两种温度历程下高掺粉煤灰砼早期抗裂性综合评价

赵志方，陈 静，王卫仑，赵志刚，周厚贵

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060；3.浙江传媒学院，浙江 杭州 310018；4.中国能源建设集团有限公司，北京 100022)

两种温度历程下高掺粉煤灰砼早期抗裂性综合评价

赵志方1，陈 静1，王卫仑2，赵志刚3，周厚贵4

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060；3.浙江传媒学院，浙江 杭州 310018；4.中国能源建设集团有限公司，北京 100022)

为综合评价高掺量粉煤灰大坝混凝土早龄期的抗裂性，采用温度—应力试验机，研究35%，80%两种粉煤灰掺量的常态大坝混凝土在绝热与温度匹配模式下的综合抗裂性.结果表明：温度匹配模式下混凝土的抗裂性优于绝热温升模式；在两种温度历程养护模式下，80%粉煤灰掺量的混凝土相比于35%掺量的混凝土，有较低的温升值、室温应力以及开裂温度，较高的开裂应力和应力储备，并从开裂细化指标、开裂核心指标和开裂综合指标进行综合分析，得出高掺量粉煤灰混凝土具有更好的早龄期抗裂性.

高掺量粉煤灰混凝土；早龄期；抗裂性；温度—应力试验

大坝的抗裂性问题一直是大坝设计和施工中最为关注的问题之一，而水泥水化放热产生的温升是造成开裂的主要因素.坝体内外温差较大会产生较大的拉应力，从而产生大量的裂缝[1].目前，大坝工程主要采取在坝体表面贴保温板和内部加冷却水管的方式来提高抗裂性，而这些方式往往耗资巨大，找到一种更加经济、方便和可靠的方式来解决大坝的早期抗裂性已非常迫切.研究[2]表明：在混凝土中掺加粉煤灰有利于大坝的抗裂性.目前粉煤灰混凝土在大体积工程，尤其在水工结构中已取得广泛应用.国外已建的非碾压常态混凝土坝，粉煤灰掺量最高达到了70%，我国三峡大坝混凝土粉煤灰掺量为30%～50%.北美等国家的结构规范ACI318[3]中已经允许混凝土结构中使用高掺量粉煤灰混凝土，而我国的DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》[4]规定粉煤灰掺量不得超过55%，实际工程中往往更加保守，一般都在40%及以下，这在很大程度上限制了粉煤灰混凝土的发展.基于此，2011年浙江工业大学与葛洲坝集团公司依托在建的某双曲拱坝对高掺量粉煤灰混凝土(以下简称“高掺混凝土”)进行研究，提出掺量为80%的高掺混凝土[5].为分析高掺混凝土的早期抗裂性能，就必须提出其早龄期的抗裂性评价方法.而目前对于高掺混凝土早期抗裂性的评价方法缺少规范，普遍采用的以混凝土极限拉伸值和绝热温升值等单项指标作为抗裂性评价方法存在弊端[6]，应用较多的综合评价方法——圆环法、平板法和开裂试验架法[7]等并不适用于大体积混凝土的抗裂性评价.在20世纪80年代发展起来的温度—应力试验机(TSTM)可同时考虑温度和约束等因素对混凝土应力和变形的影响，对混凝土早龄期的抗裂性进行综合评价.

采用我国已建某双曲拱坝实际施工所用原材料，配制出粉煤灰掺量为35%的基准混凝土(F35)和粉煤灰掺量为80%的高掺混凝土(F80).采用TSTM分别在绝热模式和温度匹配(TMC)模式下，对两种混凝土的开裂细化指标、开裂核心指标以及开裂综合指标进行分析，研究其早龄期抗裂性.

1 试验原材料与配合比

1.1 试验原材料

本试验所用材料为新建的某高拱坝实际施工所用的原材料.试验使用华新P.O-42.5普通硅酸盐水泥，荆门III级粉煤灰，基准混凝土使用萘系减水剂，高掺量粉煤灰混凝土使用聚羧酸高效减水剂，引气剂均采用山东银凯NOF-AE型引气剂.细骨料为砂率34.5%的人工砂，粗骨料为最大粒径40 mm的人工碎石.

1.2 试验配合比

本试验中基准混凝土采用实际工程施工所用配合比，高掺混凝土采用等浆体体积的方法进行配合比设计，其配制[8]思路：首先计算确定基准混凝土中的浆体量，因粉煤灰的密度为水泥的2/3，若以等质量粉煤灰取代水泥时会导致浆体体积增大，故采用减少用水量以保持高掺混凝土的浆体体积与基准混凝土的浆体一致，由此得到混凝土的配合比如表1所示.

表1 两种混凝土的配合比

2 TSTM试验

2.1 TSTM试验方法

TSTM结构原理[9]示意图如图1所示.

图1 闭环计算机控制系统原理图Fig.1 Closed loop computer control system schematic

本试验机设置有两根有效尺寸均为150 mm×150 mm×1 500 mm的约束试件和自由试件.约束试件装置(图2a)一端固定，另一端为活动端头，设置有力传感器并与步进电机进行连接.通过力传感器测定约束试件中的变形量，当累计变形量达到一定限度时，系统就会自动的对活动端头进行复位到原先的位置，以实现近似100%的约束度.自由试件装置(图2b)一端固定，另一端为自由端头，通过测定自由端的位移即可确定试件的自由变形.试验系统采用计算机闭环来控制，控制系统中设置的多种传感器会自动记录下试件的温度、应变和应力等.

混凝土浇筑并振捣密实后,立即在试件表面覆盖一层塑料薄膜.由此认为试件和外界没有水分的交换，可以忽略混凝土干缩的影响.试验过程中,保持室温在(20±1) ℃，以减小室温波动对试验精度的影响.

图2 试件装置实物图Fig.2 Photo of specimen test device

2.2 温度历程设计

温度历程对混凝土的抗裂性有较大的影响[10]，同时，温度历程也会通过水泥的水化反应速率来影响强度的发展.为了使不同温度历程下的试件有更好的对比性，用“成熟度”将两种温度历程等效为标准养护状态，由此进行对比.在绝热模式和TMC模式下，两种混凝土都达到相同成熟度时作为控制试验开始降温的时间点，并以1 ℃/h的降温速率降温.

TSTM试验机有绝热模式、TMC模式和恒温模式三种，主要对两种混凝土在绝热和温度匹配两种模式下进行研究.本次试验采用的温度匹配模式下TSTM的引导曲线是对该双曲拱坝进行三维有限元仿真模拟获得[11]，绝热温升模式试验采用试验机自带的绝热模式进行试验.

3 试验结果与分析

3.1 早龄期应力分析

图3为在绝热模式和TMC模式下两种混凝土的温度历程曲线，图4为两种模式下两种混凝土的应力发展曲线.图4中正值表示压应力，负值表示拉应力.

(a) 绝热模式

(a) 绝热模式

(b) TMC模式

结合图3，4，在升温阶段，压应力达到峰值后基本保持稳定.绝热模式下的压应力比TMC模式下的大，这是由于绝热模式有较高的温度历程，水化反应较快，由此产生的压应力也较大.由于混凝土自收缩产生一定的拉应力，以及应力松弛的作用，使得压应力在达到温峰之前就开始下降，但下降的幅度较小.从图4中可以看出：F35产生的预压应力较大，F80很小.这或许由F80混凝土的粉煤灰掺量较高，水化反应较慢所致.从整体来看：两种温度历程下，两种混凝土产生的预压应力值相差不大，在绝热模式下相差0.21 MPa，在TMC模式下仅相差0.09 MPa.混凝土在受压阶段产生的预压应力，对降温受拉阶段抗裂的安全储备有贡献，可以缓解受拉阶段产生的拉应力.而从结果看：水化放热较快的F35有较大的预压应力值，但两者的相差较少且在降温阶段前已衰减到零，表明其压应力松弛较大，降低了预压应力的效果，在储备预压应力上二者表现相当.

降温阶段，在温度变形和自收缩的共同作用下，两种混凝土的拉应力发展速率都较大，呈线性增长.本次试验中，由于TSTM的降温能力有限，最低只能降到-15 ℃.且由于试验机制冷设备等的不稳定性，在绝热模式下两种混凝土试件均未发生开裂，在TMC模式下，80%掺量的混凝土也未发生断裂.经计算分析：在TMC模式下，-15 ℃时80%掺量的约束试件所受拉应力已达其抗拉强度值的95%，可近似认为此试件已开裂.

3.2 早龄期混凝土抗裂性综合评价

目前，普遍采用绝热温升值和极限拉伸值等单项指标作为大体积混凝土抗裂性的评价方法，而这种方法在评价高掺量粉煤灰混凝土的抗裂性时已不再适用[6].因此，为更好地评价高掺混凝土的抗裂性，须使用综合评价方法.笔者通过TSTM，得到抗裂性分析的基本参数，并以此对大体积混凝土的早期抗裂性进行综合评价，这些参数可分为3部分：

1) 开裂细化指标：浇筑温度；出现应力时间；第一零应力温度；第一零应力温度时间；升温时间；温峰出现时间；温升值；最大压应力；最大压应力出现时间；第二零应力温度；第二零应力出现时间.

2) 开裂核心指标：室温应力—室温应力为通过TSTM对试件进行主动降温，当温度降低到室温(本实验室温为20 ℃)时所对应的拉应力；开裂应力—通过TSTM进行降温，当降低到一定温度时试件发生断裂时拉应力；应力储备—室温应力与开裂应力之间的差值和开裂应力的比值.

3) 开裂综合指标：开裂温度—约束试件混凝土开裂时对应的温度，可以用来对比不同混凝土开裂性能的指标.

两种混凝土在两种温度历程下的部分试验参数如表2所示.

3.2.1 开裂细化指标

开裂细化指标中主要的指标是温升值、最高温度及最大压应力.在两种模式下，F35较F80都有较大的温升值和最高温度，这有助于F80获得较好的抗裂性.最大压应力方面，F35虽比F80高，但是两者相差不大，且在降温点前两者压应力都已趋于零，认为两者的抗裂能力相当.由开裂细化指标可以得出：F80混凝土的早期抗裂性更好.

表2 TSTM试验关键参数

3.2.2 开裂核心指标

开裂核心指标和开裂细化指标之间有紧密的联系，如细化指标中的温升值、最高温度等都会影响开裂核心指标中的开裂应力和室温应力.可以通过材料的调整改变开裂细化指标，从而改善开裂核心指标.开裂核心指标中的室温应力、应力储备可以确定混凝土在之后工作中抵抗拉应力的能力，室温应力和开裂应力越大，则表明其抗裂性越好.

1) 室温应力

室温应力反映试件温度降到室温(20 ℃)时混凝土试件内部所积蓄的拉应力，应力值越小，对抗裂越有利.由表2可知：绝热模式下，F35，F80的室温应力分别为-0.89，-0.30 MPa；TMC模式下，分别为-0.53，-0.07 MPa.由此可见：绝热模式下的室温应力较匹配模式的室温应力大，对抗裂性不利.F80的室温应力在两种温度模式下都比F35低，表明试件温度降低到室温时所积蓄的拉应力较小.因此，从室温应力角度分析可以得出这有助于F80混凝土获得更好的抗裂性.

2) 开裂应力

较大的开裂应力于抗裂有利，在绝热模式下，因F35的温峰值较高造成温降程度较大，产生了较大的拉应力.但两种混凝土试件在绝热条件下都未发生开裂，且TMC模式更贴近工程实际情况，这里可从TMC模式对开裂应力进行分析.由表2可知：在TMC模式下，F35，F80的开裂应力分别为-1.60，-1.75 MPa，说明F80的抗裂性更好.

3) 应力储备

应力储备是开裂应力与室温应力的差值和开裂应力的比值，应力储备越高，抗裂性越好.在绝热模式下，F35，F80的应力储备分别大于0.56，0.79，在TMC模式下，分别为0.67，0.96.由此可见：TMC模式下的应力储备更大，对抗裂有利.在两种温度历程下，F80的应力储备都比F35大，抗裂性更好.

3.2.3 开裂综合指标

开裂温度作为开裂综合指标反映了混凝土的水化热温升、抗拉强度、升温阶段产生的压应力、降温阶段产生的拉应力、应力松弛、线膨胀系数以及自生体积变形等的交互影响.在同一试验条件下，相比于开裂细化指标和开裂核心指标，是实际工程中最简单易行的开裂控制指标.就TSTM试验而言，开裂温度可作为综合评价混凝土早期抗裂性的指标[12].开裂温度越低，混凝土的抗裂性就越好.试验结果表明：在绝热模式下，F35，F80的开裂温度分别低于-9.18，-11.78 ℃；在TMC下，分别为-0.42，-15.27 ℃.说明温度匹配模式的开裂温度更低，抗裂性更好.在匹配模式中，两者的开裂温度相差接近15 ℃，说明F80混凝土的抗裂性优于F35混凝土.

在实际工程中，三种指标均可以作为混凝土早龄期抗裂性的评价方法.以开裂细化指标调整材料改善开裂核心指标，以开裂核心指标对混凝土的抗裂安全系数进行预测，以开裂综合指标对混凝土的抗裂性进行控制.三种指标共同作用，共同构成对混凝土早龄期抗裂性的系统评价方法.

4 结 论

TSTM可以作为混凝土早龄期抗裂性综合评价的有效方法，采用TSTM来研究绝热模式和TMC模式下高掺混凝土早龄期的抗裂性，并与基准混凝土做对比.试验结果表明：在不同的温度历程下，混凝土的抗裂性不同.TMC模式下混凝土的抗裂性比绝热模式下混凝土的抗裂性好；高掺混凝土与基准混凝土相比，在升温阶段的温升值和最高温度较低，在降温阶段的开裂应力和应力储备较大，室温应力和开裂温度较低，这对抗裂是有利的.另外，从开裂细化指标、开裂核心指标以及开裂综合指标对两种混凝土的抗裂性进行综合分析，得出高掺混凝土相比于基准混凝土在早龄期有更好的抗裂性，说明高掺混凝土是具有发展前景的绿色高性能大坝混凝土.

本文得到全国工程专业学位研究生教育指导委员会自选研究课题(教改项目)(2016-ZX-236)和深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点实验室开放基金项目(GDDCE14-01，GDDCE15-01)的资助.

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(责任编辑：陈石平)

Research on cracking resistance behavior of high volume fly ash concrete at early ages under two temperature histories

ZHAO Zhifang1, CHEN Jing1, WANG Weilun2, ZHAO Zhigang3, ZHOU Hougui4

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;3.Zhejiang University of Media and Communications, Hangzhou 310018, China;4.China Energy Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100022, China)

In order to comprehensively evaluate the cracking resistance behavior of high volume fly ash concrete at early ages, an experimental study on the cracking resistance behavior of normal dam concrete with 35% and 80% fly ash contents under the adiabatic mode and temperature matching curing (TMC) mode is conducted by TSTM tests. The results show that the cracking resistance of concrete under the TMC mode is superior to that under the adiabatic mode. Compared with the concrete with 35% fly ash content, the high volume fly ash concrete has a lower temperature rise, room temperature stress and cracking temperature, and a higher cracking stress and stress reserve. In addition, the high volume fly ash concrete has better cracking resistance behavior at early ages by a comprehensive analysis of the cracking refinement, cracking core and cracking comprehensive indexes.

high volume fly ash concrete; early age; cracking resistance behavior; TSTM test

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(51479178)；浙江省自然科学基金资助项目(LY14E090006)

赵志方(1970—)，女，河南洛阳人，教授，主要从事绿色高性能混凝土材料与结构及耐久性研究，E-mail：zhaozhifang7@126.com.

TU528

A

1006-4303(2017)04-0449-05