大流动性高强轻集料混凝土约束收缩及抗裂性能研究

张登祥，蒋晓明

(长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114)

大流动性高强轻集料混凝土(HSLC)具有自重轻、不需振捣、施工速度快、抗震性能好等突出优点，应用前景好[1]。轻集料混凝土中的骨料多孔且吸水率高，一般认为其体积稳定性及耐久性不如普通混凝土，限制了轻集料混凝土在结构上的广泛应用[2-4]。而经预湿处理后的轻集料具有内养护作用，可以降低毛细管压力，减小混凝土的收缩变形[5-6]。但骨料预湿增加施工工序、提高工程费用，并给混凝土的抗冻融性能带来不利的影响。采用吸水率低(24 h吸水率<5%)的高性能轻集料混凝土体积稳定性及耐久性好，但高性能轻集料生产成本高、经济效益差等缺点限制了高性能轻集料在工程上的大规模应用[7-8]。

粉煤灰及硅灰是制备高性能混凝土的常用掺合料，粉煤灰对减小混凝土收缩及提高混凝土的抗裂性能是有利的，且对混凝土的耐久性影响不大[9-12]；而硅灰可以改变混凝土的微观结构，掺有硅灰的混凝土骨料周围充满致密的C—S—H相，粗骨料与水泥石之间的界面过渡区结构得到改善，水泥石内空隙率降低，强度提高。但掺硅灰也明显增大了混凝土的早期收缩变形，且随着硅灰掺量的增加这种作用更加明显[13-15]。对于大流动性高强轻集料混凝土，粉煤灰和硅灰对混凝土体积稳定性的影响规律还没有得到验证。

本文采用低吸水率的高强页岩陶粒、粉煤灰及硅灰制备大流动性高强轻集料混凝土，研究其在圆环约束条件下的收缩应变规律及抗裂性能。

1 试验方案

1.1 原材料

试验用水泥采用P.O42.5(C)。粉煤灰(FA)采用Ⅰ级灰，比表面积为506 m2/kg，密度为2 260 kg/m3，需水量比93%。硅灰(SF)密度为2 200 kg/m3，比表面积为24 500 m2/kg。粗骨料(G)采用高强页岩碎石型陶粒，筒压强度6.5 MPa，表观密度1 800 kg/m3，堆积密度860 kg/m3，1 h吸水率3.22%，24 h吸水率6.06%，空隙率45.4%，最大粒径20 mm。普通混凝土采用5～10 mm碎石。细骨料采用湘江河砂(S)，细度模数3.0，表观密度2 600 kg/m3，含泥量<1%。减水剂为聚羧酸高效减水剂(PCE)，减水率>25%。试验用水采用普通自来水(W)。

1.2 试验配合比

试验设计S1、S2、S3、S4四组试件，粉煤灰掺量分别为20%、25%、30%、35%，研究粉煤灰掺量对混凝土收缩变形及抗裂性能的影响。设计S2、S5、S6、S7四组试件，粉煤灰与硅灰复掺，其中粉煤灰掺量25%，硅灰掺量分别为0%、2%、4%、6%，研究粉煤灰和硅灰复掺对收缩变形及抗裂性能的影响。设计S2、S8、S9三组试件，陶粒预湿时间分别为0、1、12 h，研究骨料预湿程度对收缩变形及抗裂性能的影响。对照组为普通混凝土(NC)，试验配合比见表1。

表1 试验配合比

1.3 试验方法

混凝土的工作性能及基本力学性能试验分别按照规范JGJT 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》[16]及规范GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》[17]进行。

圆环约束试验：试件浇筑后湿布覆盖，带模养护1 d后拆模，然后用石蜡封闭混凝土环上表面。在钢环的内壁粘贴四个应变片，测试钢环内壁切向应变εs，试验环境温度保持为(23±2) ℃，环境湿度保持为65%±5%。采用综合应变测试仪每1 h记录一次数据，后期24 h记录一次数据，试验见图1。

图1 圆环约束收缩试验

1.4 钢环应变与混凝土收缩应变的关系

在圆环约束条件下，混凝土环收缩应变与钢环内壁应变的关系式为[18]

(1)

式中：εs(t)为钢环内壁应变；Es为钢材的弹性模量，取206 GPa；εc为混凝土环收缩应变；Ec为混凝土弹性模量(中间龄期弹性模量采用拟合曲线计算)；C1R、C2R、C4R分别为与环的尺寸、钢材、混凝土的泊松比有关的常数，即

(2)

(3)

(4)

其中，Ris、Ros分别为钢环的内径、外径；Ric、Roc分别为混凝土环的内径、外径，Ros=Ric；νs、νc分别为钢材、混凝土的泊松比，νs取0.3，νc取0.21。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

混凝土工作性能及力学性能试验结果见表2，实测的钢环应变εs(t)见图2。

表2 混凝土工作性能及力学性能

图2 钢环应变εs(t)

2.2 大流动性高强轻集料混凝土约束收缩的特点

由实测的钢环应变εs(t)，根据式(1)可以计算得到各配比混凝土环在外侧面干燥条件下收缩应变εc(t)，见图3。

图3 混凝土约束收缩应变εc(t)

由图3可知，高强轻集料混凝土约束收缩随龄期的发展大致可以分为三个阶段：①不稳定阶段，试件拆模后2 d前是收缩发展的不稳定期，混凝土变形表现为先膨胀(1 d前)后收缩，体积变形极不稳定；②稳定增长阶段，混凝土从第3 d开始收缩应变持续增长，7 d前增长较快，7 d后收缩增长明显减缓，直到混凝土环开裂；③开裂阶段，应变持续增长到某一龄期后混凝土环开裂，应力释放，应力曲线急剧下降。

试验采用高强页岩碎石型陶粒制备HSLC试件S1，骨料未经过预湿处理，用5～10 mm碎石制备同强度等级的NC为对照组。如图3(a)所示，相同强度等级S1与NC比较，收缩曲线主要有两个特点：①S1在7 d前的收缩应变量及应变增长率明显高于普通混凝土；②7 d后S1收缩应变增长明显减缓，直到混凝土环开裂，开裂时S1总收缩应变明显小于普通混凝土。轻集料对水泥的水化过程的影响主要表现在早期，在水化早期轻集料多孔吸水提高了毛细管压力，增加了混凝土的收缩变形，因此HSLC在7 d前的收缩大于普通混凝土。7 d后骨料吸水基本完成，而HSLC为提高新拌浆体的工作性能在配合比中采用20%的Ⅰ粉煤灰替代水泥，粉煤灰的掺入对减小混凝土早期的收缩变形有利[12]，因此HSLC在7 d后的收缩值反而低于NC。

2.3 矿物掺合料对混凝土约束收缩的影响

单掺粉煤灰，掺量为20%、25%、30%、35%的高强轻集料混凝土3、7、14、21 d龄期的收缩应变见图4。

图4 不同粉煤灰掺量各龄期HSLC收缩应变

与相同强度等级的普通混凝土比较，20%粉煤灰掺量的HSLC在7 d后的收缩应变明显低于普通混凝土。但当粉煤灰掺量从20%增加到35%时，相同水胶比的HSLC的收缩应变并没有随粉煤灰掺量的增加而持续减小，掺量为25%、30%的混凝土14 d前的收缩应变反而明显大于掺量为20%、35%的混凝土。到21 d后，各配比的HSLC的收缩应变差距很小，见图4。由图4可知，通过增加粉煤灰掺量减小混凝土收缩是不合适的，且当粉煤灰掺量大于25%后，再增加掺量对混凝土的工作性能提高不大，但力学性能却明显降低，见表2。因此，掺加粉煤灰可以明显提高HSLC的工作性能，也能减小HSLC的收缩应变，但其掺量应该控制在25%以内较合适。

硅灰与粉煤灰同属火山灰质材料，而硅灰比表面积更大，活性更强。在本文试验中，粉煤灰与硅粉复掺，复掺硅灰后的混凝土试件S2(25%FA)、S5(25%FA+2%SF)、S6(25%FA+4%SF)、S7(25%FA+6%SF)的28 d抗压强度分别为51.2、54.0、53.0、50.8 MPa(见表2)，因此，适量的硅灰复掺对提高HSLC的强度是有利的。硅灰复掺对HSLC收缩的影响见图3(c)，硅灰复掺对HSLC3d前的收缩应变影响不大，3 d后水化速度加快，复掺硅灰的HSLC收缩变形增长迅速，到混凝土环开裂时，复掺硅灰的试件收缩变形远大于未掺硅灰的试件。因此，适量的硅灰复掺虽对提高HSLC强度有利，但显著增加混凝土收缩变形。

2.4 骨料预湿对混凝土干燥收缩的影响

为配置工作性能优良，且强度能达到C40以上的高强轻集料混凝土，本文前期试验分别采用了600～800级，24 h吸水率>9%的粉煤灰陶粒及页岩陶粒制备HSLC，但效果不好，或工作性能不良，或达不到预期强度。而24 h吸水率<5%的高性能轻集料生产工艺要求高，造价高，不利于大规模的生产。因此，试验最终采用24 h小时吸水率为6.06%的高强页岩碎石型陶粒，其中S1～S7组试件骨料未预湿，S8、S9两组试件对骨料进行预湿处理，预湿时间分别为1、12 h。以S2试件为对照组，骨料预湿对HSLC约束收缩的影响见图3(d)。

由图3(d)可知，S2试件7 d前的收缩应变明显大于S8、S9，7 d后S8、S9收缩应变量及增长率均超过S2。在水化早期未预湿的轻集料多孔吸水提高了毛细管压力，增加了混凝土的收缩变形，因此，S2试件7 d前的收缩应变明显大于S8、S9。随着水化的进程，混凝土内部在约束应力作用下产生微裂缝，收缩应变增长也随之放缓。而经过骨料预湿的S8、S9试件，由于预湿骨料的内养护作用，混凝土内微裂缝产生的时间相对较晚，且在内养护作用下水泥水化反应更充分，混凝土的收缩变形也持续增加。由于试验采用高强页岩陶粒为轻集料，低吸水率较低，试验结果表明，骨料预湿1 h或12 h对收缩应变影响不大。

2.5 大流动性高强轻集料混凝土抗裂性能

在约束试验中，用钢环应变试验结果计算得到的是混凝土的残余应力，因此钢环应变不能很好的反映混凝土的抗裂性能。而受混凝土缺陷、微裂缝等多因素的影响，混凝土环开裂的时间具有一定的偶然性。因此，以钢环应变或者实测开裂时间作为混凝土抗裂性能的评价指标都有局限性[19-20]。本文引用开裂风险系数η作为混凝土的抗裂性能评价指标，开裂风险系数η为

(5)

式中：σmax为混凝土环向最大拉应力，MPa；fts为混凝土劈拉强度，MPa。

在混凝土圆环约束试验中，最大应力σmax发生在环内壁处，即

(6)

式中：εs(t)为钢环内壁应变；Es为钢材的的弹性模量，取206 GPa；C4R为常数。

当σmax>fts时，则η>l，混凝土内产生微裂缝，以微裂缝产生的时间为开裂龄期。当混凝土收缩应变曲线急剧降低，表明混凝土环产生全断面贯穿性裂缝而失去承载力，以产生贯穿性裂缝的时间为完全开裂龄期。各配比混凝土3、7、14、28 d龄期开裂风险系数、开裂龄期及完全开裂龄期见表3。

表3 各配比混凝土开裂风险系数

如表3所示，相同强度等级的S1与NC比较，S1早期开裂风险系数较小，S1产生微裂缝时间明显晚于NC，但S1在产生微裂缝后发展为全断面贯穿性裂缝的时间较NC短，NC试件在11 d产生微裂缝后直到44 d才完全开裂，因此从混凝土承载能力的角度可以认为普通混凝土的抗裂性能要优于高强轻集料混凝土。

掺合料类型及掺量对混凝土收缩开裂的影响主要表现为对混凝土抗力和作用的影响。掺合料替代水泥，混凝土的抗拉强度降低，同时混凝土的自生收缩和弹性模量也下降，表现为混凝土的约束收缩应力降低。单掺粉煤灰的四组试件S1～S4中，粉煤灰掺量为20%的S1开裂风险系数最小，S1试件开裂的时间也最晚；粉煤灰与硅灰复掺的三组试件S5～S7，硅粉掺量对开裂风险系数影响很小，三组试件微裂缝出现的时间都是6 d，完全开裂的时间也非常接近，但复掺硅粉的混凝土早期开裂风险系数明显大于单掺粉煤灰的混凝土，微裂缝出现的时间也明显早于单掺粉煤灰的混凝土。

与对照组S2比较，经过骨料预湿的两组试件S8、S9，早期开裂风险系数明显较小，两组试件微裂缝出现的时间都在13 d左右，微裂缝出现也时间较晚，说明骨料预湿延缓了混凝土内微裂缝产生的时间。且S8、S9的收缩应变曲线分别持续增长直到45、53 d后缓慢下降而非急剧降低。如果将45、53 d定为S8、S9的完全开裂时间，其完全开裂时间远远超过未预湿的其它组试件，也超过普通混凝土试件，因此可以认为骨料预湿能极大的提高混凝土的抗裂性能。

3 结论

本文采用圆环约束收缩试验，研究大流动性高强轻集料混凝土约束收缩应变规律及抗裂性能，结论如下：

(1)相同强度等级大流动性高强轻集料混凝土(HSLC)与普通混凝土(NC)收缩曲线比较，HSLC在7 d前的收缩应变量及应变增长率明显高于普通混凝土，7 d后HSLC收缩应变增长明显减缓，直到混凝土环开裂，开裂时HSLC总收缩应变明显小于普通混凝土。

(2)掺加粉煤灰可以提高混凝土的流动性，减小HSLC的收缩，但粉煤灰掺量应小于25%；硅灰复掺虽对提高HSLC强度有利，但显著增加混凝土收缩变形。

(3)与相同强度等级的普通混凝土比较，高强轻集料混凝土早期开裂风险系数较小；粉煤灰能降低混凝土开裂风险，粉煤灰掺量为20%混凝土开裂风险系数最小；复掺硅粉的混凝土早期开裂风险系数明显大于单掺粉煤灰的混凝土，微裂缝出现的时间也明显早于单掺粉煤灰的混凝土；骨料预湿延缓了混凝土内微裂缝产生的时间，提高混凝土的抗裂性能。