混凝土无约束早龄期变形性能试验研究

张仁瑜，王景贤，戈 兵，王淑丽，徐教宇，黄选明

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

混凝土材料长期以来作为一种坚固耐久的大宗建筑材料已有 180 多年的历史，随着现代混凝土技术的发展，大量高强度、工作性能良好的混凝土得到广泛的应用［1］。然而，许多混凝土结构在建设或使用过程中出现了不同程度、不同形式的裂缝，这是相当普遍的现象。混凝土裂缝会引起渗漏，降低混凝土的耐久性，减少使用寿命，如保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土的碳化等，对结构的强度、耐久性造成较大的影响。

工程实践表明，大量混凝土早期裂缝在初凝前就已经发生，而混凝土早龄期变形是引起早期裂缝的主要原因［2］。早龄期混凝土是一种介于流体与含湿粒子堆聚物之间的材料，具有流变性质，随着水泥水化和固相生成物的相互黏结，混凝土的固相特征逐渐发展，丧失流动性，此后各项力学性能开始发展［3］。由于早龄期混凝土很长一段时间处于流塑状态，一般的测试手段难以对早龄期混凝土特别是初凝前的变形进行测试。可以说，混凝土自成型开始至初凝前的变形特性是一个未被人们所认知的技术盲区。为克服现有方法的缺陷，本文在大量试验研究的基础上，创造性提出混凝土早龄期自由变形的试验方法，采用重液悬浮混凝土试件的方法来消除试模对试件的变形约束，此方法能够准确地测量混凝土的早龄期变形参数。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

无约束混凝土早龄期变形性能试验装置如图 1 所示。该设备目前已经申请并获得了国家发明专利“一种无约束测量混凝土变形性能的试验方法和试验装置”（专利号 ZL 2012 1 0343567.X）。试验装置由以下几部分组成：试验容器、悬浮重液、混凝土试件、试验模具、测量标靶、电涡流位移传感器、荷重传感器、温度传感器和相关数据采集设备（见图 1）。

图1 无约束混凝土早龄期变形试验装置示意图

1.2 试验方法

无约束混凝土早龄期变形性能试验步骤如下。

1）将聚乙烯塑料内模放入试验模具，确保内模与试验模具之前良好接触，将测量标靶固定在试验模具内。

2）将混凝土拌合物装入试验模具中，振动成型抹平，振捣过程中确保测量标靶始终垂直于试验模具侧壁，且标靶前后位置不变。

3）将试验模具立即移入恒温恒湿试验室，放入测试装置内，安放荷重传感器，恒温恒湿试验室的温度保持在（20±2）℃，相对湿度保持在（60±5）%。

4）将重液加入测试装置，使重液深度与混凝土表面基本持平。

5）打开试验模具侧壁，使聚乙烯塑料内模与重液接触，待混凝土材料成功悬浮且液面基本平静后，安放位移传感器。

6）打开测试系统，根据示值调整位移传感器与标靶之间的距离，待示值为 0.2～0.4 mm 时，固定位移传感器。

7）开始采集混凝土早龄期变形试验数据，应至少每隔 1 h 或按设定的时间间隔测定试件两端的变形读数。

8）整个测试过程中，应保证试件悬浮的位置和方向始终保持不变，在仪器周围设置警示标志。

9）测试结束后，用钢卷尺测量两个标靶之间的距离，作为试件的原始测试标距。

2 试验研究

混凝土的变形性能可以采用如下定义：由于混凝土中的水和胶凝材料相互作用，和与周围介质（如空气中的水分蒸发和碳化等）的作用，而引起的体积变化。常说的体积变形一般指的是混凝土的收缩，包括沉降收缩、化学收缩、物理收缩和碳化收缩。影响混凝土变形性能的主要因素包括：胶凝材料用量、水泥品种、细度、水胶比、外加剂、骨料品种、骨料级配、养护方法、试件尺寸、相对湿度、成型工艺等。

为考察无约束混凝土早龄期变形性能试验装置及试验方法的灵敏性，同时对混凝土早龄期变形性能的部分主要影响因素进行研究，具体研究内容如下：

①水泥用量对混凝土早龄期变形性能的影响；

②水泥品种对混凝土早龄期变形性能的影响；

③外加剂对混凝土早龄期变形性能的影响。

2.1 原材料

水泥：山东即墨中联产 P·I 42.5 硅酸盐水泥；金隅琉璃河产 P·O42.5 普通硅酸盐水泥；冀东盾石产 P·O42.5 普通硅酸盐水泥。

砂：河北三河产 II 区中砂，细度模数为 2.6，含泥量为 1.5 %，泥块含量为 0。

碎石：河北三河产石灰岩碎石，5～25 mm 连续级配，含泥量为 0.5 %，泥块含量为 0，针片状颗粒总含量为 2.4 %。

粉煤灰：石景山热电厂产 II 级粉煤灰，需水量比为95 %，细度（45 μm 方孔筛筛余）为 7.8 %。

减水剂：市售聚羧酸系高性能减水剂，减水率为25 %；萘系高效减水剂，减水率为 15 %；氨基磺酸盐高效减水剂，减水率为 19 %。

拌合用水：自来水。

2.2 水泥用量的影响

为考察水泥用量对混凝土早龄期变形性能的影响程度，选择三种不同强度等级的混凝土进行试验，试验用混凝土配合比如表 1 所示，试验结果曲线如图 2 所示。

图2 水泥用量的影响曲线

表1 试验用混凝土配合比

对比三种不同水泥用量的配合比早龄期变形性能测试结果，有以下几点。

1）与现有文献资料中的早龄期变形曲线形状基本一致，但 72 h 的收缩率较高，进一步证明了无约束混凝土早龄期变形性能试验方法的可行性和一致性。

2）混凝土在开始测试的 10 h 内收缩发展很快，随着设计强度等级提高时，这种趋势越明显，到 12 h 以后收缩速率逐渐减缓。从曲线上也可明显看出，水泥用量增多明显增加了混凝土早龄期内的收缩量和收缩速率，这与目前已有的各种文献报道的试验结果基本一致，高胶凝材料用量的高强混凝土收缩率明显提高，增大了早期变形和开裂的风险。

2.3 水泥品种的影响

为考察水泥品种和厂家对混凝土早龄期变形性能的影响程度，选择三种不同水泥厂家的混凝土进行试验，CT-1 为即墨中联产 P·I42.5 硅酸盐水泥，CT-2 为金隅琉璃河产 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，CT-3 为冀东盾石产 P·O42.5 普通硅酸盐水泥。试验用混凝土配合比如表 2 所示，试验结果曲线如图 3 所示。

图3 水泥品种的影响曲线

对比表 2 中三种不同水泥品种的配合比早龄期变形性能测试结果，有以下几点。

表2 试验用混凝土配合比

1）曲线变化情况与表 1 的分析第 1 点一致。

2）从试验结果可知，冀东盾石水泥的混凝土早龄期收缩率略高于其它两种水泥，即墨中联水泥次之，金隅琉璃河水泥早龄期收缩率最小。结果表明，标号相同的不同品种水泥，对混凝土早龄期变形性能也会产生不同的影响，这与不同厂家的水泥的矿物成分差异、标准稠度用水量和水泥粉磨细度等因素相关。

2.4 外加剂的影响

为考察外加剂种类对混凝土早龄期变形性能的影响程度，选择三种不同类型的减水剂掺入混凝土进行试验，试验用混凝土配合比如表 3 所示。试验结果曲线如图4所示。

表3 试验用混凝土配合比

对比三种不同外加剂类型的配合比早龄期变形性能测试结果，有以下几点。

1）曲线变化情况与表 4.1.2 的分析第 1 点一致。

2）从试验结果可知，所用的三种减水剂中，早龄期混凝土收缩率大小依次为萘系＞氨基磺酸盐＞聚羧酸。

图4 外加剂的影响曲线

3）无约束混凝土早龄期变形性能试验方法可敏感地反映出由于外加剂种类的区别而引起的混凝土早龄期收缩率的差异，验证其敏感性。

4）外加剂对混凝土早龄期变形性能的影响中，除了在减水率上面存在的区别影响混凝土的用水量，进而影响混凝土收缩之外，化学外加剂的品种及掺量本身还会影响混凝土内部孔溶液的碱金属盐浓度及表面张力，基于毛细管张力机理的研究认为，这对于收缩尤其是自收缩也有着较大的影响，表面张力的降低可以减小混凝土的自干燥收缩和干燥收缩，因而，影响表面张力的外加剂也会影响收缩。

3 结语

无约束混凝土早龄期变形性能试验装置，采用重液悬浮混凝土试件的方法来消除试模对试件的变形约束，此方法能够准确地测量混凝土的自浇筑成型开始的早龄期变形参数。

为考察无约束混凝土早龄期变形性能试验装置及试验方法的灵敏性，同时对混凝土早龄期变形性能的部分主要影响因素进行研究，探讨了水泥用量、水泥品种和外加剂种类对混凝土无约束早龄期变形性能的影响，得出如下结论。

1）水泥用量增多明显增加了混凝土早龄期内的收缩量和收缩速率，这与目前已有的各种文献报道的试验结果基本一致，高胶凝材料用量的高强混凝土收缩率明显提高，增大了早期变形和开裂的风险。

2）标号相同的不同品种水泥，对混凝土早龄期变形性能也会产生不同的影响，这与不同厂家的水泥的矿物成分差异、标准稠度用水量和水泥粉磨细度等因素相关。

3）外加剂对混凝土早龄期变形性能的影响中，除了在减水率上面存在的区别影响混凝土的用水量，进而影响混凝土收缩之外，化学外加剂的品种及掺量本身也会影响收缩。Q