超高掺粉煤灰混凝土早龄期自生收缩研究

赵志方，章 斌，李 超

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023；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 310023)

粉煤灰代替波特兰水泥掺入大体积混凝土中，不仅起到了绿色环保的作用，还大大改善了混凝土的各项性能[1]。但目前对超高掺粉煤灰混凝土的研究尚少[2]。此外，混凝土开裂问题一直以来是建筑工程界密切关注的问题[3-4]。德国Springenschmid教授[5]研制的开裂试验架用于研究混凝土早龄期的开裂敏感性。2002年，我国学者覃维祖教授课题组研发了国内首台温度应力试验机[6]，用于研究混凝土早期开裂敏感性的影响因素。随后的研究表明，自生体积变形是影响混凝土开裂的重要影响因素之一[7]。

混凝土的自生体积变形主要包括化学收缩和自生收缩两部分。当拌制的混凝土仍处于半液半固态时化学收缩基本表现为自生收缩。而在初凝前后，水泥石骨架逐渐形成，大量孔隙结构形成，化学收缩远大于自生收缩[8]。自20世纪90年代起，向混凝土中掺入各种矿物掺合料和化学添加剂以提高混凝土的性能，这一举措使得自生收缩现象凸显出来。自生收缩主要发生于早龄期，该时期混凝土的各项力学性能还不稳定，自生收缩引起的约束应力不利于混凝土的抗裂性。研究表明水胶比、温度等是影响混凝土自生收缩的主要因素[9-10]。目前，国内外学者结合自生收缩影响因素建立一些混凝土自生收缩预测模型：日本JIS技术委员提出的模型考虑了水胶比对自生收缩的影响[11]，文献[10]提出的自生收缩模型考虑了温度对自生收缩的影响。超高掺粉煤灰混凝土是一种有发展前景的绿色高性能混凝土[2,12]，目前还没有对此自生收缩变形的研究。为便于工程应用对比，笔者以粉煤灰掺量为80%的超高掺粉煤灰混凝土和粉煤灰掺量为35%的基准混凝土两种大坝混凝土为研究对象进行温度应力试验，基于此研究两种混凝土的自生收缩变形，综合考虑主要的影响因素，提出两种混凝土的自生收缩模型，为预测超高掺粉煤灰混凝土的自生收缩和开裂敏感性提供参考。

1 温度-应力试验研究

1.1 试验原材料及配合比

本试验采用与某大坝一致的筑坝原材料：水泥采用湖北华新水泥厂生产的华新P.O-42.5普通硅酸盐水泥；细骨料和粗骨料均采用同一坝料场生产的人工砂和人工碎石；粉煤灰采用是荆门Ⅲ级粉煤灰；引气剂采用山东银凯生产的NOF-AE引气剂；试验所用水采用实验室普通自来水。

本次试验共配制了粉煤灰掺量为35%和80%的两种混凝土。其中掺量为35%的基准粉煤灰混凝土(以下用“FA”表示)采用的减水剂为萘系减水剂，掺量为80%的超高掺粉煤灰混凝土(以下用“UHVFA”表示)采用的减水剂为马贝聚羧酸X404高效减水剂。两种不同粉煤灰掺量的混凝土配合比如表1所示。

表1 粉煤灰混凝土配合比Table 1 Mix proportion of fly ash concrete

1.2 试 验

采用温度应力试验机(TSTM)对两种不同粉煤灰掺量的混凝土进行温度应力试验(TST)。试件的实际尺寸如图1所示，有效尺寸为150 mm×150 mm×1 500 mm。

图1 试件尺寸(单位：mm)Fig.1 Sample size (unit: mm)

1.2.1 养护模式

试验分别在绝热模式和温度匹配模式两种不同的养护模式下进行。进行绝热养护模式时，试件芯部和TSTM模板中循环介质两者的温度差在0.3 ℃之间，当温度达到温峰值后维持该温度继续养护一天，再以1 ℃/h的速率进行降温，冷却至试件开裂。进行温度匹配养护模式时，温度养护的引导曲线的上升段通过大坝三维有限元程序计算获得[13]，降温段以1 ℃/h的速率降温至试件开裂。

1.2.2 温度-应力试验

温度-应力试验机的工作原理可见文献[14]。每组试验包含一根约束试件和一根自由试件。将新拌混凝土直接浇筑于TSTM试模中，浇筑的试件用塑料薄膜进行密封包裹，避免混凝土与外界发生水分交换，从而不计干缩影响。浇筑完毕后，将温度传感器穿过上水板盖插入试件内部，用于实时监测试件温度。温度应力试验可测试获得试件的温度、变形和应力的发展。

1.3 试验结果

由TSTM试验获得两种混凝土在不同养护模式下的温度历程发展曲线如图2所示。通过TSTM测得两种不同粉煤灰掺量的混凝土在两种养护模式下自由试件的应变随龄期发展曲线如图3所示。

图2 两种养护模式下混凝土的温度历程发展曲线Fig.2 Temperature history curves of concretes under two different curing modes

图3 两种养护模式下混凝土的应变发展曲线Fig.3 Strain development curves of concretes under two different curing modes

2 混凝土早龄期变形分离

2.1 等效龄期

对于给定配合比的混凝土，其成熟度主要取决于养护温度和龄期。Rastrup等[15]提出的等效龄期概念是将变温养护条件下水泥基材料达到相同的成熟度，等效为养护温度为20 ℃恒温条件下的时间。等效龄期经离散化处理可表示为

(1)

式中：te为等效龄期；Ti为i时刻对应的养护温度；Δti为时间间隔；R为普适气体常数，取值为8.315 J/(mol·K)；Ea为水化反应的特征活化能，其取值参照文献[16]。

图4为不同混凝土在两种养护模式下的等效龄期和实际龄期关系图。

图4 两种养护模式下混凝土的等效龄期转换Fig.4 Equivalent age conversions of concretes under two differentcuring modes

2.2 热膨胀系数拟合

测得的自由试件应变包括自收缩应变和温度应变。在两种不同温度历程养护下，对于给定混凝土，结合等效龄期，可得如文献[17]中的公式，即

ε1(te)=∑αT1(te)·ΔTi+εA1(te)

(2)

ε2(te)=∑αT2(te)·ΔTi+εA2(te)

(3)

式中：ε1(te)和ε2(te)为两种温度历程下监测到的自由应变随等效龄期的发展函数；αT1(te)和αT2(te)为两种温度历程下混凝土热膨胀系数随等效龄期的发展函数；ΔTi为温度发展增量；εA1(te)和εA2(te)为两种温度历程下混凝土自收缩随等效龄期的发展函数。

Viviani等[18]的研究指出：在一定温度养护范围内成熟度是影响热膨胀系数和自收缩应变发展的唯一因素。因此可推得热膨胀系数的表达式，即

(4)

由两种不同温度历程下混凝土的变形差和温度差的关系获得混凝土早龄期的热膨胀系数。通过绘制温度差和变形差的坐标点并拟合关系曲线，求得若干等效龄期时间段内关系曲线的斜率即可近似估算出随等效龄期变化的热膨胀系数值。基于此，进一步得出早龄期混凝土热膨胀系数发展模型为

(5)

式中：αh为热膨胀系数发展稳定值；a和b为待定系数。结合温度应力试验获得的热膨胀系数，得到模型的拟合参数：FA的αh=7.06，a=100，b=1.7；UHVFA的αh=5.23，a=5 000，b=2.1。

2.3 自生收缩变形分离

由拟合得到的热膨胀系数发展模型和试验机实测的自由试件的应变值可分离得到自收缩应变，即先通过热膨胀系数发展模型求得温度应变，再将试验实际测得的自由应变值减去该值，获得自生收缩应变值，即

εA(te)=εtot(te)-∑αT(te)·ΔT

(6)

3 混凝土早龄期自生收缩发展模型

在张涛和康秋波等[19-20]等自生收缩模型的基础上，考虑成熟度的影响，提出粉煤灰混凝土早龄期自生收缩发展统一模型，即

(7)

式中：εca(te)为等效龄期te时刻混凝土的自生收缩应变值；ε0为自收缩最终稳定值；t0为混凝土初凝时间；μ和η为待定拟合系数。本研究FA初凝时间为8.33 h，UHVFA初凝时间为28.67 h。

两种不同粉煤灰掺量的混凝土最大的差别在于自生收缩发展稳定后的终值上。由于TSTM只能测得试件开裂前的自生收缩应变值，无法准确测得自生收缩发展到最后的稳定值。所以本研究在用式(7)计算自生收缩应变时，取混凝土在等效龄期为168 h时的自生收缩应变值为参考点，即让模型计算的自生收缩应变值与前面已分离出的168 h龄期时的自生收缩值一致。将之前变形分离出的自生收缩应变值结合自生收缩模型带入Origin数据分析软件中拟合待定参数，结果为：FA的ε0=73，μ=24，η=1.2；UHVFA的ε0=35，μ=20，η=1.3。两种混凝土自生收缩应变发展曲线如图5所示。

图5 两种混凝土自生收缩应变发展曲线拟合Fig.4 Autogenous shrinkage development fitting curve of two different concretes

由图5可见：UHVFA的自生收缩发展比FA的小，提出的两种混凝土的自生收缩应变发展模型与变形分离出的自生收缩应变发展曲线吻合度较高，该模型能较为准确地描述两种不同粉煤灰掺量混凝土早龄期自生收缩的发展规律和获得其早龄期自生收缩值，为预测混凝土的开裂敏感性提供依据。

4 结 论

基于等效龄期，考虑温度对成熟度发展的影响，从TSTM实测的自由试件的应变中分离获得温度变形和自生收缩变形。结果表明UHVFA的自生收缩发展比FA的小。基于两种温度历程下的TSTM试验结果，提出两种混凝土的热膨胀系数模型和自生收缩模型，可预测这两种混凝土特别是新研发的超高掺粉煤灰混凝土用于工程时的变形发展规律，为估算结构混凝土的约束应力和评价其开裂敏感性提供依据。