掺矿渣的高强混凝土早龄期拉伸徐变试验研究

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(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；3.浙江华威建材集团有限公司，浙江 杭州 310018)

掺矿渣的高强混凝土早龄期拉伸徐变试验研究

杨杨1,2，陈瑨1，楼晓天1，倪彤元1,2，王章夫3

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；3.浙江华威建材集团有限公司，浙江 杭州 310018)

对含活性矿物掺合料高强混凝土早龄期拉伸徐变特性的研究，能够为服役期高强混凝土的高精度应力解析及开裂预测提供重要参数.以0.3水胶比、50%矿渣掺量的高强混凝土为对象，利用本研究团队自行设计的早龄期拉伸基本徐变试验装置，对在不同加载应力强度比(0.2，0.3，0.4)和不同加载龄期(1，2，3，5，7 d)情况下的混凝土早龄期拉伸徐变进行了试验研究.结果表明：2 d及之后的加载龄期下不同应力强度比的比徐变经时变化曲线基本重合，比徐变表现出较明显的线性特征.加载龄期对于徐变的影响在3 d之前加载时特别明显，7 d及之后加载龄期对徐变基本无影响.

拉伸徐变；早龄期；矿渣；高强混凝土

高强混凝土早期体积变化大，容易发生早期开裂已经成为研究人员的共识[1].混凝土开裂的评价要素包括体积变化(胀缩区分、数值大小和发展速度)，约束程度(周边结构、基层种类和应变梯度)，以及力学性能(抗拉强度、弹性模量、极限应变和拉伸徐变)等.其中早龄期拉伸徐变是评价早龄期开裂的一个重要指标[2].现有研究发现：对于结构中受约束的混凝土，尤其是对早龄期混凝土，徐变能够松弛其60%以上体积变化造成的拉应力，即徐变在缓解拉应力，延缓开裂方面起着重要作用[3].而目前关于高强混凝土早龄期拉伸徐变的研究较少[4]，研究含活性矿物掺合料高强混凝土的早龄期拉伸徐变更是寥寥[5]，对早龄期拉伸徐变的评价大多数直接应用成熟混凝土的压缩徐变研究成果，其误差较大[6-7].可见：在掺合料广泛使用的现今[8]，研究含活性矿物掺合料的高强混凝土早龄期拉伸徐变特性具有重要的理论与实践意义.

笔者以0.3水胶比、50%矿渣掺量的高强混

凝土为研究对象，在与外界无水分交换条件下，试验探究不同加载应力强度比(0.2，0.3，0.4)和不同加载龄期(1，2，3，5，7 d)的早龄期拉伸徐变特性，也即不考虑干燥影响的拉伸徐变(拉伸基本徐变).

1 试验概要

1.1 原材料与配合比

采用42.5级普通硅酸盐水泥，密度3 100 kg/m3；细骨料为机制砂，细度模数2.40，密度2 630 kg/m3；粗骨料为碎石，粒径5～31.5 mm，密度2 950 kg/m3；减水剂为聚羧酸系高效减水剂；矿渣为S95级矿渣.混凝土的水胶比为0.3，拌合物的坍落扩展度控制在(530±20) mm以满足高流动性要求.混凝土的配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比1)Table 1 Mix proportions of the concrete

注：1) C为P.O.42.5普通硅酸盐水泥；W为水；S，G分别为砂、石；BS为S95级矿粉；A=S+G；2) SP为聚羧酸高效减水剂.

1.2 试验方法

由于在徐变测定的同时，混凝土会发生非荷载引起的变形(如自收缩和温度变形)，为得到准确的徐变值必须将这种变形扣除.因此，本研究对自由收缩和拉伸徐变同时进行测定.两种试件来自同一批次混凝土，试件的尺寸统一为100 mm×100 mm×400 mm，每组均采用2个平行试件.混凝土入模后即时包裹塑料薄膜，放置在温度为(20±1) ℃的室内，并覆盖潮湿无纺布养护.

自由收缩试件拆模后依次用塑料膜和铝箔胶带密封，保证试件与外界无水分交换，龄期为12 h时开始测量自由收缩.拉伸徐变试件成型至1 d加载龄期前拆模，同样用塑料膜和铝箔胶带将其密封，对应加载龄期前在试件两侧需粘贴应变片处先薄涂胶粘剂，待其硬化后在其上粘贴应变片.至所设定的加载龄期(1，2，3，5，7 d)时施加对应应力强度比(0.2，0.3，0.4)的拉伸荷载，同时测定上述条件下的总应变.自由收缩的测定系统和拉伸徐变的加载测量装置均采用了本研究团队自行设计的方法[9-10].该装置由加载和量测两部分构成，可对上述2试件同时实现水平方向拉伸加载.加载部分的油泵、千斤顶控制加载速度和荷载大小，压缩弹簧用以维持荷载恒定，试件两端与试件之间通过万向轴承连接以保证轴心受拉，这部分在槽钢上实现自平衡.量测部分由设置在试件两端的荷载传感器、试件两侧粘贴的电阻应变片、试件中埋设的热电偶、数据采集仪和计算机构成，并予以监控和数据采集.

2 结果与讨论

2.1 自收缩应变

密封状态下混凝土试件的自由收缩应变包括了自收缩和温度应变，通过测得的自由收缩应变扣除对应温度应变得到自收缩应变.图1为非荷载作用下自收缩应变从0.5～28 d的经时变化曲线.由图1可知：掺50%矿渣高强混凝土的自收缩在3 d内发展较快，自收缩应变达到216×10-6，占28 d自收缩应变的54.1%，尤其在1 d内自收缩发展得十分迅速，自收缩应变达到120×10-6，占到28 d应变值的30.0%，3 d龄期往后自收缩速率开始逐渐减缓，最终28 d时自收缩应变达到约400×10-6.由自收缩试件的温度变化曲线可以看出：掺50%矿渣的高强混凝土水化的温升最高点出现在龄期为14 h左右，且于2 d左右回落至养护温度.

图1 自收缩应变的经时变化Fig.1 Time dependent change of autogenous shrinkage strain

相同水灰比下，叶德艳[5]在不含掺合料的高强混凝土自收缩研究中发现：1 d的自收缩应变达到85×10-6，占30 d自收缩应变的26%.通过对比发现：掺矿渣的1 d自收缩不仅应变值大而且速率也快，矿渣早期能加剧收缩.杨超越、陈波等在掺粉煤灰、矿渣的高强高性能混凝土自收缩特性研究中也得出过掺矿渣混凝土自收缩速率的类似结论[11].这可能是由于较细的矿渣微粉的二次水化反应引起的毛细孔负压和内部相对湿度的降低一定程度上加剧了早期自收缩.

2.2 基本拉伸徐变

拉伸徐变试件的全应变包括了弹性应变、自收缩应变、温度应变和基本徐变应变.由图2中自由收缩试件和拉伸徐变试件的内部温度对比可以看出：加载后两者的温差在0.5 ℃内，即两者之间的温度应变相差甚小.因此，为得到基本徐变只需从测得的全应变中扣除测得的自由收缩应变和加载时的弹性应变即可，可忽略温度应变的影响.

图2 混凝土试件内部温度经时变化曲线Fig.2 Time dependent change of internal temperature of concrete specimens

图3(a)是加载龄期为1 d时，三个不同应力强度比情况下的基本徐变经时变化曲线.可以看出：应力强度比越大，拉伸基本徐变值也越大，鉴于其他四个龄期也有相同结论.可以认为：掺50%矿渣的高强混凝土在同一加载龄期时，应力强度比越大，基本徐变越大.图3(b)是应力强度比为0.3时，不同加载龄期情况下的基本徐变曲线，从图3中可以发现：加载龄期为1 d时基本徐变最大，2 d其次，7 d时最小.但1，2 d加载时的基本徐变应变在加载后期差别不大，而3，5，7 d加载时的基本徐变应变则较为接近；在龄期为28 d时，前者(1，2 d加载)的基本徐变值约是后者(3，5，7 d加载)的2倍，0.2，0.4应力强度比情况下同样有这种现象.这可能是由于1，2 d加载龄期时，混凝土内部结构尚未密实，内部的可移动凝胶水较多[12]，表现出了较大的徐变能力；随着矿渣的二次水化的进行，3 d龄期以后混凝土内部结构日趋致密，内部可移动的凝胶水较少，徐变能力较小，因而加载龄期对徐变的影响减弱.

图3 拉伸基本徐变Fig.3 Basic tensile creep

2.3 拉伸徐变特性

为描述拉伸徐变变化规律，通常通过分析比徐变、徐变系数和徐变速度等基本特征参数对徐变进行评价.首先从比徐变(单位应力作用下的徐变应变)这一特征参数来研究应力强度比和加载龄期对拉伸徐变的影响.图4为不同加载龄期和不同应力强度比情况下的比徐变经时变化曲线，可以看出：掺50%矿渣的高强混凝土在加载龄期为1 d时不同应力强度比的比徐变差异较其之后的加载龄期稍大，在2 d及以上龄期加载时，不同应力强度比下的比徐变经时变化曲线基本重合，比徐变表现出较明显的线性特征，可认为在2 d及以上龄期加载时，应力强度比对比徐变基本无影响.基于成熟龄期普通混凝土压缩徐变的Davis-Granville法则认为：当加载应力强度比为0.4以内时，徐变与作用应力成线性关系，即任意加载龄期下的混凝土比徐变曲线应重合[12].由以上分析，可认为Davis-Granville法则对掺加50%矿渣的高强混凝土拉伸徐变在2 d及以上龄期加载的情形下也是基本适用的.

图4 不同加载龄期和不同应力强度比的比徐变Fig.4 Specific creep at different loading ages and stress/strength rate

比较图4中同一应力强度比(如0.3)不同加载龄期的比徐变曲线，可以发现：加载龄期为1，2 d 的比徐变较其之后龄期的比徐变大得多，比徐变数值也随着加载龄期的推移在不断减小，加载龄期为3，5，7 d时的比徐变曲线较为接近，可认为在7 d及其之后加载时加载龄期对于徐变基本无影响.

再通过徐变系数(徐变应变与加载时的弹性应变之比)和徐变速度(单位持荷时间内所发生的比徐变)来研究加载龄期对于拉伸徐变的影响.图5为0.3应力强度比不同加载龄期的徐变系数经时变化曲线.可以看出：加载龄期为1，2 d时的比徐变系数较其之后龄期的差异很大，表明此加载龄期对于拉伸徐变的影响相当敏感，此时混凝土内部结构尚未密实，弹性模量较低，所以徐变系数增长较快，而3，5，7 d时内部结构基本密实，徐变差异较小.图6是0.3应力强度比情况下的徐变速度比较，徐变速度(0～2 d)定义为加载后持荷2 d内平均每天完成的比徐变.由(0～2 d)的曲线可以看出：1，2 d加载时的徐变速度大，徐变能力较强，即加载龄期越早，徐变速度越快且徐变能力越强.随着加载龄期的推移，3 d加载龄期时的徐变速度已经明显减小.比较0～2，2～7，7～28 d的三条曲线可以发现：7 d加载龄期时，各个时间段徐变速度都很小且非常接近，可认为在7 d及其之后加载时加载龄期对于徐变基本无影响.其他应力强度比情况下有同样的结果.

图5 0.3应力强度比下的徐变系数Fig.5 Creep coefficient at stress/strength rate of 0.3

图6 徐变速度与加载龄期关系Fig.6 Relationship between creep rate and loading age

3 结 论

通过对掺50%矿渣的高强混凝土早龄期拉伸徐变的试验研究，并对其自收缩、拉伸基本徐变、比徐变、徐变系数和徐变速度等特性的分析，得出如下结论：掺50%矿渣高强混凝土的自收缩在3 d内发展较快，尤其在1 d内发展得十分迅速，3 d龄期往后自收缩速率开始逐渐减缓.拉伸徐变试件所施加的应力强度比越大，基本徐变越大，同时加载龄期越早，基本徐变越大，但3 d及以后加载时掺矿渣高强混凝土的基本徐变差异较小.加载龄期为1 d时不同应力强度比的比徐变差异较其之后的加载龄期稍大，在2 d及以上龄期加载时，比徐变经时变化曲线基本重合，比徐变表现出较明显的线性特征，应力强度比对比徐变基本无影响.加载龄期对于徐变特性的影响在1，2 d时尤为显著，其后龄期3，5，7 d加载时的比徐变和徐变系数曲线都较为接近，徐变速度也较小，7 d及其之后加载时加载龄期对徐变基本无影响.

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(责任编辑：陈石平)

Experimentalstudyontheearly-agetensilecreepofhighstrengthconcretecontainingblastfurnaceslag

YANG Yang1,2, CHEN Jin1, LOU Xiaotian1, NI Tongyuan1,2, WANG Zhangfu3

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310014, China;3.Zhejiang Huawei Building Materials Group Co., Ltd., Hangzhou 310018, China)

Investigation on the early-age tensile creep behavior of high strength concrete containing active mineral admixtures can provide the important parameters for high-precision stress analysis and crack prediction. In this paper, the basic early-age tensile creep behavior of high strength concrete with 50% blast furnace slag and 0.3 water-binder ratio is studied experimentally. An early-age tensile basic creep testing apparatus designed by our research group is used and the effects of the stress/strength ratio (0.2,0.3, and 0.4) and the loading age (1,2,3,5, and 7 days) on the behavior of basic tensile creep are discussed. The test results show that the creep curves with linear features are substantially coincident for different stress/strength ratios when the loading age is larger than or equal to two days. The effect of the loading age on creep is particularly pronounced when the loading age is smaller than three days but is negligibly small when the loading age is larger than seven days.

tensile creep; early age; blast furnace slag; high strength concrete

2017-02-08

国家自然科学基金资助项目(51378471)

杨 杨(1962—)，男，江苏扬中人，教授，博士，研究方向为高强高性能混凝土，E-mail:yangyang@zjut.edu.cn.

TU528

A

1006-4303(2017)06-0677-05