基于温度应力试验机膨胀剂对混凝土抗裂性能的影响研究

刘拼，李从号，徐可

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430080）

0 引言

混凝土结构开裂问题是土木工程领域极为关注的问题，虽然从结构设计的角度对混凝土结构裂缝进行了相应规定[1-2]，但统计数据显示混凝土结构中的裂缝仅约 20% 由荷载引起，而由非荷载因素造成的裂缝高达80%[3-4]。非荷载裂缝主要表现为早龄期阶段的温度变化导致的温度裂缝和混凝土内部水分含量变化造成的收缩裂缝[5-7]。混凝土结构一旦产生裂缝并且裂缝在某些因素作用下不断发展，对结构的正常使用会产生一定的影响，甚至威胁结构的安全性和耐久性。

基于补偿收缩混凝土技术，在混凝土中掺加膨胀剂配制补偿收缩混凝土，混凝土在受约束条件下内部产生预压应力，能有效抵消混凝土因温度收缩和干燥收缩产生的拉应力，提高混凝土的抗裂性能和耐久性[8-9]。然而，膨胀剂在制备过程中，磨机工艺参数、粉磨时间、原材料品质等存在波动性，成品膨胀剂的粒径分布具有差异性，使膨胀剂在混凝土中的膨胀性能发挥不尽相同[10-11]。温度应力试验可考虑各种因素的综合作用，有效评价混凝土的开裂敏感度[12-13]，其中采用温度应力试验机试验过程中开裂温度可作为综合评价混凝土抗裂性/开裂趋势的指标[14-15]。本文基于温度应力试验机（TSTM）探讨氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂在特定温度历程下对混凝土抗裂性能的影响。

1 温度应力试验

1.1 温度应力试验机工作原理

温度应力试验机（TSTM）是一种单轴试验装置，其实物图如 1 所示。试件结构尺寸示意图如图 2 所示，试件长 2000mm，有效总长 1500mm、横截面 150mm×150mm。试件结构两端有两个夹头，靠近荷载传感器一端为活动夹头，其余荷载传感器连接在步进电机的减速箱上；另一端为固定夹头。紧贴试件两侧的温控模板可以基于循环介质对混凝土试件进行加热或冷却。试验装置的控制系统通过温度传感器、荷载传感器和位移传感器自动记录试件的温度、应力、活动夹头以及变形。在试验过程中，混凝土试件处于密封状态，其膨胀或收缩使得活动夹头移动，当活动夹头的位移超过设定值时，控制系统控制步进电机工作转动，使活动夹头回至原位，保证混凝土试件长度不变。在混凝土试件中心预先埋设温度传感器，依据其反馈的数据调整循环介质的温度，使混凝土试件处于预先设定的温度历程下。

图1 温度应力试验机实物图

图2 试件结构尺寸示意图

1.2 试验原材料和混凝土配合比

采用 P·O42.5 水泥；Ⅰ级粉煤灰；S95 级磨细矿渣粉；5～10mm 和 10～26.5mm 碎石按 1:2 比例配制5～26.5mm 连续级配的粗骨料，含泥量不大于 1%；4.75mm 圆孔筛筛选、细度模数 2.4～2.6 的机制砂，含泥量不大于 3%；聚羧酸系高性能减水剂；氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂具有氧化钙（CaO）和硫铝酸钙（CAS）双膨胀源组分，其主要成分有氧化钙（特征峰 2.7723、2.4004 和 1.6972）、硫铝酸钙（特征峰3.7540）和石膏（特征峰 3.5065），XRD 图和 SEM 图分别如图 3 和图 4 所示。氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂样品 A1 和样品 A2 依据 GB/T 1345—2005《水泥细度检验方法筛析法》采用负压筛析仪进行筛分，筛分结果详见表 1。

图3 氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂 XRD 图

图4 氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂 SEM 图

表1 氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂样品粒径分布

由表 1 可知，80μm 方孔标准筛上 A1 样品的筛余值为 19.47%、A2 样品的筛余值为 28.85%，说明相较于A1 样品，A2 样品粗颗粒较多、比表面积小。

为保证混凝土入模温度大于 30℃、混凝土成型温度控制在 (35±2)℃、混凝土扩展度 550mm及坍落度(220±20)mm，根据原材料性能进行混凝土试配试验，混凝土最终配合比见表 2，膨胀剂约占胶凝材料总量的7.95%、内掺等量取代粉煤灰。

表2 C45 混凝土配合比 kg/m3

1.3 温度应力试验机参数设置

通过温度应力试验机采用手动方式设定的温度历程如图 5 所示。起始温度设定为 35℃，20h 后混凝土温度达到温峰值且为 65℃；随后经历 48h 混凝土温度降至35℃，若在此期间混凝土开裂则停止试验，若混凝土未开裂则保持平均每 0.5℃/h 降温、直至断裂；若直至温度应力机最低温度仍未断裂，停止试验。

图5 设计温度历程

空白组、A1 样组和 A2 样组均调用相同的温度历程；均采用 100% 约束、步进电机单位设置为 1.3μm、恒温时步进单位设置为 1.3μm，采集间隔为 5min。

1.4 试验过程

试验准备：包括试验材料的准备和试验仪器的调试等。为保证试验室温度应力试验的连续性，在正式成型前依据混凝土配合比、主附试件混凝土用量（约120L）以及试验室用混凝土搅拌锅等将试验原材料均称量好。试验进行前，将温度应力机试件槽内的杂物清理干净、涂刷脱模油，并垫塑料薄膜纸，如图 6 所示。

图6 温度应力试验机准备工作

试验参数设置及调试：点击试验仪器自带调试软件界面，设置温度曲线、约束度、步进电机单位等参数，同时需要将步进电机的刻度线回至起始点，保证电机不会超量程。

混凝土成型、装模：按照配合比要求连续拌制混凝土，并将混凝土分两层分别装入主、附试件槽内，装模过程中确保混凝土在塑料薄膜以内。混凝土振捣：每装一层混凝土需用振捣棒进行振捣，保证浇筑的混凝土密实可靠。

刮平及封膜：振捣完成后及时将预先铺垫的塑料薄膜封裹浇筑面并用胶带加固。

插入温度传感器：将套有铜管的温度传感器从盖板中央处插混凝土中，确保在混凝土的中心处。

调试位移表并开始试验：调试温度应力试验机一端的位移传感器，确保读数在±3 左右，调试好后即可点击开始试验。

2 试验结果与分析

空白组、A1 样组和 A2 样组混凝土试件试验中相关参数如表 3 所示。

2.1 混凝土试件温度

空白、A1 样和 A2 样混凝土试件的温度曲线如图 7所示。由图 7 和表 3 可知，3 组混凝土试件除入模温度要低于设定的起始温度外，其他均与设定的温度历程相吻合，说明混凝土试件内部温度控制满足要求；空白、A1 样和 A2 样混凝土试件 20h 左右达到内部温度达到峰值且分别为 65.7℃、64.8℃ 和 64.5℃，均在 (65±1)℃范围内，满足设定曲线最高温度要求。高温、100% 单轴约束条件下，空白、A1 样和 A2 样混凝土试件的开裂温度分别为 24.8℃、34.0℃ 和 23.5℃，掺加 A2 样混凝土试件的开裂温度稍低于空白，说明 A2 样在一定程度上能够提高混凝土的抗裂性能；掺加 A1 样混凝土试件开裂温度要高于空白组混凝土，说明 A1 样并未有助于提高混凝土抵抗温度变形的能力。因此，高温、强约束条件下，混凝土的抗裂性能在一定程度上受到氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂粒径分布的影响，膨胀剂中粒径大的颗粒占比适当提高，可在一定程度上降低混凝土的开裂温度、有利于提高混凝土的抗裂性能。

表3 混凝土试件试验中相关参数

图7 混凝土试件温度曲线

2.2 混凝土试件应变

空白、A1 样和 A2 样混凝土试件应变曲线如图 8 所示。由图 8 和表 3 可知，升温阶段，3 组混凝土试件发生膨胀变形、累计膨胀变形逐渐增大，且掺氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂的混凝土试件的累计膨胀变形明显高于空白组，空白、A1 样和 A2 样混凝土试件膨胀变形最大值分别为 9.17με、32.40με 和 41.11με。这是由于空白混凝土试件的膨胀变形的增长源于温度的上升，使得混凝土因热胀冷缩而发生温度变形，而掺加膨胀剂的混凝土试件的膨胀变形除此之外还源于膨胀剂水化反应提供膨胀能使混凝土膨胀变形。其中，掺 A2 样混凝土试件的累计膨胀变形值要大于掺 A1 样的混凝土试件，这是由于 A1 样相对于 A2 样粗颗粒占比小、比表面积大，水化反应迅速，其产生的膨胀能相对于 A2 样稳定期短。20h 后混凝土试件均处于降温阶段，混凝土试件温降收缩，其累计变形值逐渐减小，但掺加膨胀剂的混凝土试件的收缩要明显小于空白混凝土试件，且在同一时间段掺 A2 样的混凝土试件收缩最小，说明氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂能有效地降低混凝土的收缩值，且粒径大的颗粒占比适当提高抵抗混凝土收缩效果更好。

图8 混凝土试件应变曲线

2.3 混凝土试件应力

空白、A1 样和 A2 样混凝土试件应力曲线如图 9 所示，图中应力值为正值表示受压、反之受拉。由图 9 和表 3 可知，在混凝土温峰到来之前，空白、A1 样和 A2样混凝土试件达到最大压应力，这是由于混凝土在早期应力松弛[16]；掺加 A1、A2 样混凝土试件的压应力均要远高于空白试件，其中空白、A1 样和 A2 样混凝土试件最大压应力分别为 0.31MPa、1.92MPa 和 1.94MPa，说明高温、强约束条件下氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂在早期快速水化反应产生膨胀能，在混凝土内部产生较大的预压应力，但是从三组混凝土试件最大压应力出现时间和第二零应力出现时间可知，相对于空白组掺加氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂的混凝土试件中预压应力保持的时间不是太长；同时，掺加 A2 样混凝土试件内部的预压应力均要略高于掺加 A1 样混凝土试件，说明膨胀剂中粒径大的颗粒占比适当提高能产生相对稳定的膨胀能。

图9 混凝土试件应力曲线

此外，掺氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂混凝土试件的开裂应力均要低于空白组，其中空白、A1 样和 A2 样混凝土试件断裂时开裂应力分别为 2.48MPa、1.28MPa 和 1.57MPa。其原因在于氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂在高温、强约束条件下过早地产生较大的膨胀能，为保证混凝试件长度不变，电机频繁进行拉、压动作使得混凝土内部损伤较空白混凝土试件大，且膨胀剂中粗颗粒占比越小内部损伤越大。

3 结论

（1）高温、强约束条件下，混凝土的抗裂性能在一定程度上受到氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂粒径分布的影响，膨胀剂中粒径大的颗粒占比适当提高，可在一定程度上降低混凝土的开裂温度，有利于提高混凝土的抗裂性能。

（2）在高温、强约束条件下，氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂能有效地降低混凝土的收缩值，且粒径大的颗粒占比适当提高抵抗混凝土收缩效果更好；氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂早期可在混凝土内部产生较大的预压应力，但降低了混凝土的开裂应力。

（3）采用膨胀剂来提高混凝土抗裂性能是一种有效的技术路径，但实际生产及应用中应重视粒径分布对膨胀剂性能发挥的影响。高温、强约束条件下，掺加入混凝土中的氧化钙—硫铝酸钙复合型膨胀剂的最佳粒径分布有待进一步探讨。