粉煤灰超高性能混凝土收缩与抗压强度相关性研究

李 聪， 黄 伟， 陈宝春

(福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， 简称UHPC)具有超高强度与耐久性， 在土木工程领域具有广阔的应用前景[1-3]. 在材料组成上， 以水泥-硅灰为主要胶凝体系， 具有水胶比低、 胶凝材料含量大、 活性矿物掺合料掺量高、 无粗骨料等特点. 一方面， 其收缩特性与普通混凝土、 高性能混凝土等有较大不同[4]， 在凝结硬化以及硬化后服役过程中伴随较大的自收缩， 早期开裂风险高[5]. 另一方面， 其自收缩受到环境和测试条件限制， 标准测试方案并未统一， 因而合理选择收缩预测模型尤为重要[6].

在降低收缩上， 韩松等[7-8]使用粉煤灰替代昂贵的硅灰(质量替代率分别为25%、 50%、 75%)可减小收缩， 特别是早期收缩； Li等[9]研究了粉煤灰替代水泥(质量替代率分别为15%、 30%、 45%、 60%)在114 d的自收缩性能， 与不掺粉煤灰相比， 分别降低了6.4%、 13.5%、 20.0%、 29.7%. 另一方面， 粉煤灰的掺入延长了收缩稳定时间， 到114 d时收缩曲线并未平稳， 仍呈上升趋势， 存在“滞后效应”. 涂亚秋等[10]研究掺粉煤灰UHPC长期收缩发展规律， 呈现前期快速增长(0～7 d)、 中期相对稳定(28～60 d)、 后期缓慢回胀(60～180 d)的趋势. 因此， 掺入粉煤灰是否会降低UHPC的总收缩或是仅仅延后其发展， 还有待进一步的研究.

在预测UHPC收缩上， 各国规范推荐模型也不同， 考虑因素和结构形式各异， 且多借鉴现有普通混凝土或高性能混凝土， 其准确性和适用性尚存疑问[6]. 有学者通过建立自收缩与常用易得的强度指标建立联系， 提出更为直接实用且精确度较高的自收缩预测模型[11-12]. 以上的研究尽管多针对普通混凝土或高性能混凝土， 但通过强度预测自收缩发展对UHPC收缩预测具有一定的借鉴意义.

此外， 对于约束下UHPC的研究并不充分. 圆环约束作为标准方法广泛应用于水泥基材料早龄期的开裂测试[13]， 对约束条件下收缩应力解析有较为完善的理论， 可探讨计算不同密闭条件下残余应力、 应力松弛等[14-16]. Hossain 和Weiss等[17-18]以不同干燥条件、 约束水平和水胶比等为主要因素， 开展大量的约束收缩试验研究. 王国杰等[19]对干燥收缩、 自收缩分别进行研究， 并建议工程中应区分以干燥收缩或自生收缩为主的构件， 有针对性地优化配合比.

综上可知， 粉煤灰UHPC自由收缩、 力学性能与约束收缩等相结合的研究和实测数据不足. 基于此， 以粉煤灰替代硅灰50%作为试验组， 针对性开展自由收缩、 力学性能(抗压强度、 弹性模量与劈裂强度)与圆环约束收缩等试验， 研究粉煤灰UHPC的收缩与力学性能发展影响和两者之间的相关性， 分析圆环约束条件下的开裂性能.

1 原材料与测试方法

1.1 原材料与配合比设计

试验中采用福建炼石牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥； 硅灰产于西宁铁合金厂， 其SiO2的质量分数大于等于90%， 比表面积为18.9 m2·g-1， 密度2.0 g·cm-3； 石英砂为上海津沅石英砂有限公司生产； 钢纤维为直线型冷拔钢丝纤维， 产于武汉汉森钢纤维有限公司， 直径0.2 mm， 长度13 mm， 长径比为65， 抗拉强度≥2.5 GPa， 弹性模量200 GPa. 粉煤灰产于福州双腾建材有限公司.

试验共计2组， 基准组(JZ)和粉煤灰替代50%硅灰(FA组). 试件组水胶比为0.16， 钢纤维体积掺量为2.0%， 集料为细石英砂， 具体配合比， 见表1.

表1 UHPC配合比设计

1.2 UHPC收缩与力学性能测试

采用埋入式应变计测试方案[7]， 试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体， 测试起始时间为浇筑入模起， 测试终止时间90 d. 采用塑料膜和石蜡作为密闭材料， 分别浇筑密闭与干燥组试件. 试验装置与测试见图1.

基本力学性能试验分别测试了1、 3、 7、 14、 28、 60与90 d等龄期的抗压强度、 劈裂强度与弹性模量等指标. 标准养护1 d后拆模， 抗压强度与劈裂强度分别根据文献[20-21]进行， 均采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体； 弹性模量根据文献[22]进行， 采用DT-20动弹模仪对100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体进行测试. 以上材性测试均以3个试件为一组.

圆环约束试验以ASTM C 1581-04标准[23]为依据， 圆环高度均为152 mm. 内钢环沿环向共设置4个应变片， 采用全桥贴片方式. 每组试件测得的应变取4个测点的平均值， 试验数值可靠度已验证[19]. 测试环境为温度(20±2)℃， 湿度(60±5)%恒温恒湿室内.

图1 收缩试验Fig.1 Shrinkage test

2 结果与分析

2.1 UHPC自由收缩

参考文献[7-8]， 通常采用密闭条件来实现自收缩(εas)和干燥收缩(εds)的分离， 图2给出JZ组与FA组收缩测试结果. 由图2(a)可知， 两组的总收缩(εts)和自收缩(εas)的发展较为相似. 以自收缩为例， 大致分三个阶段： 0～7 d为早期， 收缩增长较快； 7～28 d为中期， 收缩缓慢增长； 28 d后为稳定期， 收缩基本不变， 测试90 d结束. 与总收缩和自收缩不同， 干燥收缩呈现早期(0～2 d)随时间发展先增大， 2～28 d内随时间发展呈现下降趋势(其中2～14 d内下降较快， 14～28 d下降较为缓慢). 相比JZ组在28 d趋于稳定， FA 组60 d基本上趋于稳定， 稳定期延后原因之一： FA的火山灰活性低于硅灰， 替代后能降低早期自收缩， 而自身具有的火山灰效应， 在后期仍会增加自收缩. 截止目前90 d的观测， 尚未发现文献[10]中后期出现的“回胀”现象.

图2 收缩测试结果Fig.2 Result of shrinkage

由图2(b)可知： UHPC自收缩占总收缩的比例随龄期的发展呈现先降低后增加的趋势， 即在0～2 d内下降， 降幅在10%以内， 2 d后上升. 在2 d时， 自收缩所占比例最小. 原因是试验起始测试时间为浇筑入模开始， 在1 d后拆模， 因此在1～2 d干燥收缩会更明显， 进而导致自收缩所占比例最低. 自收缩占总收缩比例总体上(3 d后)呈现上升趋势， 28 d后基本稳定， 所占比例范围在86.6%～96.9%, 其中FA组中的自收缩所占比例较高， 约占95%以上. 干燥收缩占总收缩的比例与自收缩呈现相反趋势， 不再赘述.

由图2(c)可知： FA组在1～14 d的自收缩占JZ组的49.0%～62.9%， 降幅在51.0%～37.1%； 在28～60 d占JZ组的71.8%～78.0%， 降幅在28.2%～22.0%， 由此说明FA能够降低UHPC自收缩， 在早期效果尤为明显， 而随龄期增大， 对自收缩的降低幅度逐渐减小.

2.2 UHPC力学性能

图3(a)～(c)为JZ组与FA组的抗压强度、 弹性模量、 劈裂强度等依时性的结果， 可知在28 d时力学性能值均基本稳定； 图3(d)为FA组的不同龄期下的抗压强度、 弹性模量、 劈裂强度与JZ组对比.

图3 力学性能测试结果Fig.3 Result of mechanical property

由图3(a) 可知， 抗压强度在0～7 d快速增长， 约占28 d的68.6% ～78.3%； 7～28 d缓慢增长； 28 d后基本稳定， 增幅在5%内. 由图3(b) 可知， 弹性模量在0～3 d快速增长， 约占28 d的90.3%～95.8%； 3～28 d增长较缓， 增幅在5%以内； 28 d后基本稳定. 由图3(c) 可知， 劈裂强度在0～3 d快速增长， 约占28 d的75.4%～81.0%； 7～28 d增长较缓； 28 d后基本稳定.

由图3(d) 可知， FA的掺入会降低UHPC的抗压强度和弹性模量， 但影响不大， 降幅在5%～10%内； 会提高UHPC的劈裂强度， 如7 d、 28 d时分别提高约20.0%、 19.2%. 原因分析： 一方面， FA的火山灰活性低于硅灰， 能缓解早期的水化反应， 故早期的力学性能低于JZ组， 以抗压强度和弹性模量降低较为明显， 但随着龄期增长， 在参与水化后FA表面会出现大量的粘结强度高的水化硅酸钙纤维状晶体， 会进一步提高其力学性能， 尤其能提高劈裂强度； 另一方面， 在形态上， FA是多类粒径颗粒形状的聚集体， 使得其在UHPC的拌合物中具有显著的形态效应， 而在粒径上， FA在水泥和硅灰之间， 具有填充效应. 此外， 结合上文分析， FA可降低UHPC中的收缩， 因此有望降低内部的收缩应力进一步提高劈裂强度.

2.3 自收缩与力学性能相关性

参考江晨晖等[24]的研究， 基于抗压强度与孔隙率、 自收缩与孔隙平均半径的关系等， 由孔隙率与孔隙尺寸之间的相关性， 可预测自收缩(εas)与抗压强度(fc)之间必然存在一定关联性， 并采用二次多项式表达如下式.

(1)

式中：εas(t)为龄期t时自收缩；εas(28)为龄期28 d时自收缩；fc(t)为龄期t时抗压强度；fc(28)为龄期28 d时的抗压强度；u、v、w为该模型的非变量参数， 可通过试验数据的拟合分析得到.

UHPC抗压强度的预测公式可参考欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990[25]， 如下式. 其中：βc(t)为龄期t时抗压强度发展系数；c为混凝土本身性质有关的系数， 与龄期无关.

fc(t)=βc(t)·fc(28)

(2)

(3)

图4给出JZ、 FA组的抗压强度与自收缩相关性的拟合结果， 其中JZ、 FA组预测结果的残差平方分别为0.917、 0.993， 也即抗压强度发展与自收缩相关性明显. 图5给出了抗压强度计算值与试验值对比， 由图5可知式(2)～(3)可用于预测UHPC抗压强度发展.

图4 抗压强度与自收缩相关性Fig.4 Relationship between compressive strength andautogenous shrinkage

图5 抗压强度试验与计算值对比Fig.5 Test and calculated results of compressive strength

进一步， 在UHPC收缩特性未知的情况下， 可测得7 d、 28 d抗压强度， 根据式(2)～(3)， 得到βc(7)， 联立式(1)， 得到下式， 通过测试较为易行的抗压强度来预测收缩的发展， 可供实际工程参考.

(4)

2.4 圆环约束UHPC收缩开裂性能

圆环约束条件与自由状态下UHPC收缩有所不同. 密闭条件下， 自收缩作用下钢环应变值(εs)在t时刻大于自收缩与环向干燥共同作用， JZ组与FA组钢环应变分别在12.4 d和6.0 d大于环向干燥条件， 且FA组在6.0 d后的趋势越来越明显， 具体结果见图6.

由图6可知根据钢环应变的依时性与t时刻大小， 曲线分4个阶段： ① 蛰伏期， 浇筑后的0.5～0.75 d； ② 先下降后上升阶段， 其中下降段为蛰伏期后至拆模前， 上升段为浇筑后1.25～1.5 d， 发生短暂的“膨胀”现象[15]； ③ 拆模后的下降段， 直到t时刻， 该期间， 环向干燥条件下的钢环应变会大于密闭条件； ④t时刻后， 密闭组的钢环应变大于干燥组， 直到稳定.

图6 钢环应变随时间发展Fig.6 Steel strain development with time

由图6可知： 环向是否干燥对FA组的影响较大， FA替代硅灰后能够延缓圆环约束下UHPC早期收缩发展， 在7 d前效果明显. 在7 d后， 密闭条件下钢环应变呈快速增大， 在(30±0.5)d时与JZ组相当， 之后保持该趋势； 而环向干燥条件下其钢环应变增长较为缓慢， 且后期均低于密闭条件， 90 d降低约27.1%.

2.4.1拉应力水平

通常采用拉应力水平θ(t)评价圆环约束下的开裂性能. 拉应力水平为拉应力(残余应力)与抗力(抗拉强度， 采用劈拉强度)的比值[13]. 图7(a)为两组试件90 d的拉应力水平， 据图可知， 在拆模后的7 d内， 密闭组的拉应力水平小于环向干燥组， 而在14 d后密闭组的拉应力水平均大于干燥组， 说明在圆环约束下的UHPC后期自收缩开裂风险会大于环向干燥与自收缩共同作用； FA组的拉应力水平均低于JZ组， 在早期效果明显， 7 d拉应力水平降低近 33.7%.

图7 圆环约束下开裂性能Fig.7 Crackingbehavior under ring constraint

已有研究结果表明， 当早期拉应力水平超过55%时， 开裂的风险较大[13]. JZ组密闭与环向干燥时拉应力水平均在14 d达到最大， 分别为70.9%、 68.6%， 均高于安全控制值， 开裂风险较大； FA组密闭与环向干燥时拉应力水平随龄期呈不断增大趋势， 均在60 d时达最大， 分别为58.0%、 48.6%.

以上结果表明， FA替代硅灰后能够有效降低与延缓约束下UHPC开裂风险， 环向干燥时效果更明显. 采用超声探测仪尚未发现内部有裂缝产生， 主要因为掺入2%的钢纤维有利于提升UHPC的抗裂能力， 开裂风险明显降低.

2.4.2应力松弛率

圆环试验中的应力松弛一般用理论弹性应力与残余应力的差值表示， 理论弹性应力可通过钢环的尺寸、 UHPC弹性模量及自由状态下的收缩计算得到， 相关计算参见文献[17-18]. 应力松弛率采用应力松弛值与理论弹性应力的比值计算得到， 表征UHPC约束收缩下的应力松弛程度.

图7(b)为两组试件90 d的应力松弛率， 可知JZ组密闭与环向干燥时应力松弛率均在14 d达到最小， 分别为23.4%、 38.6%； FA组在60 d时达最小， 分别为0.4%、 26.8%.

前文中， JZ、 FA组在自由状态下， 总收缩大于自收缩， 而在受到约束时， UHPC在密闭条件下开裂风险却更大. 原因可能为密闭条件下自收缩的应力松弛现象不明显[19]， 而UHPC收缩以自收缩为主， 故在约束条件下， 自收缩导致的开裂问题会更加突出. 此外， FA组的应力松弛率却均低于JZ组， 主要原因： 一方面， 使用UHPC棱柱体自由状态下的收缩会低于UHPC圆环的径向收缩, 导致应力松弛率偏低； 另一方面， FA组自由状态下的收缩比JZ组降低约20%， 从而导致计算得到应力松弛率会进一步偏低.

3 结语

1) UHPC自收缩分三个阶段： 0～7 d收缩快速增长阶段； 7～28 d收缩缓慢增长阶段； 28 d后期稳定阶段； 抗压强度、 弹性模量、 劈裂强度等基本力学性能随时间呈现早期快速增长， 28 d基本稳定.

2) 自由状态下， 粉煤灰替代硅灰(质量分数50%)后能显著降低UHPC早期自收缩， 且随时间推移逐渐降低； 会略降低抗压强度和弹性模量， 降幅范围均在10%以内； 提高劈裂强度， 最大增幅达19.2%.

3) 粉煤灰UHPC的自收缩与抗压强度相关性显著， 采用抗压强度发展规律可用于预测自收缩发展， 鉴于数据与参数设计有限， 还应作进一步的研究.

4) 采用拉应力水平和应力松弛率综合评价圆环约束下UHPC开裂性能， 环向干燥条件下的开裂风险均低于环向密闭条件； 粉煤灰的掺入能显著降低UHPC早期开裂风险.