摻礦渣的高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變試驗(yàn)研究

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(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；3.浙江華威建材集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018)

摻礦渣的高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變試驗(yàn)研究

楊楊1,2，陳瑨1，樓曉天1，倪彤元1,2，王章夫3

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；3.浙江華威建材集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018)

對含活性礦物摻合料高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變特性的研究，能夠?yàn)榉燮诟邚?qiáng)混凝土的高精度應(yīng)力解析及開裂預(yù)測提供重要參數(shù).以0.3水膠比、50%礦渣摻量的高強(qiáng)混凝土為對象，利用本研究團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)的早齡期拉伸基本徐變試驗(yàn)裝置，對在不同加載應(yīng)力強(qiáng)度比(0.2，0.3，0.4)和不同加載齡期(1，2，3，5，7 d)情況下的混凝土早齡期拉伸徐變進(jìn)行了試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：2 d及之后的加載齡期下不同應(yīng)力強(qiáng)度比的比徐變經(jīng)時(shí)變化曲線基本重合，比徐變表現(xiàn)出較明顯的線性特征.加載齡期對于徐變的影響在3 d之前加載時(shí)特別明顯，7 d及之后加載齡期對徐變基本無影響.

拉伸徐變；早齡期；礦渣；高強(qiáng)混凝土

高強(qiáng)混凝土早期體積變化大，容易發(fā)生早期開裂已經(jīng)成為研究人員的共識(shí)[1].混凝土開裂的評價(jià)要素包括體積變化(脹縮區(qū)分、數(shù)值大小和發(fā)展速度)，約束程度(周邊結(jié)構(gòu)、基層種類和應(yīng)變梯度)，以及力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變和拉伸徐變)等.其中早齡期拉伸徐變是評價(jià)早齡期開裂的一個(gè)重要指標(biāo)[2].現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)：對于結(jié)構(gòu)中受約束的混凝土，尤其是對早齡期混凝土，徐變能夠松弛其60%以上體積變化造成的拉應(yīng)力，即徐變在緩解拉應(yīng)力，延緩開裂方面起著重要作用[3].而目前關(guān)于高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變的研究較少[4]，研究含活性礦物摻合料高強(qiáng)混凝土的早齡期拉伸徐變更是寥寥[5]，對早齡期拉伸徐變的評價(jià)大多數(shù)直接應(yīng)用成熟混凝土的壓縮徐變研究成果，其誤差較大[6-7].可見：在摻合料廣泛使用的現(xiàn)今[8]，研究含活性礦物摻合料的高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變特性具有重要的理論與實(shí)踐意義.

筆者以0.3水膠比、50%礦渣摻量的高強(qiáng)混

凝土為研究對象，在與外界無水分交換條件下，試驗(yàn)探究不同加載應(yīng)力強(qiáng)度比(0.2，0.3，0.4)和不同加載齡期(1，2，3，5，7 d)的早齡期拉伸徐變特性，也即不考慮干燥影響的拉伸徐變(拉伸基本徐變).

1 試驗(yàn)概要

1.1 原材料與配合比

采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度3 100 kg/m3；細(xì)骨料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.40，密度2 630 kg/m3；粗骨料為碎石，粒徑5～31.5 mm，密度2 950 kg/m3；減水劑為聚羧酸系高效減水劑；礦渣為S95級(jí)礦渣.混凝土的水膠比為0.3，拌合物的坍落擴(kuò)展度控制在(530±20) mm以滿足高流動(dòng)性要求.混凝土的配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比1)Table 1 Mix proportions of the concrete

注：1) C為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；W為水；S，G分別為砂、石；BS為S95級(jí)礦粉；A=S+G；2) SP為聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗(yàn)方法

由于在徐變測定的同時(shí)，混凝土?xí)l(fā)生非荷載引起的變形(如自收縮和溫度變形)，為得到準(zhǔn)確的徐變值必須將這種變形扣除.因此，本研究對自由收縮和拉伸徐變同時(shí)進(jìn)行測定.兩種試件來自同一批次混凝土，試件的尺寸統(tǒng)一為100 mm×100 mm×400 mm，每組均采用2個(gè)平行試件.混凝土入模后即時(shí)包裹塑料薄膜，放置在溫度為(20±1) ℃的室內(nèi)，并覆蓋潮濕無紡布養(yǎng)護(hù).

自由收縮試件拆模后依次用塑料膜和鋁箔膠帶密封，保證試件與外界無水分交換，齡期為12 h時(shí)開始測量自由收縮.拉伸徐變試件成型至1 d加載齡期前拆模，同樣用塑料膜和鋁箔膠帶將其密封，對應(yīng)加載齡期前在試件兩側(cè)需粘貼應(yīng)變片處先薄涂膠粘劑，待其硬化后在其上粘貼應(yīng)變片.至所設(shè)定的加載齡期(1，2，3，5，7 d)時(shí)施加對應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度比(0.2，0.3，0.4)的拉伸荷載，同時(shí)測定上述條件下的總應(yīng)變.自由收縮的測定系統(tǒng)和拉伸徐變的加載測量裝置均采用了本研究團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)的方法[9-10].該裝置由加載和量測兩部分構(gòu)成，可對上述2試件同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平方向拉伸加載.加載部分的油泵、千斤頂控制加載速度和荷載大小，壓縮彈簧用以維持荷載恒定，試件兩端與試件之間通過萬向軸承連接以保證軸心受拉，這部分在槽鋼上實(shí)現(xiàn)自平衡.量測部分由設(shè)置在試件兩端的荷載傳感器、試件兩側(cè)粘貼的電阻應(yīng)變片、試件中埋設(shè)的熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，并予以監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集.

2 結(jié)果與討論

2.1 自收縮應(yīng)變

密封狀態(tài)下混凝土試件的自由收縮應(yīng)變包括了自收縮和溫度應(yīng)變，通過測得的自由收縮應(yīng)變扣除對應(yīng)溫度應(yīng)變得到自收縮應(yīng)變.圖1為非荷載作用下自收縮應(yīng)變從0.5～28 d的經(jīng)時(shí)變化曲線.由圖1可知：摻50%礦渣高強(qiáng)混凝土的自收縮在3 d內(nèi)發(fā)展較快，自收縮應(yīng)變達(dá)到216×10-6，占28 d自收縮應(yīng)變的54.1%，尤其在1 d內(nèi)自收縮發(fā)展得十分迅速，自收縮應(yīng)變達(dá)到120×10-6，占到28 d應(yīng)變值的30.0%，3 d齡期往后自收縮速率開始逐漸減緩，最終28 d時(shí)自收縮應(yīng)變達(dá)到約400×10-6.由自收縮試件的溫度變化曲線可以看出：摻50%礦渣的高強(qiáng)混凝土水化的溫升最高點(diǎn)出現(xiàn)在齡期為14 h左右，且于2 d左右回落至養(yǎng)護(hù)溫度.

圖1 自收縮應(yīng)變的經(jīng)時(shí)變化Fig.1 Time dependent change of autogenous shrinkage strain

相同水灰比下，葉德艷[5]在不含摻合料的高強(qiáng)混凝土自收縮研究中發(fā)現(xiàn)：1 d的自收縮應(yīng)變達(dá)到85×10-6，占30 d自收縮應(yīng)變的26%.通過對比發(fā)現(xiàn)：摻礦渣的1 d自收縮不僅應(yīng)變值大而且速率也快，礦渣早期能加劇收縮.楊超越、陳波等在摻粉煤灰、礦渣的高強(qiáng)高性能混凝土自收縮特性研究中也得出過摻礦渣混凝土自收縮速率的類似結(jié)論[11].這可能是由于較細(xì)的礦渣微粉的二次水化反應(yīng)引起的毛細(xì)孔負(fù)壓和內(nèi)部相對濕度的降低一定程度上加劇了早期自收縮.

2.2 基本拉伸徐變

拉伸徐變試件的全應(yīng)變包括了彈性應(yīng)變、自收縮應(yīng)變、溫度應(yīng)變和基本徐變應(yīng)變.由圖2中自由收縮試件和拉伸徐變試件的內(nèi)部溫度對比可以看出：加載后兩者的溫差在0.5 ℃內(nèi)，即兩者之間的溫度應(yīng)變相差甚小.因此，為得到基本徐變只需從測得的全應(yīng)變中扣除測得的自由收縮應(yīng)變和加載時(shí)的彈性應(yīng)變即可，可忽略溫度應(yīng)變的影響.

圖2 混凝土試件內(nèi)部溫度經(jīng)時(shí)變化曲線Fig.2 Time dependent change of internal temperature of concrete specimens

圖3(a)是加載齡期為1 d時(shí)，三個(gè)不同應(yīng)力強(qiáng)度比情況下的基本徐變經(jīng)時(shí)變化曲線.可以看出：應(yīng)力強(qiáng)度比越大，拉伸基本徐變值也越大，鑒于其他四個(gè)齡期也有相同結(jié)論.可以認(rèn)為：摻50%礦渣的高強(qiáng)混凝土在同一加載齡期時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度比越大，基本徐變越大.圖3(b)是應(yīng)力強(qiáng)度比為0.3時(shí)，不同加載齡期情況下的基本徐變曲線，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：加載齡期為1 d時(shí)基本徐變最大，2 d其次，7 d時(shí)最小.但1，2 d加載時(shí)的基本徐變應(yīng)變在加載后期差別不大，而3，5，7 d加載時(shí)的基本徐變應(yīng)變則較為接近；在齡期為28 d時(shí)，前者(1，2 d加載)的基本徐變值約是后者(3，5，7 d加載)的2倍，0.2，0.4應(yīng)力強(qiáng)度比情況下同樣有這種現(xiàn)象.這可能是由于1，2 d加載齡期時(shí)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚未密實(shí)，內(nèi)部的可移動(dòng)凝膠水較多[12]，表現(xiàn)出了較大的徐變能力；隨著礦渣的二次水化的進(jìn)行，3 d齡期以后混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨致密，內(nèi)部可移動(dòng)的凝膠水較少，徐變能力較小，因而加載齡期對徐變的影響減弱.

圖3 拉伸基本徐變Fig.3 Basic tensile creep

2.3 拉伸徐變特性

為描述拉伸徐變變化規(guī)律，通常通過分析比徐變、徐變系數(shù)和徐變速度等基本特征參數(shù)對徐變進(jìn)行評價(jià).首先從比徐變(單位應(yīng)力作用下的徐變應(yīng)變)這一特征參數(shù)來研究應(yīng)力強(qiáng)度比和加載齡期對拉伸徐變的影響.圖4為不同加載齡期和不同應(yīng)力強(qiáng)度比情況下的比徐變經(jīng)時(shí)變化曲線，可以看出：摻50%礦渣的高強(qiáng)混凝土在加載齡期為1 d時(shí)不同應(yīng)力強(qiáng)度比的比徐變差異較其之后的加載齡期稍大，在2 d及以上齡期加載時(shí)，不同應(yīng)力強(qiáng)度比下的比徐變經(jīng)時(shí)變化曲線基本重合，比徐變表現(xiàn)出較明顯的線性特征，可認(rèn)為在2 d及以上齡期加載時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度比對比徐變基本無影響.基于成熟齡期普通混凝土壓縮徐變的Davis-Granville法則認(rèn)為：當(dāng)加載應(yīng)力強(qiáng)度比為0.4以內(nèi)時(shí)，徐變與作用應(yīng)力成線性關(guān)系，即任意加載齡期下的混凝土比徐變曲線應(yīng)重合[12].由以上分析，可認(rèn)為Davis-Granville法則對摻加50%礦渣的高強(qiáng)混凝土拉伸徐變在2 d及以上齡期加載的情形下也是基本適用的.

圖4 不同加載齡期和不同應(yīng)力強(qiáng)度比的比徐變Fig.4 Specific creep at different loading ages and stress/strength rate

比較圖4中同一應(yīng)力強(qiáng)度比(如0.3)不同加載齡期的比徐變曲線，可以發(fā)現(xiàn)：加載齡期為1，2 d 的比徐變較其之后齡期的比徐變大得多，比徐變數(shù)值也隨著加載齡期的推移在不斷減小，加載齡期為3，5，7 d時(shí)的比徐變曲線較為接近，可認(rèn)為在7 d及其之后加載時(shí)加載齡期對于徐變基本無影響.

再通過徐變系數(shù)(徐變應(yīng)變與加載時(shí)的彈性應(yīng)變之比)和徐變速度(單位持荷時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的比徐變)來研究加載齡期對于拉伸徐變的影響.圖5為0.3應(yīng)力強(qiáng)度比不同加載齡期的徐變系數(shù)經(jīng)時(shí)變化曲線.可以看出：加載齡期為1，2 d時(shí)的比徐變系數(shù)較其之后齡期的差異很大，表明此加載齡期對于拉伸徐變的影響相當(dāng)敏感，此時(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚未密實(shí)，彈性模量較低，所以徐變系數(shù)增長較快，而3，5，7 d時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本密實(shí)，徐變差異較小.圖6是0.3應(yīng)力強(qiáng)度比情況下的徐變速度比較，徐變速度(0～2 d)定義為加載后持荷2 d內(nèi)平均每天完成的比徐變.由(0～2 d)的曲線可以看出：1，2 d加載時(shí)的徐變速度大，徐變能力較強(qiáng)，即加載齡期越早，徐變速度越快且徐變能力越強(qiáng).隨著加載齡期的推移，3 d加載齡期時(shí)的徐變速度已經(jīng)明顯減小.比較0～2，2～7，7～28 d的三條曲線可以發(fā)現(xiàn)：7 d加載齡期時(shí)，各個(gè)時(shí)間段徐變速度都很小且非常接近，可認(rèn)為在7 d及其之后加載時(shí)加載齡期對于徐變基本無影響.其他應(yīng)力強(qiáng)度比情況下有同樣的結(jié)果.

圖5 0.3應(yīng)力強(qiáng)度比下的徐變系數(shù)Fig.5 Creep coefficient at stress/strength rate of 0.3

圖6 徐變速度與加載齡期關(guān)系Fig.6 Relationship between creep rate and loading age

3 結(jié) 論

通過對摻50%礦渣的高強(qiáng)混凝土早齡期拉伸徐變的試驗(yàn)研究，并對其自收縮、拉伸基本徐變、比徐變、徐變系數(shù)和徐變速度等特性的分析，得出如下結(jié)論：摻50%礦渣高強(qiáng)混凝土的自收縮在3 d內(nèi)發(fā)展較快，尤其在1 d內(nèi)發(fā)展得十分迅速，3 d齡期往后自收縮速率開始逐漸減緩.拉伸徐變試件所施加的應(yīng)力強(qiáng)度比越大，基本徐變越大，同時(shí)加載齡期越早，基本徐變越大，但3 d及以后加載時(shí)摻礦渣高強(qiáng)混凝土的基本徐變差異較小.加載齡期為1 d時(shí)不同應(yīng)力強(qiáng)度比的比徐變差異較其之后的加載齡期稍大，在2 d及以上齡期加載時(shí)，比徐變經(jīng)時(shí)變化曲線基本重合，比徐變表現(xiàn)出較明顯的線性特征，應(yīng)力強(qiáng)度比對比徐變基本無影響.加載齡期對于徐變特性的影響在1，2 d時(shí)尤為顯著，其后齡期3，5，7 d加載時(shí)的比徐變和徐變系數(shù)曲線都較為接近，徐變速度也較小，7 d及其之后加載時(shí)加載齡期對徐變基本無影響.

[1] 唐明述.談水泥基材料的體積穩(wěn)定性[J].中國建材,2002(3):35-36.

[2] 國愛麗,巴恒靜.高性能混凝土早期抗裂研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,46:72-76.

[3] 楊楊,許四法,葉德艷,等.早齡期高強(qiáng)混凝土拉伸徐變特性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2009,37(7):1124-1129.

[4] 汪建群,許巧,方志,等.早齡混凝土的壓縮與拉伸徐變及其研究現(xiàn)狀[J].土木建筑與環(huán)境工程,2016，38(5)：122-129.

[5] 葉德艷.早齡期高性能混凝土拉伸徐變研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2008.

[6] COSTA I, BARROS. Tensile creep of a structural epoxy adhesive: experimental and analytical characterization [J].International journal of adhesion & adhesives,2015,59:115-124.

[7] HILAIRE A, BENBOUDJEMA F, DARQUENNES A, et al. Modeling basic creep in concrete at early-age under compressive and tensile loading[J].Nuclear engineering & design,2014,269(4):222-230.

[8] 曾洪波,江晨暉,胡丹霞,等.復(fù)合外摻料對高性能水泥膠砂性能的影響[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(4):456-459.

[9] 楊楊,蔡陽,江晨暉,等.埋入式低彈?；炷翍?yīng)變傳感器的研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,43(4):450-454.

[10] 葉德艷,楊楊,洪鐘,等.高性能混凝土早期拉伸徐變的實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(3):285-289.

[11] 楊超越,陳波,江晨暉,等.摻粉煤灰、礦渣的高強(qiáng)高性能混凝土的自收縮實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江建筑:2015,32(6):50-53.

[12] NEVILLE A M, DILGER W H, BROOKS J J. Creep of plain and structural concrete[M]. New York: Construction Press,1983.

(責(zé)任編輯：陳石平)

Experimentalstudyontheearly-agetensilecreepofhighstrengthconcretecontainingblastfurnaceslag

YANG Yang1,2, CHEN Jin1, LOU Xiaotian1, NI Tongyuan1,2, WANG Zhangfu3

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310014, China;3.Zhejiang Huawei Building Materials Group Co., Ltd., Hangzhou 310018, China)

Investigation on the early-age tensile creep behavior of high strength concrete containing active mineral admixtures can provide the important parameters for high-precision stress analysis and crack prediction. In this paper, the basic early-age tensile creep behavior of high strength concrete with 50% blast furnace slag and 0.3 water-binder ratio is studied experimentally. An early-age tensile basic creep testing apparatus designed by our research group is used and the effects of the stress/strength ratio (0.2,0.3, and 0.4) and the loading age (1,2,3,5, and 7 days) on the behavior of basic tensile creep are discussed. The test results show that the creep curves with linear features are substantially coincident for different stress/strength ratios when the loading age is larger than or equal to two days. The effect of the loading age on creep is particularly pronounced when the loading age is smaller than three days but is negligibly small when the loading age is larger than seven days.

tensile creep; early age; blast furnace slag; high strength concrete

2017-02-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378471)

楊 楊(1962—)，男，江蘇揚(yáng)中人，教授，博士，研究方向?yàn)楦邚?qiáng)高性能混凝土，E-mail:yangyang@zjut.edu.cn.

TU528

A

1006-4303(2017)06-0677-05