硅粉混凝土的收缩性能研究

刘 源，马瑞洁，杨建森，崔 莹，杨福强

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021)

0 引 言

混凝土收缩是因物理和化学作用而导致的混凝土体积缩小的一项重要的力学性能，它和混凝土的体积稳定性密切相关。普通混凝土的总收缩以干燥收缩为主，其他收缩占的比例较小。因此，在恒温恒湿条件下测定的干燥收缩基本上反映了混凝土的整体收缩性能。硅粉是一种微细高活性掺合料，在混凝土中适当地掺入硅粉作为掺合料，既可以减少水泥用量，又可以改善混凝土性能，尤其是可显著改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透以及抑制碱骨料反应性能［1-7］。本文将硅粉掺量在5%～15%的混凝土定义为硅粉混凝土。相对于强度和耐久性，硅粉与混凝土收缩的关系更为复杂［8-14］。因此，研究不同水胶比和砂率参数下硅粉对混凝土收缩的影响，对于硅粉混凝土体积稳定性的深入认识及其在工程中的正确应用十分必要。本研究开展硅粉混凝土的收缩性能研究，旨在为硅粉混凝土的工程应用及收缩性能设计提供指导和参考。

1 原材料与试验

1.1 原材料

水泥:宁夏赛马牌42.5R 等级P.O 水泥。

砂子:细砂，细度模数2.0，满足Ⅲ区级配，含泥量2.4%，泥块含量0.8%。

粗骨料:碎石，连续级配，最大粒径16 mm，含泥量0.45%，泥块含量0.3%，压碎指标9.8%，针片状含量7.3%。硅粉:挪威埃肯公司出品，比表面积18 000 m2/kg，SiO2含量为91.36%。减水剂:聚羧酸高效减水剂，掺量一般为胶凝材料的2.0%～2.2%。

1.2 正交试验方案

采用四因子、三水平的正交试验方案L9(34)，各因子及其水平分布和正交试验方案设计如表1 所示。胶凝材料指水泥和硅粉的总质量;水胶比是指水和胶凝材料的质量比;硅粉掺量是指其质量占胶凝材料总质量的百分比。

经过多次预拌试验，确定了正交试验的混凝土配合比，列于表1。

1.3 试验方法

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009 关于收缩试验的接触法进行，制备100 mm×100 mm×515 mm 的收缩试件，标准养护养护3 d 后移入温度为(20 士2)℃、相对湿度为(60 士5)%的恒温恒湿环境，立即测定试件的初始长度，此后，分别按1、3、7、14、28、45、60、90、120、150、180 d 的时间间隔(收缩龄期)测定各组试件的长度，并计算收缩率。

2 试验结果与分析

2.1 龄期与收缩率

不同收缩龄期的各试件的收缩测试结果列于表2，其收缩率与龄期的变化曲线示于图1。

表2 不同收缩龄期的硅粉混凝土收缩率Tab.2 Shrinkage ratio of silica fume concrete on different shrinkage age

从表1 和图1 可以看出，各试件的收缩率随收缩龄期的变化趋势基本一致，早期(7 d 之前)收缩较大，后期(7 d 之后)收缩逐渐趋于平缓，90 d 之后趋于稳定。这表明，7 d 之前，水泥主要矿物成分的水化以及高火山灰活性的硅粉与水化产物Ca(OH)2的二次水化进行得比较迅速而导致的化学收缩较大，以及混凝土从标准养护条件(RH ＞90%)移入相对湿度为(60 士5)%的恒温恒湿环境后的干燥收缩也发展得较快，而90 d 后这些收缩效应越来越小，混凝土的总收缩率趋于稳定。同时，各个收缩龄期中，S8 组的收缩率最小，S3 组的收缩率最大，表明S8 组试件的收缩最小，S3 组试件的收缩最大，其他试件的收缩介于二者之间。硅粉混凝土试件180 d 的收缩率分布在343×10-6～471×10-6。

2.2 各因素对收缩率的影响

表3 是各试件的收缩率在不同龄期的正交分析表。

从表3 可以看出，3 d、28 d 龄期时水胶比极差值最大，表明水胶比对收缩率的影响最显著;而在180 d 龄期时，砂率对收缩率的影响最为显著。同时，相比较而言，3 d、28 d 和180 d 收缩龄期空白列的极差也不算小，说明由误差引起的对收缩率的影响不可忽视，因此，进一步进行方差分析，以考察各因素的显著性，其结果示于表4。

图1 各龄期变化对硅粉混凝土收缩率的影响Fig.1 Shrinkage ratio of silica fume concrete changes on different day

如果以180 d 收缩率为指标对硅粉混凝土的最佳配制方案进行优选，应该是A3B2C1，该方案恰好是S8 试样的配制方案，S8 试样在14 d 后的收缩均为最小，优选结果与试验结果一致。

从表4 可以看出，在显著性水平α=0.30 下，除硅粉掺量对180 d 收缩率影响不显著外，其他各龄期，3 个因素对硅粉混凝土收缩率的影响均是比较显著的。表明正交试验选择的3 个因素是影响硅粉混凝土龄期收缩性能的主要因素，正交试验方案的设计是合理的。

表3 不同龄期硅粉混凝土收缩率的极差分析1Tab.3 Range analysis of shrinkage ratio on different day

表4 不同龄期硅粉混凝土收缩率的方差分析Tab.4 Variance analysis of shrinkage ratio on different day

各因素水平变化对硅粉混凝土28 d 和180 d 收缩率的影响趋势图示于图2。

从图2 可以看出:硅粉掺量对28 d 收缩率影响较大，随着硅粉掺量的增加，收缩率呈上升趋势，当硅粉掺量在5%～10%时，收缩率增加比较明显，而在10%以后收缩率上升趋势较之前平缓;同普通混凝土一样，水胶比越大，硅粉混凝土的自收缩却越小，几乎为线性降低;随着砂率的增加，硅粉混凝土的28 d 收缩率呈先减小后增大的趋势，且砂率在38%～43%时28 d 收缩率增加较明显。

同时，从由图2 还可看出，从混凝土180 d 收缩发展的角度来看，各因素的影响趋势同28 d 龄期。水胶比越大，收缩率越小;随着砂率的增加，收缩率呈先减小后增大的趋势，当砂率为38%时收缩率最小;硅粉的掺入使硅粉混凝土的收缩增大，当硅粉掺量在5%～10%时收缩率增长较快，而硅粉掺量大于10%以后的收缩趋于平缓。

图2 各因素水平变化对混凝土收缩率的影响Fig.2 Shrinkage ratio changes with value various of each factor

2.3 硅粉混凝土的收缩模型

根据最小二乘法原理，对收缩曲线进行拟合分析［15］，以建立硅粉混凝土的收缩模型。对9 组收缩曲线进行拟合分析，发现收缩率ε 与收缩龄期t 符合式(1)的对数函数关系，并将各组收缩曲线拟合分析得出的对数函数回归系数a、b 的值列于表5。

式中，εt为收缩龄期t 时的收缩率(10-6);0 ＜t≤180 为收缩龄期(d);a、b 为回归系数，其数值与混凝土组成的3 个因素参数有关。

表5 各试样收缩曲线对数函数拟合系数Tab.5 Fitting coefficient of logarithmic function of each sample shrinkage curve

为进一步确定a、b 两个系数与硅粉混凝土配制参数的关系，综合表1、表3 和表5 的数据，应用数据拟合和多元回归分析，确定了计算系数a、b 的回归公式，分别为式(2)和式(3)。经方差分析，a 的回归公式在显著性水平α=0.10 下显著，b 的回归公式在显著性水平α=0.05 下显著，见表6。这样，根据该收缩模型可以计算任意组成的硅粉混凝土在任一收缩龄期的收缩率，从而对硅粉混凝土的收缩性能进行预测和评估。

式中，p 为水胶比;s 为砂率;f 为硅粉掺量。

表6 收缩模型a、b 系数的回归公式及方差分析Tab.6 Regression formula of a and b of shrinkage model and variance analysis

3 结 论

①14 d 及以后各龄期，当硅粉掺量为5%，水胶比为0.45，砂率为38%时，硅粉混凝土收缩变形最小。

②水胶比在0.35 ～0.45 范围内取值越大，硅粉混凝土收缩率越小;随着砂率的增加，收缩率呈先减小后增大趋势，砂率为38%时收缩最小;硅粉的掺入使硅粉混凝土的收缩增大，硅粉掺量在5%～10%时收缩率增长较快，而硅粉掺量大于10%以后的收缩趋于平缓。

③通过对试验数据拟合和回归分析建立的硅粉混凝土的收缩模型εt=aln(t)+b，在显著性水平α=0.01 下其相关关系显著，应用此模型可以预测或设计硅粉混凝土的收缩性能。

［1］ 王阳，蒋玉川，高永刚.硅灰对高性能混凝土长期耐久性能的影响［J］.中国建材科技，2010(2):121-124.

［2］ GASTALDINI A L G，DASILVA M P，ZAMBERLAN F B.Total shrinkage，chloride penetration，and compressive strengthof concretes that contain clear-colored rice husk ash［J］.Construction and Building Materials，2014，54:369-377.

［3］ YUAN Xiao-hui，CHEN Wei，LU Zhe-an.Shrinkage compensation of alkali-activated slag concrete and microstructural analysis［J］.Construction and Building Materials，2014，66:422-428.

［4］ SILVA R V，DE BRITO J，DHIR R K.Prediction of the shrinkage behavior of recycled aggregate concrete:A review［J］.Construction and Building Materials，2015，77:327-339.

［5］ MAZLOOM M，RAMEZANIANPOUR A A，BROOKS J J.Effect of silica fume on mechanical properties of high-strength concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2004，26(4):347-357.

［6］ SIDDIQUE R.Utilization of silica fume in concrete:Review of hardened properties［J］.Resources，Conservation and Recycling，2011，55(11):923-932.

［7］ 陈娟，许成祥，邓曦.改性钢管全再生粗骨料混凝土短柱的轴压试验［J］.广西大学学报:自然科学版，2015，40(1):58-65.

［8］ 沈洋.硅灰对硬化水泥浆体早期收缩的影响［J］.建筑材料学报，2002，5(4):375-378.

［9］ 宋灿，何大治，徐伟.高性能混凝土收缩预测模型的选用［J］.混凝土，2011(5):40-42.

［10］张利锋.水泥基材料早期收缩研究及数值模拟［D］.杭州:浙江大学土木学院，2014.

［11］CORTAS R，ROZIèRE E，STAQUET S，et al.Effect of the water saturation of aggregates on the shrinkage induced cracking risk of concrete at early age［J］.Cement and Concrete Composites，2014，50:1-9.

［12］AL-AMOUDI O S B，MASLEHUDDIN M.Shrinkage of plain and silica fume cement concrete under hot weather［J］.Cement and Concrete Composites，2007，29(9):690-699.

［13］SEDDIK M M，SUZUKI M，SATO R.Influence of a combination of expansive and shrinkage-reducing admixture on autogenous deformation and self-stress of silica fume high-performance concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2011，25(1):239-250.

［14］MARUYAMA I，TERAMOTO A.Temperature dependence of autogenous shrinkage of silica fume cement pastes with a very low water-binder ratio［J］.Cement and Concrete Research，2013，50:41-50.

［15］李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理［M］.北京:化学工业出版社，2008.