不同水灰比混凝土自干燥試驗

黃耀英,蔡 忍,劉 鈺,肖 磊,周 勇

(三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002)

非荷載因素是引起混凝土結構開裂的重要驅動因子。非荷載因素包括溫度應變、濕度應變和自生體積應變等[1-3]。對于混凝土濕度應變而言[4],一方面當混凝土結構拆模后,由于環(huán)境濕度小于混凝土內部濕度,水分蒸發(fā)使混凝土表面濕度降低,從而產生收縮應變,這種收縮通常稱為干燥收縮(簡稱干縮);另一方面是在絕濕狀態(tài)下,由于膠凝材料水化,吸收混凝土毛細管中的水分,造成濕度降低引起的收縮應變,這種收縮通常稱為自干燥收縮(簡稱自收縮)。混凝土結構在干縮或自收縮作用下均容易引起開裂,這將嚴重影響混凝土結構的安全性和耐久性,因此研究混凝土內部濕度變化規(guī)律具有重要的意義。

由于高性能混凝土具備高工作性、高強度和高耐久性等特點,近年來,高性能混凝土逐漸在工程中得到廣泛應用。工程實踐表明,高性能混凝土由于水灰比低,存在明顯的自干燥現象,導致混凝土早期開裂風險大[5-6]。針對這個問題,關于高性能混凝土內部相對濕度監(jiān)測試驗目前已有大量的文獻報道。蔣正武等[7]研究了0.2、0.4、0.6、0.8的水膠比對高性能混凝土自干燥引起自身相對濕度變化的影響,結果表明,當水膠比低于0.4時,混凝土內部相對濕度下降的速率較快,自干燥現象明顯,尤其在早期更為明顯;Shen等[8]為減輕高性能混凝土自干燥作用導致混凝土早期開裂,采用內部固化和超吸收聚合物來緩解高性能混凝土的收縮,并提出超吸收聚合物內固化的早期混凝土相對濕度預測模型;黃瑜等[9]分析對比了高強混凝土在密封和裸露的狀態(tài)下,其內部相對濕度發(fā)展特征,研究顯示,處于密封狀態(tài)的高強混凝土內部相對濕度下降的速率更快,自干燥現象更明顯;Han等[10]對摻入預浸輕骨料的高強混凝土在28 d的內部相對濕度研究,發(fā)現早齡期混凝土存在明顯的自干燥現象。

然而在實際大壩工程中,混凝土內部相對濕度的監(jiān)測未得到足夠重視。例如基于水工大體積混凝土內埋設的無應力計測值反演熱膨脹系數和分離自生體積變形時,認為大體積混凝土的內部濕度變化很小,因此忽略由此引起的濕度變形[11-12]。隨著西部大開發(fā)的深入進行,在我國西南和西北興建了小灣、溪洛渡、白鶴灘等系列300 m 級特高拱壩,這對混凝土的強度等級要求很高。水膠比0.3～0.4 的高強水工混凝土在這些大壩工程上逐漸得到應用,但是對于這些高強水工混凝土,能否忽略濕度變形尚未見文獻報道。目前關于水工混凝土濕度的研究,主要集中在混凝土與外界濕度交換引起的干縮應變,而且這些研究以數值計算為主,而關于水工混凝土濕度試驗目前報道很少。如馬躍先等[13]結合水閘工程采用有限單元法進行了濕度場及應力場計算;劉有志[14]基于濕度場分別從宏觀和細觀的角度對混凝土非穩(wěn)定濕度及干縮應力場進行了仿真計算;牛道昌[15]分析了我國水利工程所處地區(qū)的空氣濕度變化對水工混凝土內部相對濕度的影響;梁建文[16]基于濕度場仿真計算,對水工薄壁混凝土結構干縮開裂的機理進行了分析。由于缺乏濕度試驗數據和參數,上述濕度場計算值的合理性難以判斷。此外,由于高性能混凝土的配合比與水工混凝土不同,不能簡單地將高性能混凝土內部濕度試驗結果用于水工混凝土,因此有必要對水工混凝土內部進行濕度監(jiān)測試驗,并與高性能混凝土內部濕度監(jiān)測試驗結果進行對比。

針對上述問題,本文在前人研究的基礎上,設計開展不同水膠比的水工混凝土和高性能混凝土內部相對濕度監(jiān)測試驗,研究水工混凝土和高性能混凝土內部相對濕度的變化規(guī)律,探究高強水工混凝土是否存在明顯的自干燥效應。

1 水工混凝土和高性能混凝土濕度試驗

1.1 試驗方案

水工混凝土和高性能混凝土內部濕度試驗在三峽工程所在地宜昌地區(qū)開展。宜昌地區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候,夏季平均氣溫超過28℃,相對濕度為80%左右;而在冬季平均氣溫只有10℃,相對濕度為70%左右。試驗選在一月份進行。為了考察不同水膠比水工混凝土的自干燥規(guī)律,結合我國西南某典型混凝土高拱壩工程泄洪洞龍落尾段、大壩基礎約束區(qū)和非基礎約束區(qū)等不同部位的混凝土配合比,設計了水灰比分別為0.33、0.41、0.50的3種不同水工混凝土,分別記為S1、S2和S3;對于高性能混凝土內部自干燥試驗,參考文獻[7],設計了水灰比分別為0.30、0.40和0.50的3種不同高性能混凝土,分別記為S4、S5和S6,具體配合比如表1所示。由表1可見,由于高性能混凝土具有高工作性、高強度和高耐久性等特點,其水泥摻量遠比水工混凝土的水泥摻量高。試驗采用溫濕度傳感器監(jiān)測混凝土試件內部相對濕度變化歷程,1～3號溫濕度傳感器分別監(jiān)測S1～S3水工混凝土內部相對濕度,4～6號溫濕度傳感器分別監(jiān)測S4～S6高性能混凝土內部相對濕度,根據傳感器的編號對相應的混凝土試件進行編號,7號溫濕度傳感器用于監(jiān)測實驗室環(huán)境的溫濕度。

表1 水工和高性能混凝土的配合比

根據混凝土試件水灰比的不同,將混凝土試件內部相對濕度監(jiān)測分為兩個階段,第一階段對S1～S6混凝土試件持續(xù)監(jiān)測70 d的自干燥效應;第二階段對高水灰比S2和S3的水工混凝土(水灰比分別為0.41和0.50)和高水灰比S6的高性能混凝土(水灰比為0.50)再持續(xù)監(jiān)測20 d的自干燥效應,然后再進行對比分析。

1.2 試驗材料和監(jiān)測儀器

試驗采用華新牌P·O·42.5水泥;粗骨料為花崗巖碎石,小石粒徑為5～20 mm,中石粒徑為20～40 mm;細骨料為長江宜昌段細砂,細度模數為2.03;減水劑選用聚羧酸高性能減水劑;水為自來水。

溫濕度傳感器采用大連北方測控工程有限公司生產的DB485型傳感器,相對濕度測量范圍為0～100%,誤差為±1%;溫度測量范圍為-40～120℃,誤差為±0.5%。溫濕度傳感器探頭(圖1)通過RS-485總線型溫濕度變送器(圖2)與計算機連接,使用北方測控溫濕度監(jiān)測系統對溫濕度數據進行采集和存儲,可實現多點同時監(jiān)測。

圖1 溫濕度傳感器探頭

圖2 溫濕度傳感器變送器

1.3 混凝土濕度試驗步驟

步驟1試驗準備。按濕度試驗使用的混凝土配合比準備原材料、PVC管和成型試件所需的模具,與此同時,對溫濕度傳感器進行率定。PVC管兩端開口光滑平整,長度為100 mm,外徑為20 mm,壁厚為2 mm,并在75 mm處做好標記;模具采用內尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體塑料模具。

步驟2混凝土試件成型。待混凝土試件澆注、振搗完成后,將PVC管植入150 mm立方體試件的幾何中心處(植入深度75 mm),接著抹平試件的上表面的漿體,并用鋁棒封堵PVC管上端口,并在上表面覆蓋一層薄膜保濕。待混凝土終凝后,PVC管即固定在試件中。

步驟3將試件搬至標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護1 d后進行拆模,并立即用雙層錫箔紙對試件進行密封包裹(圖3)。由于混凝土表面近似絕濕狀態(tài),故可認為混凝土內部濕度變化基本由自干燥效應引起。

圖3 采用錫箔紙包裹的混凝土試件

步驟4把混凝土試件搬至濕度監(jiān)測室,緩慢拔出封堵PVC管上端口的鋁棒,用海綿吸出殘留在塑料管底端的漿體后再緩慢插入溫濕度傳感器,溫濕度傳感器測頭距塑料管底約1 mm,然后用隔離塞對PVC管進行密封并涂抹黃油,防止隔離塞與PVC管間的縫隙與外界發(fā)生濕度交換(圖4)。

圖4 混凝土內部相對濕度監(jiān)測

步驟5按混凝土內部濕度試驗方案進行濕度試驗,直至試驗結束。

2 試驗結果與討論

2.1 水工混凝土內部相對濕度變化曲線

圖5為不同水灰比水工混凝土和高性能混凝土在密封狀態(tài)下內部相對濕度隨齡期的變化曲線,圖6為不同水膠比的水工混凝土和高性能混凝土內部相對濕度隨齡期的變化曲線,在圖5和圖6中,還給出了試驗室的環(huán)境溫濕度曲線。試驗期間,試驗室的環(huán)境相對濕度為41.31%～67.39%,均值為54.35%;環(huán)境溫度為7.83～21.16℃,均值為14.5℃。

圖5 試件內部相對濕度變化

圖6 試件內部相對濕度變化曲線

由圖5(a)可見,不同水灰比的水工混凝土內部相對濕度變化歷程基本相似,均可分為兩個時期[17]。第一個時期為相對濕度的飽和期(相對濕度維持在100%),但是不同水灰比的水工混凝土濕度飽和期持續(xù)時間不同。試驗表明,水灰比越高,濕度飽和期持續(xù)時間越長,水灰比為0.33、0.41和0.50的水工混凝土濕度飽和期分別持續(xù)了22 d、56 d和65 d。第二個時期為濕度下降期,隨著水化反應不斷消耗水分,相對濕度逐漸下降,混凝土內部相對濕度進入濕度下降期。當第一階段自干燥效應監(jiān)測結束時(70 d),水灰比為0.33、0.41和0.50的水工混凝土試件內部相對濕度分別降至94.85%、97.03%和99.89%。由此可見,0.33水灰比的混凝土試件濕度飽和期較短,自干燥作用較明顯;對于0.41水灰比的混凝土試件,雖然濕度飽和期較長,但仍有緩慢的自干燥效應;0.50水膠比的混凝土試件濕度飽和期長且無明顯的自干燥作用,相對濕度基本維持在100%。當70 d的自干燥效應監(jiān)測結束時,對高水灰比0.41和0.50的水工混凝土再持續(xù)20 d的自干燥效應監(jiān)測。當自干燥效應監(jiān)測持續(xù)到90 d時, 水灰比0.41和0.50的水工混凝土試件內部相對濕度分別降至93.26%和99.86%。由此可見,隨著齡期的增長,0.41水灰比的水工混凝土試件自干燥效應更加明顯,濕度下降的程度更大;對于0.50水灰比的混凝土試件仍然無明顯的自干燥效應,內部相對濕度幾乎維持在100%。這也說明,本次試驗混凝土試件包裹的密封性良好,試件內部幾乎沒有與外界環(huán)境發(fā)生濕度交換,試件內部相對濕度變化基本由自干燥效應引起。

由圖5(b)可見, 0.30、0.40和0.50水灰比的高性能混凝土濕度飽和期分別維持了3 d、16 d和63 d,均比相對應的水工混凝土的濕度飽和期短。當第一階段70 d的自干燥效應監(jiān)測結束時,0.30、0.40和0.50水灰比的高性能混凝土內部相對濕度分別降至77.92%、86.13%、98.54%。第一階段的自干燥效應監(jiān)測結束后(70 d),對0.50水灰比的高性能混凝土再持續(xù)20 d的自干燥效應監(jiān)測,當第二階段監(jiān)測結束時(90 d),0.50水灰比的高性能混凝土內部相對濕度降至96.5%。

由圖6可見,由于高性能混凝土的水泥摻量高,對于相同水灰比,高性能混凝土的自干燥效應比水工混凝土的自干燥效應更加明顯,濕度下降更快。當第一階段70 d自干燥效應監(jiān)測結束后,進入第二階段時,0.50水灰比的高性能混凝土內部相對濕度仍存在緩慢的自干燥作用,而0.50水灰比的水工混凝土內部相對濕度基本無變化,維持在100%。

2.2 自干燥引起混凝土內部濕度變化的機理分析

混凝土試件在澆注成型的初期,內部有大量自由液態(tài)水存在且形成連通的水膜網絡,因此混凝土試件內部相對濕度為100%。由于混凝土試件密封包裹,隨著齡期的增長,混凝土試件內部未水化的水泥繼續(xù)水化反應,混凝土逐漸硬化,此時水泥水化反應引起的化學減縮致使混凝土內部形成許多獨立毛細孔,毛細孔逐漸增多并相互連通,于是毛細孔處于不飽和狀態(tài),混凝土試件內部相對濕度降低[7],即混凝土內部相對濕度進入濕度下降期。

水灰比越大,混凝土試件的用水量越多而水泥用量越少,在水泥水化反應過程中,由于混凝土試件內部自由水消耗的速率較低,留存在試件內未參與水化反應的自由液態(tài)水較多,又由于密封包裹的試件與外界環(huán)境基本沒有濕度交換,因此試件內部相對濕度下降的速率小,表現為試件濕度飽和期長;水灰比小時,與之相反。

相對相同水灰比的水工混凝土而言,高性能混凝土的水泥用量大,在水泥水化過程中,由于試件未水化的水泥顆粒多,而試件內部可提供繼續(xù)水化反應的自由液態(tài)水較少,這就導致高性能混凝土的濕度飽和期較水工混凝土短,內部相對濕度下降的速率較水工混凝土大,自干燥作用更明顯。

2.3 討論

從上述試驗結果可見,0.41水灰比的水工混凝土存在緩慢的自干燥效應。當混凝土緩慢失水干燥時,混凝土將會出現緩慢收縮。文獻[18]曾對溪洛渡拱壩壩體基礎約束區(qū)的混凝土無應力計測值進行了分析,其埋設的無應力計由一支應變計和一個雙層鐵皮套筒組成。其中,無應力桶高500 mm,開口直徑為500 mm,底面直徑為200 mm。由于無應力計尺寸較小,在現場埋設時,一般會剔除40 mm以上的粗骨料,因此,無應力計桶內混凝土近似于本次試驗的混凝土級配。

文獻[18]對監(jiān)測結果進行分析時,假設混凝土內濕度變化很小,忽略濕度變形,進而通過建立無應力計測值統計模型,分離出溫度變形和自生體積變形,分析表明溪洛渡大壩混凝土的自生體積變形呈緩慢收縮趨勢,持續(xù)2 000 d后仍未完全收斂。由上述水工混凝土濕度試驗可見,由于溪洛渡拱壩壩高庫大,其基礎約束區(qū)混凝土的水膠比僅為0.41,這種混凝土由于水泥水化反應存在緩慢的自干燥現象,從而出現緩慢收縮的濕度變形。因此,扣除溫度分量的無應力計測值實際上是自生體積變形和自干燥引起的濕度變形的混合值;另外,由于該特高拱壩混凝土粉煤灰摻量高(35%),導致自干燥現象減慢,但持續(xù)時間更長。綜上可見,0.41水灰比的水工混凝土自干燥現象的發(fā)現,為解析溪洛渡特高壩工程扣除溫度分量的無應力計變形測值長期不穩(wěn)定的機制提供了一種新思路。

3 結 論

a. 在密封狀態(tài)下,水工混凝土和高性能混凝土內部相對濕度均存在兩個時期,即濕度飽和期和濕度下降期;隨著水灰比的減小,濕度飽和期持續(xù)的時間逐漸減小,內部相對濕度下降的速率逐漸加大;由于高性能混凝土的水泥摻量高,相同水灰比下,高性能混凝土的內部相對濕度下降比水工混凝土快,濕度飽和期持續(xù)時間更短。

b. 在密封狀態(tài)下,0.50水灰比的水工混凝土的內部相對濕度基本無下降;而對于0.50水灰比的高性能混凝土,由于水泥摻量高,內部未水化的水泥較多,隨著齡期的增長,水泥水化會不斷進行,仍存在緩慢的自干燥現象。

c. 在密封狀態(tài)下,0.41水灰比的水工混凝土存在緩慢的自干燥效應。當混凝土緩慢失水干燥時,混凝土將會出現緩慢收縮,從而為解析西南某特高壩工程扣除溫度分量的無應力計變形測值長期不穩(wěn)定的機制提供了新思路,即低水膠比混凝土的使用,將會引起持續(xù)緩慢自干燥,從而導致持續(xù)自干燥收縮變形。建議在進行低水膠比的高強水工混凝土應力應變分析時,考慮混凝土內部存在的自干燥效應及其引起的干燥收縮應變。