大坝混凝土早龄期温度变化下自收缩变形研究

张秀磊

(山东省临沂市河东区汤河镇农业综合服务中心，山东 临沂 276026)

0 引 言

由于高掺量粉煤灰混凝土(HCFA)[1]具有减小和降低热开裂风险的优点而大量应用在大坝建造工程中。为响应国家绿色、健康发展的号召，建造耐久性强、绿色的大坝，大量学者对掺有粉煤灰的混凝土开展了深入的研究，代表性成果是粉煤灰含量高达80%的粉煤灰混凝土(UHVF)，这种混凝土目前也广泛用在筑坝工程当中[2]。对于大坝而言，最重要的是其抗开裂性，但目前研究人员并未全面、深入地研究UHVF的抗开裂性能，因此对UHVF自身的收缩变形特性的报道也较少。

由于水泥在形成初始结构后，会开始发生收缩变形，这是由水泥持续发生的水化反应导致的，其收缩规律受多种因素的影响，如粗细骨料的占比、矿物种类、水泥的品种、水胶比、养护时间和方式等。国内部分研究成果也揭示了混凝土收缩变形与浇筑时环境温度之间的关系。根据CEB-FIP较为成熟的理论基础，Tazawa等[3]首次提出了混凝土的收缩变形会受到养护温度影响的理论，并给出“等效龄期”函数，这一概念是通过观察混凝土在标准养护下的收缩变形规律来对某种养护温度条件下混凝土的收缩变型规律进行研究，该函数对范围在10℃～40℃内的混凝土收缩变形具有较好的预测效果。在实际的筑坝工程中，因为水泥水化放热和外界工程条件会对混凝土强度造成影响，所以养护大坝混凝土时通常是采取温度可变的模式，但目前国内研究变温养护条件下混凝土变形规律的成果和结论还比较少[4]。

为了研究UHVF自收缩性在早期时的变化特性，本文借助温度应力试验机设置两种养护温度开展室内模拟试验。以某大坝筑坝原材料为例，配置粉煤灰含量达80%的UHVF混凝土，并设置两种温度变化过程，对其开展温度-应力试验(Tempera-stress tester，简称为TST)，根据试验结果得出其早龄期的热膨胀系数，最后将其收缩变形从总体变形中剥离出来，以此探究大坝混凝土在温度改变的情况下，自身收缩变形的发展规律。

1 温度-应力试验

1.1 材 料

本文以某地区水库大坝为背景，该坝顶高程222 m，坝长310 m，筑坝混凝土配合比见表1，以单位立方米混凝土进行计算。配置粉煤灰含量较多的混凝土时，选用的是“等浆体积法”。试验过程中，所用的混凝土均选用同样的原材料：聚羧酸高效减水剂、银凯NOF-AE引气剂、粗细骨料都选自人为碾碎的花岗岩、粉煤灰为F类Ⅲ级、普通硅酸盐水泥选用华新牌。

表1 筑坝混凝土配合比 /kg·m-3

1.2 试验所用的设备

温度-应力试验机[5]为此次试验所用的设备，英文名为Temperature-stress tester machine(TSTM)。TST试验的试样为两个试样：一个为平行试样；一个为自主试样，两个试样大小一致，外形均类似棒骨头。其中，自主试样受约束，平行试样不受控制，只参与测量，可以自由变形。样品有效长度处的截面是正方形，边长为150 mm，有效长度是截面尺寸的10倍，为1 500 mm。两侧装有能够控制温度的模板，可以控制和实时跟踪试样环境温度，以达到保证试样内部温度与周围环境温度相一致的目的。该设备能够满足多种模式的试验，主要包括：

1) 第一种模式为近似绝热温升。表示可以让混凝土的水化不受限制，模板内的特殊介质可以实现对混凝土内部温度实时跟踪测量的目的，在温度达到最大值后，可以保持一段时间的恒温，再以可控速度进行降温；直到试样破坏。

2) 第二种为数据存档模式。即在试验开始前就将温度变化曲线设置好，并可控制试验中试样周围的环境。

3) 第三种模式为恒温模式。即可以使混凝土的水化反应在恒温环境中进行，并且TSTM系统中布置的数据收集器会把试样的温度变化、应力应变的变化历程详尽地记录下来。

当试件变形阈值到达1 μm后，电机开始工作，将试样拉回到原点，这样能够保证试样不会在长度上发生变化。并且TSTM可以通过控温板来控制试样温度，可以开展变温和等温试验。TST每组中两个试样具有相同的养护模式。

1.3 试验操作步骤

开始试验前，在模板两侧刷一道底油，贴上尺寸大小一致的透明塑料膜，完成这些之后再把混凝土倒入模具。为了避免砂浆渗透，将铜版纸放置在试样两头的圆弧处。在自由试样和约束试样的模板中，分别倒入刚配置好的混凝土，并分两层倒入。为了避免试样两端应力集中而断裂，要把短钢筋放置在模板两端。注意在浇筑混凝土时，要持续不断地用振动棒对其进行振捣，避免有过多气泡，以保证混凝土的密实性。然后对试样表面进行抹平，同时为了避免外界水分对混凝土式样造成影响，要用塑料薄膜将试样密封处理。装好试样后，打开系统的操作界面，对温度变化过程进行设置，并把温度的变化过程同步输入到试验机器上，点击开始试验，试样开始被拉伸，直至受约束的样品被拉断。假如出现温度降低到最低处时还未拉断试样，这时需要人工进行干预来把试样拉断。本次试验全部过程均在室内进行，室内温度不变。试验过程中温度控制有两种模式：一种是TMC(温度匹配)模式，一种是绝热养护模式。大坝混凝土的应力随温度变化试验就是在这两种模式下进行的。

2 试验结果和讨论

2.1 应力随温度变化的试验结果

TST试验中，数据收集系统对试样的应变过程、温度发展进行了记录。图1为混凝土在绝热和TMC模式下温度变化过程中的应变与实测温度之间的关系曲线。可以看出，F80混凝土即便是在机器达到温控最低值-15°时也未发生破坏断裂，而是采取了人工干预使其断开。

图1 大坝混凝土的自由应变及温度发展曲线

2.2 温度变化时大坝混凝土收缩变形分析

本文对大坝混凝土等效龄期的计算选用两种模型，分别是Pedersen和Freiesleben模型，图2为实际-等效龄期之间的关系。此关系中，对体积比较大的混凝土失水收缩未作考虑，假定自生体积应变和温度变形之和就是它的总变形，表达式为：

图2 混凝土等效及实际龄期间的转换

εtot=εT+εA

(1)

εtot(t)=∑αT(t)·ΔTi+εA(t)

(2)

式中：εtot为自由应变；εT为温度应变；αT(t)为ΔTi时间范围里热膨胀系数；εA为自由应变。

以现有学者提出的热膨胀系数模型为基础[8]，与式(1)、式(2)相结合，能够将其自收缩变形分离出来。因为筑坝所用混凝土在凝结之前是可流动状态，自由试样不会出现应力积累的情况，不会对其抗裂性能造成影响。所以，在记录变形分离这个过程时，计算要从混凝土初步凝结时开始，其初凝时间为28.6 h，终凝时间为39.5 h。在不同温度模式下养护的大坝混凝土，从初凝开始积累至168 h时等效龄期的自收缩变形、温度变形、早龄期自由变形的变化曲线见图3和图4。

图3 绝热养护模式下大坝混凝土的应变发展图

图4 匹配养护模式下大坝混凝土的应变发展图

3 对某地区大坝混凝土自收缩变形的分析与讨论

有研究显示，大坝混凝土的自收缩变形速度在浇筑后的48h内有较快的增长。因为本文在此次试验中设计的龄期不长，所以对大坝混凝土变形情况选定的等效龄期为7d(168 h)。F80大坝混凝土的温度应变出现偏小的情况是因为其在龄期开始阶段的变化较为平缓，因为水泥的水化反应速度原本就要大于粉煤灰的速度，随着混凝土里粉煤灰的占比不断增加，有效水胶比因粉煤灰的增多而被增多，混凝土内部的水分会随着水化反应的持续进行而减少，而有效水胶比的增加却会延缓这种趋势，以此限制了自收缩的变形。

通过设置两种不同的温度模式对混凝土进行养护，并开展应力试验，以此得出该地区大坝混凝土自身变形与养护龄期之间的关系，见图5。

图5 两种温度变化过程下等效龄期和自收缩变形关系对比图

从图5中可以看出，TMC比绝热模式下的自收缩变形要小，虽然两种模式下试样具有一样的等效龄期，但它们的收缩变形却存在着一些差异。这一表现反映出想要精准预测混凝土的收缩变形，仅仅采用“等效龄期”这一种方式是不太可行的，预测的结果会有较大的偏差。产生这种现象的具体原因是凝胶体的孔隙结构、相对湿度、水化过程等微观变化会受到养护温度的影响，且受影响程度较大。但在实际施工过程中，筑坝混凝土往往会受到外界很多因素的影响，其养护过程中的温度不是一成不变的，这就势必会影响到大坝混凝土自收缩变形的预测。为了更精准地对变温度养护过程中大坝混凝土收缩变形的预测，还需要对现有预测模型进行改进，提出实用性更强、预测精度更高的模型。

4 结 论

本文选取TMC模式和绝热模式这两种温度变化过程对某地区大坝混凝土开展了温度-应力试验，结果如下：

1) 可以通过将温度变形从龄期刚开始时的自由应变里剥离出来的方法，来得到其在早期时的自收缩变形。并且大坝混凝土的自收缩会随时间的变化而变化，温度变化过程也会对其自收缩变形产生影响。

2) 当混凝土类别一样时，其在温度匹配模式情况下的自收缩变形要小于绝热模式下的自收缩变形。

3) 基于实验结果对比发现，目前的“等效龄期”预测法仍存在一些缺点，需要深入研究并改进。