钢纤维掺量对陶粒混凝土早期自收缩的影响

张彬彬，季韬，林旭健

(福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

0 引言

近年来在桥梁工程和高层、超高层建筑中轻骨料混凝土的应用日益广泛，随着轻骨料混凝土的广泛应用，早期开裂问题成为了土木工程界所面临的共同难题，且轻骨料混凝土的早期开裂问题更为严重．对于如何降低轻骨料混凝土早期开裂的可能性，提高轻骨料混凝土的抗拉强度，改善其易脆的缺陷，国内外学者提出了在轻骨料混凝土中加入钢纤维的解决办法［1－2］．

国内外学者对掺钢纤维的轻骨料混凝土的研究主要集中于对掺钢纤维后轻骨料混凝土基本力学性能的研究，而对于掺纤维轻骨料混凝土的收缩变形，尤其是早期收缩研究较少．现有对掺纤维混凝土的收缩问题的研究主要集中于干燥收缩［3－5］，研究表明，掺入钢纤维之后，混凝土的干燥收缩显著减少．轻骨料陶粒具有吸水返水特性，故陶粒混凝土的自收缩与普通粗骨料混凝土不同，研究表明，吸水率较大的碎石型陶粒混凝土的自收缩小于普通粗骨料混凝土，而吸水率较小的页岩圆球型陶粒混凝土的自收缩大于普通粗骨料混凝土［6］．吸水饱和的轻骨料等体积取代普通粗骨料可以降低混凝土自收缩，且降低幅度随取代率的增加而增加［7］．

然而，现有的研究缺乏钢纤维对于轻骨料混凝土早龄期(1 d以内)自收缩影响的研究．本文以钢纤维陶粒混凝土为研究对象，通过自制的自收缩装置，测量掺钢纤维陶粒混凝土的早期自收缩，并进一步分析了钢纤维掺量对陶粒混凝土早期自收缩的影响．

1 试验方案

1．1 原材料及陶粒混凝土的配合比

水泥采用福建炼石牌42．5R普通硅酸盐水泥，表观密度3 050 kg·m－3，28 d抗压强度为45 MPa．钢纤维采用浙江海宁博恩金属制品有限公司生产的剪切型钢纤维，钢纤维的各项技术指标如表1所示．陶粒采用湖北宜昌高强页岩圆球形陶粒，陶粒的各项性能指标如表2所示．细骨料采用细度模数为2．5的闽江河砂，堆积密度1 481 kg·m－3，表观密度2 590 kg·m－3，所选用河砂的级配如表3所示．水采用福州地区的自来水．减水剂采用福建建筑科学研究院生产的TW－JS聚羧酸高效减水剂，减水率15% ～18%，陶粒预湿1 h，陶粒混凝土配合比如表4所示．

表1 钢纤维性能指标Tab．1 Performance index of steel fiber

表2 陶粒的性能指标Tab．2 Performance index of ceramsite

表3 河砂级配表Tab．3 Gradation of fine aggregates

表4 陶粒混凝土配合比Tab．4 Mix proportion of ceramsite concrete

2 试验内容

2．1 总收缩试验

采用波纹管作为模具，可以将混凝土试件的体积应变转化为长度方向的应变，进而实现自浇筑成型开始对混凝土自收缩的测量，且可以有效避免重力、温度变化等对试验结果的影响［8］．利用波纹管作为模具制成自收缩装置，利用该装置可以测量混凝土1 d龄期内的自收缩［9］，并有较好的试验精度．原装置所用波纹管管壁较厚，对混凝土硬化前自收缩变形的约束较大，且波纹管试件与装置有摩擦，这会影响试验精度．课题组对波纹管作为模具制成自收缩装置进行改进．改进后的装置采用管壁更薄的波纹管作为模具，减少波纹管对混凝土自收缩变形的约束，并把波纹管试件悬吊起来，减少摩擦．改进后的装置具有更好的试验精度，其示意图见图1，实物图见图2．改进后的装置由波纹管、千分表、铁箱、T型热电偶线、温度采集系统等组成．每组混凝土浇筑1个波纹管试件，试件浇筑后静置一段时间，在混凝土搅拌1．5 h后把波纹管试件按图1中所示用细线悬挂起来(用以消除摩擦)并固定千分表装置，从2 h(0．083 3 d)开始读取数据，至1 d内，每0．5 h读取一次数据．温度采集同时进行，每0．5 h采集一次．

图1 自收缩装置示意图(单位:mm)Fig．1 Schematic diagram of autogenous shrinkage device(unit:mm)

图1中所示的T型热电偶线在试件的左、中、右分别测量波纹管试件内部的温度变化，然后取平均值．T型热电偶线一端埋入试件横断面正中心的位置处，另一端与温度采集系统相连;图1和图2中固定千分表的铁片在混凝土块下的尺寸可以根据试件的实际尺寸调整，以便千分表探头与试件间接触可靠;图1和图2中悬挂波纹管试件所用的细绳为常用的棉线绳，铁杆为直径10 mm的普通实心铁杆．

图2 自收缩装置Fig．2 Autogenous shrinkage device

直接读取的应变值为混凝土试件的总应变(含自收缩和温度应变):

式中:εst(t)为在龄期t时的总应变，t从混凝土搅拌完成时算起;L0为混凝土试件在开始读取数据时的初始长度(mm);Lt为在龄期t时所对应的混凝土试件的长度(mm)．

2．2 温度应变采集试验

温度采集系统包括温度应变采集箱、采集读取数据的计算机和T型热电偶线三部分．T型热电偶线有两种:一种是一端埋入试件内部，用来测试件内部的实际温度;另一种是一端插入冰水混合物中(温度为0℃)，用来测量基准温度．

钢纤维陶粒混凝土的热膨胀系数按下述取值:钢材的热膨胀系数(CTE)为12×10－6℃，而混凝土的热膨胀系数在1 d以后为7×10－6～12×10－6℃，二者相差不多，因此这里忽略钢纤维的掺入对陶粒混凝土的热膨胀系数的影响．采用文献［9］的钢纤维陶粒混凝土热膨胀系数，在1d龄期的热膨胀系数为8×10－6℃，在2 d龄期的为9×10－6℃，之后保持不变．对于1 d龄期内的热膨胀系数，根据文献［10］:对于刚浇筑完成的混凝土来说，其热膨胀系数的初始值比较高，大约为20×10－6℃左右．因此假定陶粒混凝土的初始热膨胀系数也为20×10－6℃，且假定混凝土的热膨胀系数是按线性变化的，故之后按线性降至1 d龄期时的8×10－6℃，热膨胀系数从测量开始时(0．083 3 d)随龄期的变化如图3所示．则钢纤维陶粒混凝土的温度应变为:

式中:εtd(t)为从测量开始(0．083 3 d)至龄期t时混凝土的累计温度应变;α(t)为随龄期变化的钢纤维陶粒混凝土热膨胀系数;ΔT(t)为时间变化d t所对应的钢纤维陶粒混凝土温度变化量．

采用温度采集系统测得各组相对于测量开始时(0．083 3 d)的混凝土内部温度．利用热膨胀系数(图3)和采集得到的温度变化值(图4)，即可对式(2)进行数值化求解．分别计算每隔半小时的温度变化与对应时间段内热膨胀系数平均值，乘积后进行累加，进而得到温度应变随龄期的变化曲线(图5)．

图3 陶粒混凝土热膨胀系数与龄期的关系Fig．3 Relation between CTE and age of ceramsite concrete

图4 各组钢纤维陶粒混凝土的温度变化Fig．4 Temperature variation of steel fiber reinforced ceramsite concrete

图5 各组钢纤维陶粒混凝土的总应变、温度应变及自收缩Fig．5 Total strain，temperature strain and autogenous shrinkage of steel fiber reinforced ceramsite concrete

3 结果与分析

3．1 试验结果

混凝土的实际自收缩值不包括由于水化热产生的温度变形值，因此，混凝土的实际自收缩εsh(t)(autogenous shrinkage)为试验测得的总应变εst(total strain)扣除温度应变εtd(t)(thermal strain)，即:式中:εsh(t)为龄期t时混凝土的自收缩;εst(t)为龄期t时所测得的总应变;εtd(t)为龄期t时混凝土的累计温度应变．

把根据式(2)计算得到的温度应变εtd(t)及按照式(1)得到的对应龄期总应变εst(t)代入到式(3)即可得到对应龄期时的自收缩εsh(t)．各组钢纤维陶粒混凝土的温度应变、总应变及自收缩随龄期的变化规律如图5所示．

3．2 分析与讨论

由图5中总应变、温度应变、自收缩三者的关系可知，在1 d龄期以内的混凝土的总应变和自收缩很大，而温度应变相对较小．在1 d龄期内，混凝土内部有明显的水化反应，水化反应放出热量使混凝土内部温度升高，进而发生热膨胀，温度应变为正的应变．测得的总应变为负值，掺钢纤维陶粒混凝土的自收缩也为负值，故自收缩大于总变形．由于温度应变的绝对值相对于总应变和自收缩较小，因此自收缩略大于总应变，自收缩曲线在总变形曲线的下方．

各组钢纤维陶粒混凝土的自收缩如图6所示，由图6中自收缩值的发展曲线可知，1 d龄期内混凝土的自收缩在初始的0．5 d内自收缩增长很快，0．5 d之后自收缩增长变慢，但仍有较为明显的增长，在0．7 d以后掺钢纤维陶粒混凝土的自收缩增长开始变得缓慢，自收缩曲线趋于平稳．在1 d龄期的初始阶段，当混凝土处于流态时，化学收缩为自收缩，自收缩增长很快．当混凝土初凝以后混凝土内部逐渐形成骨架，抵抗化学收缩产生的部分变形，故只有一部分化学收缩为自收缩，另一部分化学收缩转化为孔隙．在0．7 d以后，混凝土内部骨架刚度进一步增大，成为自收缩的化学收缩进一步减少，故自收缩值增长缓慢，自收缩曲线趋于平稳．

钢纤维掺量不同对陶粒混凝土的自收缩有明显影响，钢纤维的掺入可以明显减少1 d龄期内的陶粒混凝土的自收缩，且钢纤维掺量越大，其1 d龄期的自收缩越小，但是自收缩的减少与钢纤维掺量的增加并非呈现线性关系．对于未掺钢纤维的陶粒混凝土，其1 d龄期的自收缩可达到892×10－6，当钢纤维掺量为0．5%时，陶粒混凝土的自收缩值减少到760×10－6，减少了132×10－6;而当钢纤维的掺量为1%时，陶粒混凝土的自收缩值为704×10－6，比掺钢纤维为0．5%的陶粒混凝土减少了56×10－6，减少值小于钢纤维掺量从0%增加到0．5%时的减少值;而当钢纤维掺量继续增加1%即增加到2%时，其自收缩为633×10－6，自收缩减少了71×10－6，小于56×10－6的两倍．当钢纤维掺量较少时，钢纤维与混凝土的平均粘结应力较大，平均每根钢纤维对减少自收缩的作用较大;当钢纤维掺量增加时，钢纤维与混凝土的平均粘结应力较小，平均每根钢纤维对减少自收缩的作用较小，因此当钢纤维掺量从0．5%继续增加时，钢纤维掺量对陶粒混凝土早期自收缩减少的程度会逐渐降低．

图6 各组钢纤维陶粒混凝土的自收缩Fig．6 Autogenous shrinkage of steel fiber reinforced ceramsite concrete

4 结论

1)钢纤维陶粒混凝土1 d龄期内的自收缩值在0．5 d内的增长很快，之后增长速率开始随着龄期增长不断变慢，0．7 d之后自收缩曲线基本为直线．这与初凝以后混凝土内部逐渐形成骨架，只有部分化学收缩产生的宏观体积变形有关．

2)钢纤维的掺入可以显著降低陶粒混凝土1 d龄期内的自收缩，且随着钢纤维掺量的增加，陶粒混凝土1 d龄期内自收缩逐渐减小，但钢纤维掺量对1 d龄期内自收缩减少的程度随着掺量的增加而减小．

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