高強(qiáng)混凝土自收縮特性研究

崔樹國

（唐山市交通運(yùn)輸局，河北 唐山 063000）

0 引言

混凝土早期收縮開裂問題是目前國內(nèi)外較為關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-2]。為使混凝土使用性能達(dá)到最優(yōu)化，需要對混凝土早期開裂問題進(jìn)行深入研究，不能僅僅把該問題簡單地按照自由收縮的方法進(jìn)行處理，必須考慮混凝土的自收縮應(yīng)力在限制條件下的發(fā)展情況及評估應(yīng)力引起開裂的危險(xiǎn)性。

目前，評估混凝土早期限制收縮開裂的試驗(yàn)技術(shù)主要有三種：具有限制環(huán)的圓環(huán)試驗(yàn)[3]；四周限制的平板試驗(yàn)；具有外部限制的軸向拉伸試驗(yàn)。它們的技術(shù)特點(diǎn)如下：a）圓環(huán)型試驗(yàn)是評估混凝土塑性收縮開裂和硬化混凝土開裂最常用的方法，混凝土環(huán)澆注在一個(gè)限制環(huán)的周圍（通常是鋼環(huán)），以限制混凝土的收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而觀察到開裂情況；b）軸向拉伸試驗(yàn)通過約束混凝土條形試件的軸向變形和測量試件的應(yīng)力來檢測試件在不同條件下的開裂行為，了解混凝土內(nèi)部應(yīng)力，以直接了解混凝土開裂的危險(xiǎn)程度，從而較好地預(yù)測混凝土的抗裂性能；溫度—應(yīng)力試驗(yàn)是軸約束試驗(yàn)的一種，在軸向約束的基礎(chǔ)上控制試件的環(huán)境溫度，檢測試件在絕熱或半絕熱溫度條件下的應(yīng)力發(fā)展，國內(nèi)外對此種試驗(yàn)方法都有所研究[4-6]；c）平板試驗(yàn)主要用來評價(jià)纖維降低塑性收縮開裂的效果[7]，具體試驗(yàn)方法是把混凝土澆筑在1m×1m板上，板的四周埋入限制鋼筋，其表面用電扇吹干，用混凝土開裂程度的大小來評價(jià)混凝土的性能。本文參考平板試驗(yàn)方法，考察限制條件下高強(qiáng)砂漿板自收縮開裂的形貌特征。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)所用原材料主要有：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)度模數(shù)2.6的河砂；5～20mm連續(xù)級配的碎石；比表面積為700m2／kg的磨細(xì)粒化高爐礦渣；比表面積為390m2／kg 的二級粉煤灰；比表面積為1830m2／kg的硅灰；比表面積為340m2／kg的自制石灰石粉；市場銷售的鈣礬石型膨脹劑UEA。

1.2 自收縮應(yīng)變、應(yīng)力的測量

模具尺寸為100mm×100mm×400mm。1mm厚聚四氟乙烯（PTFE）置于模具底部，3mm厚泡沫聚苯乙烯層置于端蓋，0.1mm厚聚脂薄放置于PTFE和聚苯乙烯及模具側(cè)表面。模具的兩個(gè)端蓋各開一個(gè)直徑為12mm的洞。限制配筋為0.6m長φ10mm的螺紋鋼筋。測量用具為千分表。新拌混凝土澆入試模后，立即開始測量，養(yǎng)護(hù)24h后從模具中移開，之后繼續(xù)測量，樣品置于兩個(gè)棍子上以防止摩擦受限。樣品在（20±3）℃、RH80%環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。測量過程中，試樣中埋入溫度傳感器，測量水化溫升，其造成的熱膨脹值從測量結(jié)果中扣除。測量裝置如圖1所示。

圖1 測量裝置示意圖

自收縮應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：E——鋼筋的彈性模量，取2.1×105MPa；

As——鋼筋的橫截面積；

Ac——混凝土的橫截面積；

ε——自收縮應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能及自收縮應(yīng)力應(yīng)變

普通混凝土、礦渣混凝土及硅灰混凝土的配合比及其物理性能列于表1中，1～3#試樣的膠凝材料總量為500kg／m3，其自收縮應(yīng)變及應(yīng)力如圖2所示；4～6#試樣的膠凝材料總量為600kg／m3，其自收縮應(yīng)變及應(yīng)力如圖3所示。

表1 1～6#試樣混凝土配合比、坍落度及28d強(qiáng)度

圖2 500kg/m3膠凝材料量的混凝土的自收縮應(yīng)變和應(yīng)力

圖3 600kg/m3膠凝材料量的混凝土的自收縮應(yīng)變和應(yīng)力

由表1可知，混凝土摻加礦渣和硅灰后，28d強(qiáng)度明顯提高，摻硅灰混凝土增加幅度最大。但是，在其他條件基本不變的情況下，膠凝材料用量從500kg／m3增加到600kg／m3并不能使混凝土的強(qiáng)度提高，因此，高強(qiáng)混凝土的膠凝材料用量應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。但膠凝材料用量的增加使新拌混凝土的坍落度得到提高，改善了混凝土的工作性。

由圖2可知，在本試驗(yàn)中，礦渣混凝土的自收縮最大，硅灰混凝土自收縮最小，這可能是因?yàn)楣杌一炷恋脑缙趶?qiáng)度發(fā)展很快，使得試件本身強(qiáng)度和剛度較高，抵抗自收縮影響能力較強(qiáng)，結(jié)果表現(xiàn)為較小的自收縮率。作者對低水灰比的硅灰混凝土的自收縮變化情況進(jìn)行28d觀測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：硅灰混凝土自收縮率在7d以后隨齡期發(fā)展加快，14d以后自收縮值便超過不摻硅灰的試塊。

對比圖2和圖3可以看出，當(dāng)單位膠凝材料用量從500kg／m3增加到600kg／m3時(shí)，普通混凝土和硅灰混凝土的自收縮應(yīng)變基本沒有變化，而礦渣混凝土的自收縮應(yīng)變則有較大的增加，10d的自收縮應(yīng)變增加了27%，這說明在W／C比值相同的條件下，增加礦渣混凝土單位體積內(nèi)膠凝材料總量，會導(dǎo)致較大的自收縮，因此工程中在保證強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少膠凝材料的摻量。

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，控制膠凝材料總量為600kg／m3不變，用石灰石粉、粉煤灰和膨脹劑作為混凝土摻合料，混凝土（7～9#試樣）的配合比及其物理性能列于表2中，自收縮應(yīng)變及應(yīng)力如圖4所示。

表2 7～9#試樣混凝土配合比、坍落度及28d強(qiáng)度

圖4 7～9#試樣混凝土的收縮應(yīng)變和應(yīng)力隨時(shí)間的變化

由表2可知，與純水泥混凝土相比，摻石灰石粉不降低混凝土強(qiáng)度，坍落度有所提高；摻粉煤灰及膨脹劑明顯提高了混凝土的強(qiáng)度，坍落度并不損失。由圖4可知，石灰石粉比粉煤灰對混凝土的自收縮抑制效果更好，通過對比圖4與圖3也可以看出，摻石灰石粉及粉煤灰的混凝土，其自收縮大大小于普硅水泥混凝土。膨脹劑對于降低混凝土自收縮的早期作用明顯，甚至能使試塊膨脹，這是因?yàn)榕蛎泟┰谠缙诜磻?yīng)生成了鈣礬石；但在水化2d以后，隨著鈣礬石生成速度的變慢及水泥水化的繼續(xù)進(jìn)行，混凝土試件不再繼續(xù)膨脹，開始有所收縮；6d后又有所膨脹，可能是由于濕養(yǎng)護(hù)不足時(shí)，膨脹劑未反應(yīng)的組分在適合條件下產(chǎn)生二次鈣礬石（Delayed Ettringite Formation）所造成的。

2.2 水泥砂漿板自收縮特性的研究

本試驗(yàn)參考平板試驗(yàn)方法，考察了限制條件下高強(qiáng)砂漿板自收縮開裂形貌特征。具體試驗(yàn)方法是：在長×寬×深為90cm×60cm×2cm的木板上先覆蓋一層光滑的塑料薄膜，然后在板的四周放入限制鋼筋框，其尺寸為86cm（長）×56cm（寬），水泥砂漿澆筑在木板上后，其表面再用聚脂薄膜密封，觀察砂漿在限制條件下的形貌特征。試樣養(yǎng)護(hù)條件為（20±2）℃，試驗(yàn)中測量砂漿板的最高溫升為21.8℃，因此可以忽略冷縮的影響。砂漿的配合比如表3所示。

表3 三種砂漿的配合比

砂漿板成型養(yǎng)護(hù)30d后，觀察其是否出現(xiàn)裂紋或裂紋的長度和寬度。觀察結(jié)果顯示，純水泥砂漿板沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，摻礦渣和硅灰的砂漿板出現(xiàn)不同程度的裂紋，并且硅灰砂漿板裂紋更為顯著（見圖5和圖6）。由此可見，摻加礦渣及硅灰等高活性混合材會顯著增加水泥混凝土的開裂危險(xiǎn)性。

圖5 礦渣混凝土板自收縮開裂圖

圖6 硅灰混凝土板自收縮開裂圖

3 結(jié)論

3.1 磨細(xì)礦渣和硅灰替代部分水泥作膠凝材料會顯著增加混凝土的自收縮，但是二者影響自收縮變化的規(guī)律不同：礦渣混凝土自收縮發(fā)展最快，硅灰混凝土水化開始7d內(nèi)自收縮率小于普通水泥混凝土和礦渣混凝土，7d后自收縮發(fā)展加快，14d后自收縮率最大。

3.2 將膠凝材料用量從500kg／m3增加到600kg／m3，普通混凝土和硅灰混凝土的自收縮應(yīng)變基本沒有變化，而礦渣混凝土的自收縮應(yīng)變則有較大的增加。

3.3 摻石灰石粉能夠在不降低混凝土強(qiáng)度的前提下提高混凝土坍落度；摻粉煤灰及膨脹劑能夠在不降低混凝土坍落度的前提下提高混凝土強(qiáng)度。石灰石粉和粉煤灰都能明顯抑制混凝土的自收縮，石灰石粉的效果最好。膨脹劑對于降低混凝土自收縮的早期作用明顯，后期有所波動。

3.4 通過砂漿板試驗(yàn)可以觀察到礦渣水泥砂漿和硅灰水泥砂漿在水化30d時(shí)產(chǎn)生自收縮開裂，并且硅灰砂漿板裂紋更為顯著。

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