高石粉含量灰?guī)r人工砂混凝土的收縮及其預(yù)測模型

彭艷周 詹檳赫 魏 亮 張陽峰 盧 希 許 柯 高德軍

(1. 三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610081)

人工砂制備過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的石粉，按DL/T 5151-2014規(guī)范，石粉主要是指人工砂中粒徑小于0.16 mm的微細(xì)粒[1]．近年來，石粉在水電工程建設(shè)中應(yīng)用越來越多[2-5]．有研究表明[6-9]：石粉中較細(xì)的顆粒與水泥大小相當(dāng)，部分石粉顆粒甚至更小，其含量適當(dāng)增加時(shí)，可在混凝土中起到微集料填充作用，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)；而且石粉具有一定的反應(yīng)活性，能參與體系的水化反應(yīng)，生成一定量的水化產(chǎn)物，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高混凝土的性能．因此，適量的石粉對混凝土的性能有一定的改善作用[10]．

然而，當(dāng)石粉含量過多時(shí)，會(huì)改變混凝土中細(xì)顆粒的含量、級配，進(jìn)而影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)等，從而使混凝土的收縮性能產(chǎn)生變化．例如，李興貴[11]等研究發(fā)現(xiàn)，石粉含量12%以下時(shí)，干縮率增加緩慢，石粉含量大于12%時(shí)，混凝土干縮率迅速增大，干縮率隨石粉含量增加而增大；陳兆文[12]等研究發(fā)現(xiàn)，水灰比相同時(shí)，當(dāng)石粉含量從12%增加到21%時(shí)，混凝土干縮率增大9.5%；郭玉霞[13]等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石粉含量小于15%時(shí)，其加速效應(yīng)起主要作用，但過多石粉的加入會(huì)抑制混凝土的干縮．另一方面，混凝土的收縮變形對于混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是大體積混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能和耐久性能有較大影響．在進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫控防裂研究，以及混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場和徐變應(yīng)力場仿真分析時(shí)，常需對混凝土的收縮進(jìn)行預(yù)測．目前常用的混凝土收縮預(yù)測模型有中國建科院模型(1986)[14]、歐洲混凝土委員會(huì)和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)收縮預(yù)測模型(CEB-FIP(1990))[15-16]、美國混凝土學(xué)會(huì)的Gardner和Zhao提出的GZ 1993模型[17]以及Gardner和Lockman提出的GL 2000模型[18]等，但以上模型均未考慮石粉含量對混凝土收縮的影響．

本文以某在建大型水利樞紐工程為依托，試驗(yàn)研究了水膠比分別為0.37、0.45的人工砂混凝土的收縮性能．用0.37水膠比混凝土的收縮試驗(yàn)結(jié)果評估了上述4種常用的收縮預(yù)測模型對人工砂混凝土收縮預(yù)測的準(zhǔn)確性．在此基礎(chǔ)上，通過引入石粉影響系數(shù)，建立了高石粉含量人工砂混凝土的收縮預(yù)測模型，并用水膠比0.45的混凝土收縮試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性．

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

所用人工砂取自某在建大型水利樞紐工程骨料生產(chǎn)系統(tǒng)，所用水泥為該工程建設(shè)現(xiàn)場用42.5中熱硅酸鹽水泥(華新P.MH 42.5)，所用粉煤灰為曲靖F類Ⅰ級粉煤灰，試驗(yàn)采用該水利樞紐工程砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的小石、中石為粗骨料，其中小石粒徑5～20 mm，中石粒徑20～40 mm，減水劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的PCA-1型聚羧酸高性能減水劑，其減水率為28.5%，28 d抗壓強(qiáng)度比為210%；引氣劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的GYQ混凝土引氣劑，其含氣量為4.8%，28 d抗壓強(qiáng)度比為85.9%；拌合用水采用實(shí)驗(yàn)室自來水．原材料基本性能見表1～5.

表2 人工砂中石粉(即人工砂)的化學(xué)成分(%)

表3 水泥的主要技術(shù)性質(zhì)

表4 粉煤灰的基本性能

表5 粗骨料的基本性能

以15%石粉含量的原級配人工砂為基準(zhǔn)砂，通過水洗或摻入石粉的方法，又得到了石粉含量為12%、18%、20%、22%、25%、28%的6種人工砂．試驗(yàn)以表6中C-15的混凝土為基準(zhǔn)，經(jīng)混凝土配合比試驗(yàn)，在保持水膠比、砂率、外加劑摻量不變的條件下，控制坍落度在160～180 mm范圍內(nèi)，得到不同石粉含量的人工砂混凝土的配合比，見表6．

表6 不同石粉含量的人工砂混凝土的配合比

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

采用HSP-540混凝土收縮膨脹儀，按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150-2001)進(jìn)行7組不同石粉含量混凝土收縮試驗(yàn)．

2 結(jié)果與分析

2.1 不同石粉含量的混凝土各齡期收縮試驗(yàn)結(jié)果

7種石粉含量的人工砂混凝土收縮試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，各測試齡期的收縮結(jié)果匯總于表7．

表7 不同石粉含量的混凝土在不同齡期的收縮試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同石粉含量的人工砂混凝土的收縮

由圖1可知，不同石粉含量的人工砂混凝土隨齡期而變化的趨勢相近，即混凝土在早期收縮增長迅速，28d齡期后增長減緩．相同齡期時(shí)，收縮隨石粉含量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢．石粉含量22%以下時(shí)，混凝土收縮隨石粉含量的提高而增大，這一方面是因?yàn)槭垲w粒的填充效應(yīng)改善了混凝土固體顆粒體系的堆積情況，使其堆積密實(shí)度增大、平均孔徑減小，從而，混凝土干燥時(shí)所受的內(nèi)部毛細(xì)管壓力增大，導(dǎo)致收縮也增大；另一方面，石粉能在一定程度上參與體系的水化反應(yīng)[21]，而且，石粉含量增加時(shí)，混凝土中水泥用量亦增加(見表6)，從而混凝土的化學(xué)收縮量增大．當(dāng)石粉含量達(dá)到22%時(shí)，由于其固體顆粒體系的堆積密實(shí)度達(dá)到最大值，故收縮也達(dá)到最大值(見表7)．當(dāng)石粉含量繼續(xù)增加時(shí)，過多的石粉使混凝土顆粒體系的堆積密實(shí)度下降，混凝土內(nèi)部平均孔徑略增大，混凝土干燥失水時(shí)毛細(xì)管壓力也稍微降低，導(dǎo)致混凝土收縮也略減?。硪环矫妫酆?2%以上時(shí)，混凝土的單方水泥用量也隨石粉含量提高而下降(見表6)，也會(huì)引起混凝土的總收縮減?。?/p>

2.2 收縮預(yù)測模型

混凝土收縮預(yù)測模型一般是通過試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)回歸分析得出，預(yù)測模型的表達(dá)式有雙曲線函數(shù)式、指數(shù)函數(shù)式和對數(shù)函數(shù)式[14]幾大類．

2.2.1 中國建科院模型(1986)

混凝土收縮應(yīng)變?chǔ)?t)的計(jì)算公式為：

ε(t)=ε(t)0β0β1β2β3β4β5(1)

式中，ε(t)0為普通混凝土或輕骨料混凝土收縮基本方程，分別按公式(2)、(3)計(jì)算：

對普通混凝土

(2)

對輕骨料混凝土

(3)

式中，β1～β5分別為與混凝土所處環(huán)境的相對濕度、構(gòu)件截面尺寸、養(yǎng)護(hù)方法、粉煤灰摻量、混凝土強(qiáng)度等級等5個(gè)參數(shù)相關(guān)的影響系數(shù)．具體取值見表8[14]．

表8 影響系數(shù)取值

2.2.2 歐洲混凝土委員會(huì)和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(CEB-FIP)收縮預(yù)測模型(1990)

素混凝土構(gòu)件在未加載情況下的平均收縮(或膨脹)應(yīng)變的計(jì)算式為：

εcs=(t，ts)=εcs0gβs(t-ts)(4)

εcs0=βRH[160+βsc(90-fc)]×10-6(5)

式中，εcs0為名義收縮系數(shù)；t為混凝土的齡期；ts為混凝土開始收縮時(shí)的齡期(3 d);fc為混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度(N/mm2)；Ac為構(gòu)件的橫截面面積(mm2)；u為與大氣接觸的截面周界長度(mm)．

2.2.3 GZ(1993)模型

混凝土收縮應(yīng)變可由下式計(jì)算：

εsh=εshu×β(h)×β(t)(8)

式中，h為環(huán)境相對濕度，以小數(shù)表示；t為混凝土計(jì)算齡期；tc為混凝土開始干燥時(shí)的齡期；K為與水泥類型有關(guān)的系數(shù)；V/S為混凝土構(gòu)件體表比；fcmtc為混凝土干燥時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度；fcm28為混凝土齡期28 d時(shí)的圓柱體平均抗壓強(qiáng)度．

2.2.4 GL 2000模型

混凝土收縮應(yīng)變可由下式計(jì)算：

εsh=εshu×β(h)×β(t)(12)

β(h)=1-1.18h4(13)

式中字母含義同GZ(1993)模型．

以石粉含量為12%的人工砂混凝土為例，采用上述幾種預(yù)測模型對試件的收縮進(jìn)行預(yù)測，并與試驗(yàn)試件的收縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示．

圖2 收縮試驗(yàn)結(jié)果與4種預(yù)測模型計(jì)算值的對比

由圖2可知，CEB-FIP(1990)模型預(yù)測結(jié)果與收縮率的實(shí)測數(shù)據(jù)偏差較大，且其變化趨勢不相符．中國建科院模型的前期預(yù)測數(shù)據(jù)及后期變化規(guī)律與實(shí)測值較為一致，但模型的后期預(yù)測結(jié)果相差較大，收縮率最大偏差達(dá)242.20×10-6．GZ 1993模型和GL 2000模型這兩個(gè)模型雖與實(shí)測結(jié)果有差異，但與實(shí)測值的變化趨勢非常接近，因此，可以考慮引入某個(gè)系數(shù)對其進(jìn)行修正．

2.3 高石粉含量的人工砂混凝土收縮預(yù)測模型

基于以上結(jié)果，引入石粉影響系數(shù)分別對GZ 1993模型和GL 2000模型進(jìn)行修正，以期得到高石粉含量的人工砂混凝土的收縮預(yù)測模型．

對GZ 1993模型進(jìn)行修正．首先，定義石粉影響系數(shù)kGZ1993:

(16)

式中，kGZ 1993表示石粉影響系數(shù)；ε表示收縮應(yīng)變．

由該定義式和圖2試驗(yàn)結(jié)果可得到石粉影響系數(shù)kGZ 1993見表9．

表9 石粉影響系數(shù)kGZ 1993

由試驗(yàn)結(jié)果可知，對于收縮而言，kGZ 1993與石粉含量 有關(guān)．根據(jù)上述結(jié)果擬合得到

kGZ1993=0.001ω5-0.020 1ω4+0.145 5ω3-

0.471 8ω2+0.666 4ω+0.248(17)

類似地，引入石粉影響系數(shù)kGL 2000對GL 2000模型進(jìn)行修正，可得石粉影響系數(shù)kGL 2000如下：

kGL 2000=0.001ω5-0.020 4ω4+0.148ω3-

0.480 7ω2+0.679 6ω+0.239 4(18)

為了驗(yàn)證上述石粉影響系數(shù)的適用性，用水膠比0.45的不同石粉含量的人工砂混凝土(配合比見表10)收縮試驗(yàn)結(jié)果，對修正后的兩個(gè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果如圖3所示．

表10 不同石粉含量的人工砂混凝土的配合比

圖3 kGZ 1993和kGL 2000的適用性驗(yàn)證

由圖中結(jié)果可知，引入石粉影響系數(shù)對GL 2000模型和GZ 1993模型進(jìn)行修正后，兩個(gè)修正模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近，即考慮石粉影響系數(shù)可較好反映高石粉含量人工砂混凝土的收縮．

3 結(jié) 論

1)不同石粉含量人工砂混凝土的收縮隨齡期而變化的趨勢相近，在14 d之前，混凝土收縮增長迅速，28 d齡期后增長減緩．相同齡期時(shí)，收縮隨石粉含量的增加呈先增后減的趨勢，石粉含量22%時(shí)，混凝土的收縮最大．這可歸因于人工砂中石粉顆粒的物理填充效應(yīng)和活性效應(yīng)兩方面的共同作用．

2)試驗(yàn)研究了目前常用的4種收縮模型預(yù)測高石粉含量人工砂混凝土收縮的適用性．引入石粉影響系數(shù)，分別對GZ 1993模型和GL 2000模型進(jìn)行修正，得到了高石粉含量人工砂混凝土的收縮預(yù)測模型，即GL 2000修正模型和GZ 1993修正模型，結(jié)果表明，這兩個(gè)修正模型的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度較高．

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