高石粉含量灰岩人工砂混凝土的收缩及其预测模型

彭艳周 詹槟赫 魏 亮 张阳峰 卢 希 许 柯 高德军

(1. 三峡大学 湖北省防灾减灾重点实验室，湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；3.中国水利水电第七工程局有限公司，成都 610081)

人工砂制备过程中不可避免地会产生大量的石粉，按DL/T 5151-2014规范，石粉主要是指人工砂中粒径小于0.16 mm的微细粒[1]．近年来，石粉在水电工程建设中应用越来越多[2-5]．有研究表明[6-9]：石粉中较细的颗粒与水泥大小相当，部分石粉颗粒甚至更小，其含量适当增加时，可在混凝土中起到微集料填充作用，改善混凝土的孔隙结构；而且石粉具有一定的反应活性，能参与体系的水化反应，生成一定量的水化产物，使混凝土内部结构更加密实，从而提高混凝土的性能．因此，适量的石粉对混凝土的性能有一定的改善作用[10]．

然而，当石粉含量过多时，会改变混凝土中细颗粒的含量、级配，进而影响混凝土的孔隙结构等，从而使混凝土的收缩性能产生变化．例如，李兴贵[11]等研究发现，石粉含量12%以下时，干缩率增加缓慢，石粉含量大于12%时，混凝土干缩率迅速增大，干缩率随石粉含量增加而增大；陈兆文[12]等研究发现，水灰比相同时，当石粉含量从12%增加到21%时，混凝土干缩率增大9.5%；郭玉霞[13]等试验发现，石粉含量小于15%时，其加速效应起主要作用，但过多石粉的加入会抑制混凝土的干缩．另一方面，混凝土的收缩变形对于混凝土结构，尤其是大体积混凝土结构的长期性能和耐久性能有较大影响．在进行大体积混凝土结构的温控防裂研究，以及混凝土结构的温度场和徐变应力场仿真分析时，常需对混凝土的收缩进行预测．目前常用的混凝土收缩预测模型有中国建科院模型(1986)[14]、欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会收缩预测模型(CEB-FIP(1990))[15-16]、美国混凝土学会的Gardner和Zhao提出的GZ 1993模型[17]以及Gardner和Lockman提出的GL 2000模型[18]等，但以上模型均未考虑石粉含量对混凝土收缩的影响．

本文以某在建大型水利枢纽工程为依托，试验研究了水胶比分别为0.37、0.45的人工砂混凝土的收缩性能．用0.37水胶比混凝土的收缩试验结果评估了上述4种常用的收缩预测模型对人工砂混凝土收缩预测的准确性．在此基础上，通过引入石粉影响系数，建立了高石粉含量人工砂混凝土的收缩预测模型，并用水胶比0.45的混凝土收缩试验，验证了模型的准确性．

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

所用人工砂取自某在建大型水利枢纽工程骨料生产系统，所用水泥为该工程建设现场用42.5中热硅酸盐水泥(华新P.MH 42.5)，所用粉煤灰为曲靖F类Ⅰ级粉煤灰，试验采用该水利枢纽工程砂石加工系统生产的小石、中石为粗骨料，其中小石粒径5～20 mm，中石粒径20～40 mm，减水剂采用江苏博特新材料有限公司生产的PCA-1型聚羧酸高性能减水剂，其减水率为28.5%，28 d抗压强度比为210%；引气剂采用江苏博特新材料有限公司生产的GYQ混凝土引气剂，其含气量为4.8%，28 d抗压强度比为85.9%；拌合用水采用实验室自来水．原材料基本性能见表1～5.

表2 人工砂中石粉(即人工砂)的化学成分(%)

表3 水泥的主要技术性质

表4 粉煤灰的基本性能

表5 粗骨料的基本性能

以15%石粉含量的原级配人工砂为基准砂，通过水洗或掺入石粉的方法，又得到了石粉含量为12%、18%、20%、22%、25%、28%的6种人工砂．试验以表6中C-15的混凝土为基准，经混凝土配合比试验，在保持水胶比、砂率、外加剂掺量不变的条件下，控制坍落度在160～180 mm范围内，得到不同石粉含量的人工砂混凝土的配合比，见表6．

表6 不同石粉含量的人工砂混凝土的配合比

1.2 试样制备及试验方法

采用HSP-540混凝土收缩膨胀仪，按照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)进行7组不同石粉含量混凝土收缩试验．

2 结果与分析

2.1 不同石粉含量的混凝土各龄期收缩试验结果

7种石粉含量的人工砂混凝土收缩试验结果如图1所示，各测试龄期的收缩结果汇总于表7．

表7 不同石粉含量的混凝土在不同龄期的收缩试验结果

图1 不同石粉含量的人工砂混凝土的收缩

由图1可知，不同石粉含量的人工砂混凝土随龄期而变化的趋势相近，即混凝土在早期收缩增长迅速，28d龄期后增长减缓．相同龄期时，收缩随石粉含量的增加呈现先增后减的趋势．石粉含量22%以下时，混凝土收缩随石粉含量的提高而增大，这一方面是因为石粉颗粒的填充效应改善了混凝土固体颗粒体系的堆积情况，使其堆积密实度增大、平均孔径减小，从而，混凝土干燥时所受的内部毛细管压力增大，导致收缩也增大；另一方面，石粉能在一定程度上参与体系的水化反应[21]，而且，石粉含量增加时，混凝土中水泥用量亦增加(见表6)，从而混凝土的化学收缩量增大．当石粉含量达到22%时，由于其固体颗粒体系的堆积密实度达到最大值，故收缩也达到最大值(见表7)．当石粉含量继续增加时，过多的石粉使混凝土颗粒体系的堆积密实度下降，混凝土内部平均孔径略增大，混凝土干燥失水时毛细管压力也稍微降低，导致混凝土收缩也略减小．另一方面，石粉含量22%以上时，混凝土的单方水泥用量也随石粉含量提高而下降(见表6)，也会引起混凝土的总收缩减小．

2.2 收缩预测模型

混凝土收缩预测模型一般是通过试验测试数据回归分析得出，预测模型的表达式有双曲线函数式、指数函数式和对数函数式[14]几大类．

2.2.1 中国建科院模型(1986)

混凝土收缩应变ε(t)的计算公式为：

ε(t)=ε(t)0β0β1β2β3β4β5(1)

式中，ε(t)0为普通混凝土或轻骨料混凝土收缩基本方程，分别按公式(2)、(3)计算：

对普通混凝土

(2)

对轻骨料混凝土

(3)

式中，β1～β5分别为与混凝土所处环境的相对湿度、构件截面尺寸、养护方法、粉煤灰掺量、混凝土强度等级等5个参数相关的影响系数．具体取值见表8[14]．

表8 影响系数取值

2.2.2 欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会(CEB-FIP)收缩预测模型(1990)

素混凝土构件在未加载情况下的平均收缩(或膨胀)应变的计算式为：

εcs=(t，ts)=εcs0gβs(t-ts)(4)

εcs0=βRH[160+βsc(90-fc)]×10-6(5)

式中，εcs0为名义收缩系数；t为混凝土的龄期；ts为混凝土开始收缩时的龄期(3 d);fc为混凝土的圆柱体抗压强度(N/mm2)；Ac为构件的横截面面积(mm2)；u为与大气接触的截面周界长度(mm)．

2.2.3 GZ(1993)模型

混凝土收缩应变可由下式计算：

εsh=εshu×β(h)×β(t)(8)

式中，h为环境相对湿度，以小数表示；t为混凝土计算龄期；tc为混凝土开始干燥时的龄期；K为与水泥类型有关的系数；V/S为混凝土构件体表比；fcmtc为混凝土干燥时的平均抗压强度；fcm28为混凝土龄期28 d时的圆柱体平均抗压强度．

2.2.4 GL 2000模型

混凝土收缩应变可由下式计算：

εsh=εshu×β(h)×β(t)(12)

β(h)=1-1.18h4(13)

式中字母含义同GZ(1993)模型．

以石粉含量为12%的人工砂混凝土为例，采用上述几种预测模型对试件的收缩进行预测，并与试验试件的收缩试验结果进行比较，结果如图2所示．

图2 收缩试验结果与4种预测模型计算值的对比

由图2可知，CEB-FIP(1990)模型预测结果与收缩率的实测数据偏差较大，且其变化趋势不相符．中国建科院模型的前期预测数据及后期变化规律与实测值较为一致，但模型的后期预测结果相差较大，收缩率最大偏差达242.20×10-6．GZ 1993模型和GL 2000模型这两个模型虽与实测结果有差异，但与实测值的变化趋势非常接近，因此，可以考虑引入某个系数对其进行修正．

2.3 高石粉含量的人工砂混凝土收缩预测模型

基于以上结果，引入石粉影响系数分别对GZ 1993模型和GL 2000模型进行修正，以期得到高石粉含量的人工砂混凝土的收缩预测模型．

对GZ 1993模型进行修正．首先，定义石粉影响系数kGZ1993:

(16)

式中，kGZ 1993表示石粉影响系数；ε表示收缩应变．

由该定义式和图2试验结果可得到石粉影响系数kGZ 1993见表9．

表9 石粉影响系数kGZ 1993

由试验结果可知，对于收缩而言，kGZ 1993与石粉含量 有关．根据上述结果拟合得到

kGZ1993=0.001ω5-0.020 1ω4+0.145 5ω3-

0.471 8ω2+0.666 4ω+0.248(17)

类似地，引入石粉影响系数kGL 2000对GL 2000模型进行修正，可得石粉影响系数kGL 2000如下：

kGL 2000=0.001ω5-0.020 4ω4+0.148ω3-

0.480 7ω2+0.679 6ω+0.239 4(18)

为了验证上述石粉影响系数的适用性，用水胶比0.45的不同石粉含量的人工砂混凝土(配合比见表10)收缩试验结果，对修正后的两个模型进行了验证，其结果如图3所示．

表10 不同石粉含量的人工砂混凝土的配合比

图3 kGZ 1993和kGL 2000的适用性验证

由图中结果可知，引入石粉影响系数对GL 2000模型和GZ 1993模型进行修正后，两个修正模型的预测结果与实测数据更为接近，即考虑石粉影响系数可较好反映高石粉含量人工砂混凝土的收缩．

3 结 论

1)不同石粉含量人工砂混凝土的收缩随龄期而变化的趋势相近，在14 d之前，混凝土收缩增长迅速，28 d龄期后增长减缓．相同龄期时，收缩随石粉含量的增加呈先增后减的趋势，石粉含量22%时，混凝土的收缩最大．这可归因于人工砂中石粉颗粒的物理填充效应和活性效应两方面的共同作用．

2)试验研究了目前常用的4种收缩模型预测高石粉含量人工砂混凝土收缩的适用性．引入石粉影响系数，分别对GZ 1993模型和GL 2000模型进行修正，得到了高石粉含量人工砂混凝土的收缩预测模型，即GL 2000修正模型和GZ 1993修正模型，结果表明，这两个修正模型的预测结果与试验实测数据吻合度较高．

[1] 中国电力企业联合会.DL/T 5151-2014中华人民共和国电力行业标准—水工混凝土砂石骨料试验规程[S]．北京：中国电力出版社，2015．

[2] 刘数华，阎培渝.石粉作为碾压混凝土掺合料的利用和研究综述[J]．水利发电，2007，33(1):69-71．

[3] 饶美娟，刘数华，方坤河.石粉在水工混凝土中的应用研究综述[J]．人民长江，2009，40(5):41-43．

[4] 陈改新，孔祥芝.石粉——一种新的碾压混凝土掺合料[J]．中国水利，2007(21):16-18．

[5] 肖开涛，董 芸.石粉替代部分粉煤灰对碾压混凝土性能的影响研究[J]．水利发电，2007(12):85-88．

[6] 刘数华.石粉对复合胶凝材料水化特性的影响[J]．建筑材料学报，2010，13(2):218-221．

[7] 李步新，陈 峰.石灰石硅酸盐水泥力学性能研究[J]．建筑材料学报，1998，1(2):186-191．

[8] 李 悦，丁庆军，胡曙光.石灰石矿粉在水泥混凝土中的应用[J]．武汉理工大学学报，2007(3):35-41．

[9] 熊远柱，万慧文.石粉对混凝土性能的影响[J]．混凝土，2010(9):89-91．

[10] 李 晶.石粉掺量对混凝土性能影响的试验研究[D]．大连:大连理工大学，2007．

[11] 李兴贵，章恒全，陈晓月.高石粉人工砂原级配混凝土干缩性能试验研究[J]．河海大学学报，2002.7，30(4):37-40．

[12] 陈兆文.棉花滩水电站高石粉人工砂混凝土性能试验研究[J]．水利发电，2001，7:32-35．

[13] 郭玉霞，贡金鑫，李 晶.石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响[J]．建筑材料学报，2009，12(3):266-271．

[14] 黄国兴，惠荣炎，王秀军.混凝土徐变与收缩[M]．北京:中国电力出版社，2011．

[15] 杨小兵.混凝土收缩徐变预测模型研究[D]．武汉:武汉大学，2004．

[16] CEB欧洲国际混凝土委员会.1990年CEB-FIP模式规范(混凝土结构)[S]．中国建筑科学研究院结构所规范室译，1991(12):57-70．

[17] N. J. Gardner， J. W. Zhao. Creep and Shrinkage Revisited[J]．ACI Materials Journal， 1993，90(3)：236-246．

[18] N. J. Gardner and M. J. Lockman. Design Provisions for Drying Shrinkage and Creep of Normal-Strength Concrete[J]．ACI Materials Journal， 2001，98(2)：159-167．

[19] Peng Y， Hu S， Ding Q. Dense packing properties of mineral admixtures in cementitious material[J]．颗粒学报(PARTICUOLOGY)， 2009， 7(5):399-402．

[20] 彭艳周.钢渣粉活性粉末混凝土(RPC)组成、结构与性能的研究[D]．武汉:武汉理工大学，2009．

[21] 王稷良，周明凯，朱立德，等.机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响[J]．武汉理工大学学报，2007，29(10):20-24．