早龄期混凝土半绝热状态温度分布与开裂研究

陈志娟， 雷 冬， 洪 淼

（河海大学力学与材料学院，南京 210098）

随着我国社会经济的不断发展，大体积混凝土建筑越来越多. 由于大体积混凝土体积过大，混凝土表面为自由散热，内部几乎为绝热状态，因此大体积混凝土表层为半绝热状态，且大体积混凝土在早期水化反应中会产生大量热量且难以及时散热［1-2］，从而会导致其内外温差过大，易发生温度裂缝. 温度裂缝是混凝土早期开裂的主要形式之一［3-4］，且早期裂缝往往会发展为宏观裂缝. 裂缝不仅会降低混凝土结构的承载能力［5-7］，而且还会为侵蚀性物质进入提供内部通道［8-11］，进而会加速混凝土结构的破坏，最终影响混凝土工程的耐久性和安全性［12］. 目前已有较多学者对混凝土温度变化、应力分布及开裂规律进行了研究. 彭兆锋和易红晟［13］测量了早龄期混凝土内温度场，据此计算了早龄期混凝土的温度应力，并将其温度应力与强度对比，确定了混凝土的开裂规律. 赵智辉等［14］研究了温度影响下混凝土的早期变形特征和凝结时间，并提出了确定混凝土凝结时间的新方法. 张文博等［15］通过观测秋冬季现场养护条件下大体积粉煤灰混凝土早期温度变化规律研究了其抗裂性能. 李潘武等［16］通过研究不同约束条件下的早龄期混凝土屋面板温度应力得出，不同约束条件下早龄期混凝土屋面板不同区域的应力不同，并建议在养护过程中应结合实际情况对其高应力区域进行重点监控，以防范裂缝出现. 早龄期混凝土为养护时间低于标准龄期28 d的混凝土，因为早龄期混凝土的强度并未得到充分发展，所以可能会产生裂纹进而影响其结构安全. 不同水灰比的混凝土试件的水泥含量不同，导致其性能也会不同. 目前对不同水灰比的早龄期混凝土在半绝热状态下的温度变化、应变分布的研究还很少. 鉴于此，本研究采用红外测温装置及数字图像相关设备对不同水灰比的早龄期混凝土在半绝热状态下的温度变化以及应变分布规律进行了分析，以期为混凝土早期开裂机理、裂纹发展及防治的研究提供参考.

1 试验材料与方法

1.1 原材料与配合比

制备早龄期混凝土试件所需的材料包括水泥、砂、水以及一根圆柱形花岗岩骨料，其中水泥、砂和水按一定比例混合即形成砂浆. 制备不同水灰比的早龄期混凝土试件所用的砂浆配合比如表1所示. 水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，砂为天然河砂，圆柱形花岗岩骨料（直径5 cm）如图1所示.

图1 圆柱形花岗岩骨料示意图Fig.1 Schematic diagram of cylindrical granite aggregate

表1 制备不同水灰比的早龄期混凝土试件所用的砂浆配合比Tab.1 Mortar composition for preparing early-age concrete specimens with different water-cement ratios

1.2 试验装置

本研究所使用的红外测温装置为AT-IRSX 长波红外相机（品牌及型号：IRSX-I-336，量程：-40 ℃～135 ℃），应变测量装置为数字图像相关（Digital Image Correlation，简称DIC）设备，DIC 设备包括互补金属氧化物半导体相机（Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS 相机）及对应的分析软件. 使用计算机分别对长波红外相机以及CMOS相机进行控制，如图2所示.

图2 红外测温装置与应变测量装置示意图Fig.2 Schematic diagram of infrared temperature measuring device and strain measuring device

半绝热试验装置包括混凝土模具和保温箱两个部分，如图3所示. 外部的保温箱箱体尺寸为74 cm×74 cm×49 cm，其由1 cm厚的聚丙烯箱体以及20 cm厚的聚氨酯复合保温板组成；内部的混凝土模具箱体尺寸为32 cm×32 cm×31 cm，是由一个尺寸稍小的1 cm厚的聚丙烯箱体和3 cm 厚的聚氨酯复合保温板组成. 由于聚氨酯复合保温板是所有保温材料中导热系数最低的［17-18］，因此选用该材料填充在两个聚丙烯箱体之间用以模拟大体积混凝土水化早期的半绝热状态. 为防止水分渗漏，保证水化反应的正常进行，在混凝土模具箱体内部的聚氨酯复合保温板表面覆盖上一层聚乙烯（Polyethylene，PE）膜，以防止砂浆和聚氨酯复合保温板黏结.

图3 半绝热试验装置示意图（单位：cm）Fig.3 Schematic diagram of semi-adiabatic test device（unit：cm）

1.3 试验方法

根据表1 所示的砂浆配合比制备早龄期混凝土试件，每个早龄期混凝土试件都是24 cm×24 cm×24 cm 的立方体. 早龄期混凝土试件的具体制备步骤如下：首先，将混凝土单骨料固定于混凝土模具中心位置，混凝土单骨料采用圆柱形花岗岩骨料（直径5 cm）；然后将水泥、砂和水按照一定的配合比在搅拌台上混合均匀形成砂浆；最后将砂浆填入混凝土模具中，并将其放置于振动台上振动至表面出浆、气泡不再增多时即可制备出早龄期混凝土试件. 然后将盛放早龄期混凝土试件的混凝土模具放入保温箱中，用红外测温装置对早龄期混凝土试件温度进行实时监测. 待早龄期混凝土试件表面稍固化后，在其表面人为喷洒一些随机的散斑，使用DIC设备对早龄期混凝土试件表面的应变进行观测.

2 试验结果与分析

2.1 温度分析

不同水灰比的早龄期混凝土试件的温度情况如表2所示. 因为水灰比为0.30的早龄期混凝土试件是在初春完成的，所以其环境温度为20.00 ℃，低于另外两组的环境温度. 水灰比为0.30的早龄期混凝土试件是在水化反应至23.50 h时达到最高温，骨料最高温度为47.32 ℃，砂浆最高温度为43.76 ℃；水灰比为0.35的早龄期混凝土试件是在水化反应至19.00 h时达到最高温，且在水化反应至10.30 h时温度上升速度出现折减，骨料的最高温度为50.29 ℃，砂浆的最高温度为47.15 ℃；水灰比为0.40的早龄期混凝土试件是在水化反应至30.00 h时达到最高温，且在水化反应至11.50 h时温度上升速度出现折减，骨料的最高温度为42.12 ℃，砂浆的最高温度为39.72 ℃. 水灰比为0.35和0.40的早龄期混凝土试件在温度上升过程中都出现了升温速度折减现象，原因可能是水泥浆体在水化反应初期反应较为充分，产生的热量较多，升温速度较快，随着水化反应的进行，浆体凝结，能参与水化反应的组分变少，产生的热量有所下降，因而导致升温速度减缓［19-20］. 由表2 可知，在相同环境温度下，水灰比为0.35 的早龄期混凝土试件达到最高温度的时间远远小于水灰比为0.40 的早龄期混凝土试件，说明低水灰比的早龄期混凝土试件的水化速率更快，且其能达到的最高温度更高，骨料与砂浆的温度差值也更大.

表2 不同水灰比的早龄期混凝土试件的温度情况Tab.2 Temperatures of early-age concrete specimens with different water-cement ratios

2.2 应变分析

不同水灰比的早龄期混凝土试件的表面应变云图分别如图4、图5和图6所示，图中黑色圆形代表圆柱形花岗岩骨料. 应变云图按照彩虹色分配，暖色为数值大的应变区，冷色为数值小的应变区，数值大的应变区相连形成应变集中区. 可以看出，不同水灰比的早龄期混凝土试件表面的应变集中区均随着时间的推移越来越明显. 由图4可以看出，水灰比为0.30的早龄期混凝土试件在水化反应至38 h时，其骨料附近并未出现明显的应变集中区，而在水化反应至39 h和40 h，其骨料附近均出现了较为明显的应变集中区，这些区域的应变比周围区域的应变大，可能会导致裂缝的产生，说明水灰比为0.30的早龄期混凝土试件的起裂时间大约在水化反应至39 h后. 由图5可以看出，水灰比为0.35的早龄期混凝土试件在水化反应至34 h时，其骨料附近未出现应变集中区，在水化反应至35 h 和36 h 时，其骨料附近均出现了应变集中区. 由图6 可以看出，水灰比为0.40的早龄期混凝土试件在水化反应至47 h时，其骨料附近未出现应变集中区，在水化反应至48 h和49 h，其骨料附近均出现了应变集中区. 应变集中区的应变比周围区域应变大，可能会导致裂缝的产生，由此可以推测，水灰比为0.35和0.40的早龄期混凝土试件的起裂时间分别在水化反应35 h后和48 h后.结合表2可知，不同水灰比的早龄期混凝土试件的起裂时间均在其达到最高温之后，此时的试件正处于降温期. 通过比较不同水灰比的早龄期混凝土试件的表面应变发现，水灰比越大的早龄期混凝土试件的应变集中区越明显，试件也越容易开裂.

图4 水灰比为0.30的早龄期混凝土试件的表面应变云图Fig.4 Surface strain nephogram of early-age concrete specimen with the water-cement ratio of 0.30

图5 水灰比为0.35的早龄期混凝土试件的表面应变云图Fig.5 Surface strain nephogram of early-age concrete specimen with the water-cement ratio of 0.35

图6 水灰比为0.40的早龄期混凝土试件的表面应变云图Fig.6 Surface strain nephogram of early-age concrete specimen with the water-cement ratio of 0.40

早龄期混凝土的强度发展不充分，很容易产生微裂纹，而这些微裂纹通过肉眼很难捕捉，所以在温度测量以及应变测量结束后，使用放大倍数为40倍的显微镜观察早龄期混凝土试件表面是否有裂纹产生.裂纹产生的原因主要是混凝土拉应力大于对应时刻混凝土的开裂极限应力，因此混凝土拉应力或者拉应变、收缩应变较大且其变形受到较强约束的区域最有可能是其开裂的区域. 由此可以推断出，当早龄期混凝土试件表面出现应变集中区时，该试件表面就可能会出现裂纹，而通过观察不同时刻早龄期混凝土试件的表面应变就能得出其可能开裂的时间. 由图7可以看出，不同水灰比的早龄期混凝土试件表面均有裂纹产生，且裂纹位置均集中在其骨料附近. 结合图4～6可以发现，不同水灰比的早龄期混凝土试件表面产生裂纹的位置基本与其表面的应变集中区位置相对应. 因为骨料附近砂浆的应变比远离骨料砂浆的应变大，且由于界面过渡区的存在，交界面附近的砂浆较为脆弱，所以不同水灰比的早龄期混凝土试件的开裂位置基本分布在其骨料与砂浆的交界处，故应对早龄期混凝土骨料与砂浆交界处的应变进行重点监控，以防裂缝出现.

图7 不同水灰比的早龄期混凝土试件的裂纹图Fig.7 Crack diagrams of early-age concrete specimens with different water-cement ratios

以水灰比为0.35的早龄期混凝土试件为代表，在其骨料与砂浆交界处选取一个测点以分析早龄期混凝土的应变变化趋势，测点示意图如图8所示，应变分析结果如图9所示.

图8 早龄期混凝土试件的应变测点位置示意图Fig.8 Schematic diagram of strain measuring point position of early-age concrete specimen

图9 早龄期混凝土试件的测点应变随时间变化曲线Fig.9 Variation curve of measuring point strain of early-age concrete specimen with time

从图9可以看出，随着水化反应时间的增加，早龄期混凝土试件表面的应变先增大后减小. 在水化反应的86 h内，早龄期混凝土试件表面的应变均为正值，即为膨胀应变. 根据图9中的曲线走势可以推断，随着水化反应时间的继续增加，早龄期混凝土试件表面会出现收缩应变，并且收缩应变会逐渐增大，这是由于早龄期混凝土试件会发生水化反应，此时放热膨胀起主导作用，而随着水化放热的结束，混凝土砂浆中的水分几乎全部蒸发掉，于是混凝土表面的收缩应变开始占主导位置［21］.

3 结论

通过试验比较了不同水灰比的早龄期混凝土试件的半绝热温升情况和表面应变情况，同时根据早龄期混凝土试件的温度分布规律以及表面应变情况对其开裂规律进行了分析，得出以下结论：

1）在相同环境温度下，水灰比越小，早龄期混凝土试件骨料和砂浆的温度就越高，同时其到达最高温的时间也越短.

2）不同水灰比的早龄期混凝土试件表面的应变集中区均出现在其骨料附近，且应变集中区出现的时间均在其最高温度出现之后，而这些应变集中区往往是早龄期混凝土容易开裂的位置. 半绝热状态下，早龄期混凝土的开裂时间基本在其达到最高温度后的一段时间，在这段时间后应注意重点防范温度裂缝的产生.

3）早龄期混凝土表面首先会经历膨胀应变期，且膨胀应变先增大后减小，然后会进入收缩应变期，且收缩应变逐渐增大. 膨胀应变期的长短取决于混凝土的水灰比和内外温差.