浆骨比对混凝土早龄期收缩特性的影响

李福海， 唐慧琪， 文 涛， 王江山， 张新尚， 张晓龙

（1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.云南建设基础投资股份有限公司，昆明650000）

0 引 言

混凝土中水与胶凝材料的体积之和与粗细集料的体积之和的比值定义为浆骨比［1］。浆骨比对混凝土主要组成成分之间的含量关系有直观反映，并同时考虑了粗细集料与水泥石对混凝土力学性能与工作性的贡献［2］。廉慧珍等［3-4］认为：在不考虑外加剂等因素的情况下，混凝土硬化前后的工作性与力学性能主要由水胶比、砂石比、浆骨比3个因素共同决定。其中混凝土的力学性能与密实程度主要由水胶比决定。当水胶比确定后，浆骨比则成为影响混凝土硬化前后性能的主要因素。当浆骨比太小时，粗细集料含量相对增加以及水泥浆体含量相对减少，不仅会对混凝土拌和时的工作性造成不利影响，而且还将引起混凝土密实程度的降低，进而影响混凝土的耐久性；而浆骨比太大则会造成骨料-水泥浆体过渡区结构的改变，对混凝土的力学性能造成一定影响。此外，相对含量较高的水与胶凝材料还会引起混凝土耐久性过早的降低［5］。因此，存在一个最优浆骨比，可以使混凝土的各项性能同时达到最佳。

混凝土由于水分散失、温度变化以及化学反应而引起的体积缩小称为收缩［6］。收缩虽在混凝土中长期进行，但大部分收缩往往发生在混凝土早龄期。而此时混凝土水化程度相对较低，其自身强度往往不足以对因收缩产生的应力进行有效控制，从而导致工程在早期极易出现混凝土裂缝。故对混凝土早龄期混凝土收缩的研究便具有实际的工程价值。谢丽等［7］研究了混凝土在水灰比变化时早龄期收缩情况，测试结果表明：随着水灰比的变化，混凝土自收缩的变化幅度相比于总收缩更大，且在低水灰比的情况下，混凝土自收缩在总收缩中所占的比例相比于高水灰比更大。江晨晖等［8］对高强混凝土在不同温度与不同水胶比耦合条件下的早龄期收缩进行了试验研究，试验得出的结论与谢丽［7］的结论类似：即水胶比越低混凝土收缩越大，并且认为在低水胶比的情况下，高温对促进混凝土收缩的趋势更明显。张骏等［9］通过改变混凝土中粉煤灰掺量的方式对混凝土早龄期收缩进行研究，试验结果表明：一定掺量的粉煤灰对早期混凝土收缩有抑制作用，但当粉煤灰掺量超过40%时，便会促进混凝土收缩。韩博等［10］研究了轻骨料取代率对混凝土收缩的影响，认为轻骨料能有效抑制混凝土自收缩，并且取代率越高抑制收缩的效果越明显。上述文献针对混凝土组分影响混凝土早龄期收缩的作用和机理进行了系统的研究，对改善混凝土早龄期收缩大等问题具有重要意义。但也可以看出，通常研究组分对混凝土早龄期收缩试验大都集中于单一组分，或者单一组分与外部环境耦合，对能够反映多组分变化的浆骨比影响混凝土早龄期收缩的研究还比较少；同时有关浆骨比的研究也主要集中于混凝土配合比设计和优化，忽略了浆骨比对混凝土其他性能方面的影响，尤其在关于收缩方面的研究也并不多见。

本文研究了不同浆骨比对混凝土力学性能的影响，以力学性能为评价指标筛选出最优浆骨比。通过筛选出具有最优浆骨比设计的混凝土与工程所用浆骨比设计的混凝土早龄期自收缩与总收缩发展规律，对浆骨比影响混凝土的收缩机理进行研究，为工程提供科研数据与理论支撑。

1 试 验

1.1 原材料

（1）水泥。选用蒙自瀛洲水泥有限责任公司生产的P·O52.5级水泥，其比表面积为335～355 m2/kg，初凝时间为180～260 min，终凝时间为290～360 min，安定性为0.5～2.0，烧失量为2.2%，28 d胶砂抗折强度与抗压强度分别为7.5～9.0 MPa与54.0～57.0 MPa，化学成分见表1。

表1 水泥、矿粉主要成分 %

（2）细集料。为蔓耗镇玉贵砂石料场生产的天然河沙，紧密堆积密度为1.66 g/m3，表观密度为2.6 g/m3，细度模数2.6～3.0，属II区中砂。

（3）粗集料。包含两种粒径的碎石，分别为5～10 mm的碎石（称小石）和10～20 mm的碎石（称大石）；

（4）矿粉。选用红河建材熔剂有限公司生产的S75级矿粉，其7 d和28 d活性指数分别为56%～70%和76%～88%，主要化学成分见表1。

（5）外加剂。选用云南山峰工贸有限公司生产的SE-J高性能减水剂（缓凝型），减水率为28.1%～31.3%，泌水率比为11.1%～45.0%，坍落度为10～30 mm，凝结时间差为100～150 min，收缩率比为96～97，水泥净浆流动度为266 mm。

（6）拌和水。选用成都当地自来水。

1.2 最优浆骨比试验方案

本试验以浆骨比35∶65时的配合比为基准配合比［11］，通过浆骨比进行混凝土配合比设计，共设计浆骨比30∶70、32.5∶62.5、35∶65的3组配合比，各组具体配合比列于表2。

基于各组混凝土工作性合格的情况下，以标准养护条件下（温度（20±2）℃，湿度≥95%，简称标养）和施工现场同条件养护条件下（温度40℃，湿度60%，简称同养）混凝土7、10、28 d抗压强度和弹性模量为评价指标进行最优浆骨比筛选试验，并且研究了不同浆骨比下混凝土力学性能随龄期的发展规律以及影响机理。

1.2.1 抗压强度

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）中所规定的方法进行抗压强度的测试，试验在济南中路昌试验机制造有限公司生产的YES-2000压力试验机上进行，每组配合比在不同养护工况、不同龄期时均测试3个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，取3个试件的平均值为抗压强度的判定结果。

1.2.2 弹性模量

参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）中所规定的方法进行弹性模量的测试，试验在上海三思纵横机械制造有限公司生产的WAW-1000G微机控制电液伺服万能试验机上进行，每组配合比在不同养护工况、不同龄期时均测试6个尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，取3个试件的平均值为弹性模量的判定结果。

1.3 收缩性能

依据力学试验已得到的结果，采用接触法对基于筛选出最优浆骨比（32.5∶67.5）设计的混凝土与工程所用浆骨比（34∶66）设计的混凝土进行收缩试验。试验参考《普通混凝土长期性能与耐久性能试验》（GB/T50082-2009）中的方法进行，具体配合比设计以及编号列于表3。其中，字母为G和S分别表示混凝土总收缩和自收缩测试组；编号P0和P1分别表示工程所用浆骨比和最优浆骨比。每组配合比均成型6个尺寸为100 mm×100 mm×515 mm棱柱体试件，分别测试同条件环境下（温度30℃，湿度60%）混凝土的总收缩与自收缩。测试装置如图1所示。

图1 混凝土收缩测试装置

表3 混凝土收缩配合比设计 kg/m3

整个收缩测试步骤按如下进行：

（1）用薄膜覆盖住涂有脱模剂的钢模四周与底部，随后在钢模长方向两侧装置铜质探头；

（2）将搅拌好的混凝土倒入钢模中，放在振捣机器上振捣密实，随后用薄膜覆盖住混凝土暴露在空气中的部分，防止混凝土水分散失从而导致收缩结果误差较大；

（3）1 d后进行脱模，将脱模后的混凝土试件安装到测试装置上，混凝土一侧探头抵住钢板，另外一侧则与千分表表头相接触；

（4）记录此时千分表的读数，以后每天记录一次，在记录过程中勿与千分表接触，确保收缩结果的准确性。

自收缩测试步骤与总收缩测试步骤基本一致，只是自收缩试件采用薄膜进行密封。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

试验得到在标准养护条件下3种浆骨比的混凝土抗压强度随龄期的发展曲线，如图2所示。

图2 标准养护下不同立方体样品抗压强度变化

分析图2可以发现，浆骨比3的混凝土抗压强度全龄期最低，而其余两组混凝土抗压强度随龄期发展交替上升。这是因为混凝土的强度由水泥石强度、骨料强度以及水泥石与骨料的界面过渡区共同决定［1］。早期混凝土中由于水泥水化程度较低，骨料成为影响混凝土抗压强度的主要因素。混凝土早期抗压强度将随骨料含量相对增大而增加，即浆骨比越小，抗压强度越大。因此浆骨比1的混凝土7 d抗压强度最大，浆骨比3的混凝土抗压强度最小。但随着水化反应的进行，水泥石强度以及水泥石与骨料之间的界面过渡区对混凝土强度的影响开始凸显。对于浆骨比越小的混凝土，其水泥石强度越低，混凝土内部界面过渡区越多，则此时混凝土的骨料优势不足抵消因骨料占比过大而带来的弊端。因此，在龄期28 d时，浆骨比2的混凝土28 d抗压强度明显优于浆骨比1的混凝土。而浆骨比3的混凝土由于骨料占比过低，骨料对混凝土强度提高不足，致使混凝土强度全龄期最低。

在同条件养护下，测试得到3种浆骨比的混凝土抗压强度随龄期的变化曲线，如图3所示。

图3 同条件养护下立方体样品抗压强度变化

通过图3可知，同条件养护下各组浆骨比混凝土抗压强度随龄期发展过程与标准养护下发展过程相似，并且浆骨比2的混凝土28 d抗压强度在各组浆骨比中为最高，这与标准养护条件下最终抗压强度保持一致。

2.2 弹性模量

在标准养护条件下，试验测得3种浆骨比混凝土弹性模量发展曲线如图4所示。

图4 标准养护下不同试件弹性模量对比

从图4可以看出，7 d、10 d龄期时弹性模量最大的为浆骨比2的混凝土，分别能达到46.8 GPa与48.4 GPa，相比浆骨比1和浆骨比3的弹性模量分别上升了7%、1.7%和10%、9%。而28 d龄期时混凝土弹性模量随浆骨比的减小而增大，浆骨比1的弹性模量相比浆骨比2的弹性模量上升了3%，与10 d龄期时两组浆骨比之间的1.7%差距相比，此时的增长幅度也十分微小。上述数据表明，降低浆骨比能够增强混凝土最终弹性模量，但效果并不显著。这是因为低浆骨比混凝土中骨料含量相对较大，提高了混凝土的整体刚度，使得混凝土在承受压应力时产生的应变更小，导致弹性模量的增加；而骨料的增加同时也会导致界面过渡区面积增加。尽管认为弹性模量试验是在应力-应变为线性阶段时完成的，界面过渡区对弹性模量的作用较小［12］，但依然会削弱因骨料增加而带来的增强优势。

图5所示为同条件养护下3种浆骨比弹性模量随龄期的发展曲线。通过图5可知，龄期为7 d、10 d时，浆骨比3与浆骨比1的弹性模量相接近，并低于浆骨比2的弹性模量；在龄期为28 d时，浆骨比2与浆骨比1的弹性模量分别为浆骨比3的弹性模量的99%和97%。上述数据表明在高温低湿条件下会改变不同浆骨比弹性模量的变化趋势。

图5 同条件养护下不同试件弹性模量对比

从上述数据和分析可以看出，浆骨比2的混凝土在不同养护条件下其7、10 d龄期弹性模量均最大，且28 d龄期时相比于不同养护条件下最高弹性模量之间的下降幅度可忽略不计。同时结合抗压强度的测试结果，可以认为浆骨比2的混凝土力学性能最优。故将32.5∶67.5的浆骨比作为最优浆骨比。

2.3 收 缩

2.3.1 自收缩

工程所用浆骨比设计的混凝土与筛选后浆骨比设计的混凝土在同条件下的自收缩变化曲线如图6所示。

图6 同环境条件下最优浆骨比设计混凝土与工程所用浆骨比设计混凝土自收缩率对比

通过图6可以看出，在龄期为35 d时，测试组为S-P1的混凝土自收缩率为158με，而S-P0的混凝土其自收缩率为221με，S-P1的混凝土自收缩率相比SP0组的混凝土自收缩率下降29%，即表明最优浆骨比设计的混凝土对自收缩的抑制能力明显优于工程所用浆骨比设计的混凝土。相比于S-P0的工程所用浆骨比设计，S-P1的浆骨比更低，因此混凝土中水泥石的含量相对较低，而骨料的含量相对较高；从混凝土自收缩机理来看，自收缩是由于水化反应导致水泥石中的毛细孔中的水由饱和状态变成不饱和状态，从而使毛细孔内产生负压而引发的体积缩小［13］。对于低浆骨比设计的混凝土，由于其水泥石的含量相对较少，故生成的毛细孔数量也低于高浆骨比设计的混凝土；同时因为低浆骨比中毛细孔中的水分也低于高浆骨比设计的混凝土，故导致低浆骨比混凝土因毛细孔失水而产生的自收缩率也低于高浆骨比混凝土。而且低浆骨比中骨料含量相对较大，弹性模量高的骨料对弹性模量低的水泥石收缩的约束作用也相比高浆骨比混凝土更明显［14］。

2.3.2 总收缩

图7所示为工程所用浆骨比设计的混凝土与筛选后浆骨比设计的混凝土在同条件下的总收缩变化曲线。

图7 同环境条件下最优浆骨比设计混凝土与工程所用浆骨比设计混凝土总收缩率对比

从图7可以得知，G-P1测试组的混凝土总收缩值小于G-P0测试组的混凝土总收缩率，这与浆骨比优化后对影响混凝土自收缩变化规律相一致。对龄期为35 d时两种浆骨比设计的混凝土总收缩率相比较可得，G-P1测试组的混凝土总收缩率相比G-P0测试组的混凝土总收缩率下降26%，优化后浆骨比设计的混凝土对总收缩的抑制效果显著。与自收缩相比，总收缩的组成中增加了干燥收缩部分。干燥收缩机理与自收缩基本一致，只是形成原因不同。干燥收缩是因为混凝土内外湿度不一致而引起毛细孔水分散失导致的体积缩小［15］。对于浆骨比低的G-P1组混凝土，一方面由于浆骨比降低对总收缩中的自收缩有明显的限制作用；另一方面因其水化分应生成的毛细孔数量相对较少，导致水泥石中形成连贯的毛细孔洞数量相比G

P0组的混凝土数量少，能够有效地减少水分散失的通道，从而抑制了总收缩中的干燥收缩。而且骨料对于干燥收缩不仅有约束作用，相关的研究［16］表明，骨料对水泥石中的连贯毛细孔洞有一定的延长效果，能增大水分扩散的阻力，降低混凝土中的湿扩散系数，对水分散失有一定的限制作用，并且在合理的骨料掺量范围内随着骨料含量的增大这种抑制水分散失的现象越明显，更进一步抑制低浆骨比混凝土中干燥收缩以及总收缩的发展。

3 结 语

（1）标准养护7 d的混凝土抗压强度随着浆骨比的增大而减小，此时影响抗压强度的主要因素为骨料含量。28 d时最大抗压强度为浆骨比32.5∶62.5组的混凝土。

（2）标准养护28 d的混凝土弹性模量随浆骨比的减小而增大，但这种增强效果并不明显；同条件养护下会改变不同浆骨比弹性模量之间的发展趋势。

（3）最优浆骨比混凝土自收缩率与总收缩率均小于工程所用浆骨比混凝土，表明优化浆骨比设计在一定程度上对混凝土收缩有抑制作用。