前，对于钢渣混凝土，大多进行的是抗压强度和耐久性[5]、工作性能和力学性能[6]及钢渣安定性与活性激发[7]等方面的研究，对温度线膨胀系数展开试验研究的甚少。因此，通过无应力计(实际上是由安装在锥形双层套筒内的应变计制成的应变量测仪，由于这种特殊结构的隔离而不受外力作用，通过对无应力计的电阻和电阻比测值可以计算出混凝土的自由体积变形，也称混凝土的无应力应变或混凝土在非构造荷载作用下产生的变形，一般用εm表示。安装在锥形双层套筒内的DI型应变计测试的就是这种自由体积变形)测值开展钢渣混凝土的温度线膨胀系数试验研究是有工程现实意义的，有利于分析钢渣混凝土的应力应变，有利于分析钢渣混凝土的裂缝成因。

1 C30普通及钢渣混凝土的配置

选取两幅防汛墙进行现场试验，一幅防汛墙用C30普通混凝土浇筑，一幅防汛墙用C30钢渣混凝土浇筑。对比C30普通混凝土，C30钢渣混凝土中利用钢渣微粉替代20%S95矿粉，钢渣粗骨料替代碎石的比例≥20%，钢渣细骨料替代河砂的比例≥40%，固废物占比达32.1%。两种C30混凝土中水泥用量均为220～230 kg/m3。

2 温度线膨胀系数α的计算依据

混凝土在非荷载作用下的变形εm、湿度变形及自生体积变形，即：

εm=G(t)+α△T+εw

式中：G(t)为由混凝土物理化学因素引起的自生体积变形(×10-6)；α△T为温度变化引起的变形(×10-6)，其中α为混凝土材料的温度线膨胀系数；εw为湿度变化引起的变形(×10-6)。

通常认为：混凝土的自生体积变形G(t)经过一段时间以后变化趋于平缓，在90 d以后基本为一定值，一般约20～100×10-6[8]；湿度变形εw很小，基本上可忽略不计[9]。因此，混凝土浇筑90 d后，基本可认为G(t)和εw为定值。由此，可以认为90 d后混凝土的温度线膨胀系数α只与伴测温度△T呈线性关系，即α∝△T。

3 研究内容及试验方法

试验用DI-10型无应力计测值计算出两种混凝土中发生的无应力应变εm及伴测温度，然后将90 d后两种混凝土的无应力应变值与伴测温度采用最小二乘法进行拟合，求出两种C30混凝土的温度线膨胀系数α。

为保证无应力计筒内的混凝土既要与筒外混凝土完全一样，又要处于无应力状态，本次试验中无应力计桶内加软塑料泡沫置于桶内壁，可保证无应力计处于不受构造荷载作用状态。无应力计安装埋设图详见图1。

图1 无应力计安装埋设详图Fig.1 Non-stress meter installation details

4 拟合计算成果及分析

4.1 1年期实测资料拟合计算成果及分析

C30普通混凝土中埋设无应力计编号为I1、I2，C30钢渣混凝土中埋设无应力计编号为I3、I4。以无应力计电阻计算出的伴测温度为自变量，以无应力计计算出的无应力应变值为因变量，采用最小二乘法进行拟合。混凝土浇筑90 d后，普通混凝土中无应力计处的伴测温度-无应力应变量实测及拟合曲线见图2、图3；钢渣混凝土中无应力计处的伴测温度-无应力应变量实测及拟合曲线见图4、图5。

浇筑90 d后各无应力计的伴测温度-拟合无应力应变方程见表1。

图2 浇筑90 d后C30普通混凝土中无应力计I1处的伴测温度-实测及拟合无应力应变量曲线Fig.2 The curve for non-stress meter(I1) no-stress strain and with temperature after C30 ordinary concrete pouring 90 days

图3 浇筑90 d后C30普通混凝土中无应力计I2处的伴测温度-实测及拟合无应力应变量曲线Fig.3 The curve for non-stress meter(I2) no-stress strain and with temperature after C30 ordinary concrete pouring 90 days

图4 浇筑90 d后C30钢渣混凝土中无应力计I3处的伴测温度-实测及拟合无应力应变量曲线Fig.4 The curve for non-stress meter(I3)no-stress strain and with temperature after C30 steel slag concrete pouring 90 days

由以上计算数据可知：①两种混凝土中实测无应力应变量与伴测温度拟合计算出的相关系数在99.9%以上，表明混凝土中实测无应力应变量与伴测温度这两个值呈现出较好的线性相关关系。②因为无应力计桶中的无应力计测值只受温度、湿度等非构造荷载的影响。因此，混凝土浇筑90 d后，可以将回归方程中的α认为是混凝土的温度线膨胀系数，则计算结果表明：C30普通混凝土的温度线膨胀系数α约为9.9×10-6/℃， C30钢渣混凝土的温度线膨胀系数α约为11.7×10-6/℃。表明相同级别的C30钢渣混凝土的温度线膨胀系数大于普通混凝土。

图5 浇筑90 d后C30钢渣混凝土中无应力计I4处的伴测温度-实测及拟合无应力应变量曲线Fig.5 The curve for non-stress meter(I4) no-stress strain and with temperature after C30 steel slag concrete pouring 90 days

无应力计编号拟合方程相关系数R温度线膨胀系数α/℃普通混凝土I1I2εm=9.916 3T-557.956 7εm=9.875 2T-560.740 3>99.9%>99.9%9.916 3E-069.875 2E-06钢渣混凝土I3I4εm=11.486 3T-708.441 7εm=11.902 7T-750.956 2>99.9%>99.9%11.486 3E-0611.902 7E-06

有关研究资料[2,10]表明：集料类型对水泥混凝土的线膨胀系数影响显著，混凝土的温度线膨胀系数随着其骨料热膨胀系数的增大而增大。C30钢渣混凝土的温度线膨胀系数大于C30普通混凝土，主要是C30钢渣混凝土中的替代料的热膨胀系数较大导致的。

4.2 不同时期实测资料拟合结果及分析

各无应力计基准时间后90～180 d的伴测温度-拟合无应力应变方程见表2；各无应力计基准时间后90～180 d的伴测温度-拟合无应力应变方程见表3。

从表1、表2及表3的结果可以看出：①各阶段拟合方程的相关系数均大于99.8%，说明伴测温度与混凝土的无应力应变值存在较好的线性关系。②不同时间段的数据拟合结果表明，混凝土的温度线膨胀系数α不是一个定值，它随着时段的改变而改变。③不同时段的C30普通混凝土的温度线膨胀系数α均接近10.0×10-6/℃，C30钢渣混凝土的温度线膨胀系数α均大于11.0×10-6/℃。

表2各无应力计90～180 d的伴测温度-拟合无应力应变方程
Table2Nostressmeterswithfitno-stressstrain-withtemperatureequationduring90～180days

无应力计编号拟合方程相关系数R温度线膨胀系数α/℃普通混凝土I1I2εm=9.497 9T-555.021 6εm=9.468 2T-557.759 499.9%99.9%9.497 9E-069.468 2E-06钢渣混凝土I3I4εm=11.023 2T-703.992 2εm=11.713 3T-749.496 299.8%99.8%11.023 2E-0611.713 3E-06

表3各无应力计90～180 d的伴测温度-拟合无应力应变方程
Table3Nostressmeterswithfitno-stressstrain-withtemperatureequationduring90～180days

无应力计编号拟合方程相关系数R温度线膨胀系数α/℃普通混凝土I1I2εm=9.772 6T-556.968 4εm=9.778 9T-560.098 599.8%99.9%9.772 6E-069.778 9E-06钢渣混凝土I3I4εm=11.350 0T-707.253 1εm=11.910 5T-751.014 499.8%99.8%11.350 0E-0611.910 5E-06

5 结论及建议

利用埋设在混凝土中的无应力计测试出的伴测温度和计算出的无应力应变拟合计算结果表明：

(1)C30普通混凝土的温度线膨胀系数α接近10.0×10-6/℃，C30钢渣混凝土的温度线膨胀系数α大于11.0×10-6/℃。说明集料类型对水泥混凝土的线膨胀系数影响显著。

(2)无论是C30普通混凝土还是C30钢渣混凝土，其热膨胀系数α不是一个定值，它随着时间的改变而改变。

由于钢渣混凝土的温度线膨胀系数与钢筋的温度线膨胀系数接近，使得钢渣混凝土中钢筋与混凝土的协调变形能力增强；但是，为实现钢渣在混凝土中安全、可靠的利用，建议钢渣混凝土在温度应力对结构的稳定性影响不大的建(构)筑物中使用。

参考文献：

[1] 水中和,曹蓓蓓.水泥混凝土材料热膨胀性能研究[C].广州：第九届全国水泥和混凝土化学及应用技术年会，2005,9：429-435.

[2] 张艳聪,田波,彭鹏,等.水泥混凝土线膨胀系数试验研究[J].公路,2011(9)：201-205.

[3] 汪澜.水泥混凝土—组成性能应用[M].北京：中国建筑出版社，2005.

[4] 冯乃谦.实用混凝土大全[M].北京：科学出版社，2001.

[5] 孙家瑛.钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性的影响[J].建筑材料学报，2005(8)：63-66.

[6] 李云峰,王玲,林晖.掺钢渣粉混凝土工作性和力学性能研究[J].混凝土，2008(9)：38-40.

[7] 张同生,刘福田,王建伟，等.钢渣安定性与活性激发的研究进展[J].硅酸盐通报，2010,34(4)：42-47.

[8] 张进平.大坝监测资料的管理与分析讲义[R].贵阳：中国水利水电科学研究院结构材料所,2012.

[9] 薛桂玉,乔国龙,杨定华.江垭碾压混凝土坝无应力变形规律分析[J].水利与建筑工程学报，2011，9(3)：54-57.

[10] 黄兴,吴胜兴.不同粗骨料混凝土早期热膨胀系数试验研究[J].结构工程师,2004,26(3)：154-155.