不同摻量粉煤灰混凝土熱膨脹系數(shù)的確定

，，

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，杭州 310014；2.深圳大學 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060)

1 研究背景

溫度開裂問題一直是大體積混凝土設(shè)計和施工中最為關(guān)注的問題之一，而早期混凝土溫度變形是產(chǎn)生溫度開裂的主要原因之一。要想研究混凝土的早期溫度變形發(fā)展，必須確定混凝土的早期熱膨脹系數(shù)，這對混凝土早期溫度變形、溫度應(yīng)力的計算及其開裂敏感性評價非常重要。

目前對混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)研究比較有限，國外學者通常認為[1-2]，混凝土的熱膨脹系數(shù)在初凝(6～10 h)前后非常高，一般達到20×10-6/℃左右，終凝后其數(shù)值急劇減小。Mitchell等[3]對不同強度的混凝土進行試驗，得到其熱膨脹系數(shù)均為9.5×10-6/℃，與混凝土齡期無關(guān)。國內(nèi)南京水利科學研究院陳波等[4]基于溫度-應(yīng)力試驗，測定自生體積應(yīng)變再分離溫度應(yīng)變，提出兩階段法，只得到了降溫階段和升溫階段的熱膨脹系數(shù)。由于在變溫養(yǎng)護環(huán)境下早齡期混凝土自由變形中總是包含耦合疊加在一起的自生收縮和溫度變形，而且溫度變形通常是看成由即時變形和受溫度歷程與混凝土內(nèi)部相對濕度影響的不可逆轉(zhuǎn)的延遲變形2部分組成[5]，混凝土的早期溫度變形很難測定，這也就增加了早期各階段混凝土熱膨脹系數(shù)的測定難度。目前，混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)確定方法的相關(guān)研究較少。

Malhotra將粉煤灰占膠凝材料總質(zhì)量50%及以上的混凝土定義為HVFC(High-Volume Fly Ash Concrete)[6]。為了獲得生態(tài)環(huán)保且耐久性良好的大壩混凝土而探索進一步提高水工混凝土中的粉煤灰膠凝材料占比，2011年葛洲壩集團試驗檢測有限公司和浙江工業(yè)大學依托我國建設(shè)中的某大壩，通過多年系統(tǒng)試驗研究，降低用水量和水膠比，研發(fā)出粉煤灰摻量達80%的常態(tài)大壩混凝土[7]。在評價粉煤灰混凝土早齡期力學性能方面，相比平板約束試驗、環(huán)約束試驗、雙環(huán)約束試驗等，溫度-應(yīng)力試驗(Temperature-Stress Test，TST)可同時考慮溫度和約束等影響，更適合大體積混凝土結(jié)構(gòu)物。采用已建某大壩的施工原材料，合理配制出粉煤灰摻量為35%的基準混凝土(下文簡稱GF35)和粉煤灰摻量為80%的高摻量粉煤灰混凝土(簡稱GF80)。通過溫度-應(yīng)力試驗機(Temperature-Stress Testing Machine，TSTM)，分別在2種不同溫度匹配養(yǎng)護模式下，確定2種混凝土早期各階段的熱膨脹系數(shù)，用于常態(tài)大壩粉煤灰混凝土的抗裂性研究。

2 試驗原材料與配合比

2.1 試驗原材料

本試驗使用的材料為某高拱壩實際工程建設(shè)中采用的材料，華新水泥P.O-42.5普通硅酸鹽水泥，荊門Ⅲ級粉煤灰?；鶞驶炷敛捎幂料禍p水劑，高摻量粉煤灰混凝土采用馬貝聚羧酸高效減水劑，引氣劑均使用山東銀凱NOF-AE型引氣劑。試驗所用骨料均為該工程料場生產(chǎn)的人工砂和人工碎石。

2.2 試驗配合比

本試驗基準混凝土采用工程實際施工所用的配合比，高摻量粉煤灰混凝土的配制采用“等漿體體積法”的思路[8]，降低用水量、降低水膠比。由此方法得到的基準混凝土與高摻量粉煤灰混凝土配合比如表1所示。

表1 2種混凝土配合比Table 1 Mix proportions of two kinds of concrete

3 溫度歷程設(shè)計及溫度應(yīng)力試驗

3.1 溫度歷程的確定

TSTM主要有3種養(yǎng)護模式：絕熱模式、恒溫模式和溫度匹配模式。本文主要采用2種不同的溫度匹配模式(匹配模式一和匹配模式二)，其輸入溫度歷程曲線不同，其中匹配模式一依據(jù)的是合作方武漢大學計算的模擬溫度歷程，匹配模式二依據(jù)的是本課題組計算的模擬溫度歷程。溫度匹配模式通過試驗機的溫控系統(tǒng)對混凝土試件內(nèi)部溫度實時控制監(jiān)測，使混凝土試件內(nèi)部溫度與輸入的模擬溫度歷程曲線溫度保持一致。2種大壩混凝土的模擬溫度歷程曲線由大壩三維有限元仿真模擬得到[9]。

3.2 溫度-應(yīng)力試驗

4 試驗結(jié)果分析

4.1 早期溫度和應(yīng)變的發(fā)展

混凝土的成熟度為養(yǎng)護溫度與齡期的函數(shù)，等效齡期te反映混凝土的成熟度，其表達式為

式中：Ea為水化反應(yīng)特征活化能；T(τ)為混凝土溫度；R為普適氣體常數(shù)，R=8.315 J/(mol·K)。

按照上述公式計算可得到2種混凝土的等效齡期。2種混凝土自由試件溫度發(fā)展和自由應(yīng)變發(fā)展如圖1所示。

圖1 2種混凝土在不同養(yǎng)護模式下實測的溫度和自由應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.1 Measured temperature development curves of two kinds of concrete under different curing modes

約束試件與自由試件入模之后都先強制降溫到大壩施工時澆筑初溫后再按輸入的養(yǎng)護溫度歷程曲線逐漸升溫。

由圖1(b)和圖1(d)可見，對于不同的養(yǎng)護溫度歷程，匹配模式一和匹配模式二的高摻混凝土分別經(jīng)過2.6 h和12 h的強制降溫，達到大壩的澆筑溫度。匹配模式二GF80混凝土在澆筑157.3 h后上升到溫峰23.26 ℃，匹配模式一GF80混凝土于澆筑211.6 h后達到溫峰22.31 ℃,維持溫峰一段時間后，前者以相同的升溫速率降溫至澆筑初溫11.7 ℃，再以0.46 ℃/h降溫直至拉斷，后者以1 ℃/h的降溫速率開始降溫。匹配模式二混凝土由于初期有一段強制降溫過程，故圖中顯示前期有一段明顯的收縮變形，隨后水泥水化放熱，逐漸變?yōu)榕蛎涀冃?，?62.8 h達到最大變形171.55 ×10-6；在降溫階段，由于溫度下降，混凝土開始收縮，自由變形也逐漸表現(xiàn)為收縮，混凝土開裂時自由變形為47.53 ×10-6。而匹配一高摻混凝土最大膨脹變形值僅為15.62 ×10-6，在隨后的降溫階段，降至試驗機最低溫度時高摻混凝土收縮變形為228.2 ×10-6。

由圖1(a)和圖1(c)可見，基準混凝土試件入模后分別經(jīng)過2.3 h和12 h的強制降溫后，達到預設(shè)的溫度。匹配模式一下基準混凝土在澆筑155.8 h后上升到溫峰29.48 ℃，匹配模式二在63.9 h到達溫峰31.57 ℃，之后二者皆維持溫峰一段時間后開始降溫。匹配模式一GF35混凝土于201.8 h，-0.78 ℃時冷縮拉斷，匹配模式二GF35混凝土在238 h，-12.67 ℃時拉斷。2種模式在水化初期由于溫度升高都表現(xiàn)出膨脹變形，匹配模式一膨脹應(yīng)變在較長時間趨于平穩(wěn)狀態(tài)，最大變形為82.35 ×10-6，匹配模式二也有段時間平穩(wěn)，由于維溫階段比較短，所以自由變形穩(wěn)定階段也相對較短，在71.8 h有最大膨脹變形75.52 ×10-6。在降溫收縮階段，匹配模式一混凝土最后開裂時收縮變形為127.61 ×10-6，匹配模式二基準混凝土收縮變形為199.89 ×10-6。

4.2 熱膨脹系數(shù)的確定

上述中所測得的自由變形為混凝土早期自生收縮和溫度變形的總和。混凝土的自生收縮與溫度變形一般同時發(fā)生，且滿足式(2)、式(3)的等式關(guān)系。

在城市燃氣管理的過程中，相關(guān)企業(yè)必須要對燃氣設(shè)備的運行進行全面監(jiān)控，掌握其運行動態(tài)，同時制定科學合理的應(yīng)急預案，為燃氣管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供良好的保障。在制定燃氣應(yīng)急預案時，一定要嚴格遵循我國相關(guān)法律法規(guī)，結(jié)合燃氣企業(yè)安全管理規(guī)定和安全操作流程，完構(gòu)建完善的搶修方案、人員組織結(jié)構(gòu)以及器材配備和使用規(guī)范。同時在后期管理中，構(gòu)建完善的安全管理體系，加強對燃氣管理工作的監(jiān)督考核，保障各項管理措施的有效落實，并對人員操作進行規(guī)范，從而避免燃氣泄露的發(fā)生。

εtot=εT+εA；

(2)

εT=∑αT(t)ΔT。

(3)

式中：εtot為自由變形；εT為溫度應(yīng)變；εA為自生收縮；αT(t)為熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度發(fā)展增量。

在2種不同養(yǎng)護溫度歷程下，對給定的2種混凝土，由式(2)、式(3)及等效齡期的概念可得：

ε1(te)=∑αT1(te)ΔTi+εA1(te) ；

(4)

ε2(te)=∑αT2(te)ΔTi+εA2(te) 。

(5)

式中:ε1(te)和ε2(te)，εA1(te)和εA2(te)，αT1(te)和αT2(te)分別是混凝土在2種溫度養(yǎng)護模式下的自由變形、自生收縮變形與熱膨脹系數(shù)；ΔTi為溫度發(fā)展微增量。

文獻[11]的研究發(fā)現(xiàn)：在一定養(yǎng)護溫度范圍內(nèi)早期混凝土的熱膨脹系數(shù)和自生收縮變形發(fā)展僅與其成熟度有關(guān)。文獻[12]也認為混凝土的熱膨脹系數(shù)和自生收縮變形像混凝土強度一樣僅與其成熟度有關(guān)，故均可以將其看作成混凝土的固有屬性?；谏鲜龅难芯砍晒幸韵碌仁匠闪?，即：

εA1(te)=εA2(te)=εA(te) ；

(6)

αT1(te)=αT2(te)=αT(te) 。

(7)

對式(4)、式(5)左右兩邊在某時刻取微增量，則此時間微段內(nèi)的熱膨脹系數(shù)可被看作常量，從而有：

Δε1(te)=αT1(te)ΔT1(te)+ΔεA1(te) ；

(8)

Δε2(te)=αT2(te)ΔT2(te)+ΔεA2(te) 。

(9)

由此可推得熱膨脹系數(shù)的表達式為

αT(te)=

由式(10)可知混凝土熱膨脹系數(shù)的計算最終可轉(zhuǎn)化為對2種不同溫度歷程下變形差、溫度差的處理。即若把(溫度差，變形差)對應(yīng)的點在坐標圖上標出來，則對這些點進行線性擬合就可近似地估算熱膨脹系數(shù)。

本文選取一些有代表性的時間區(qū)段(以等效齡期為計時變量)對GF35基準混凝土和GF80高摻混凝土的熱膨脹系數(shù)進行線性擬合，部分如圖2所示。

圖2 2種混凝土在不同時間段的熱膨脹系數(shù)確定Fig.2 Determination of thermal expansion coefficients oftwo kinds of concrete in different time periods

由此得到2種混凝土的熱膨脹系數(shù)如表2。

表2 GF35基準混凝土和GF80高摻混凝土在等效齡期下的熱膨脹系數(shù)α值Table 2 Values of thermal expansion coefficient(α) ofGF35 and GF80 concretes at equivalent age

從表2可以看出，無論是高摻混凝土還是基準混凝土，熱膨脹系數(shù)值在混凝土硬化初期10 h內(nèi)都比較高，可達(20～30)×10-6/℃。但是，隨著混凝土齡期的發(fā)展，熱膨脹系數(shù)值顯著減小，逐漸趨于穩(wěn)定在(4.6～10.0)×10-6/℃。其主要原因是在混凝土初期水占主導地位，而水的膨脹能力非常強，熱膨脹系數(shù)更可高達2.1×10-4/℃[13]，超過砂石等固相材料一個數(shù)量級。前期隨著溫度升高，混凝土空隙內(nèi)水開始受熱膨脹，毛細管張力逐漸降低，從而使混凝土膨脹。當混凝土在后期硬化后，水量被水化反應(yīng)消耗減少，混凝土熱膨脹系數(shù)也隨之降低。同時也能得出GF35基準混凝土熱膨脹系數(shù)要比GF80高摻混凝土的熱膨脹系數(shù)偏大，這主要與混凝土內(nèi)部水泥膠凝材料比重有關(guān)?；鶞驶炷恋膬?nèi)部水泥成分多，水化放出的熱量更多，溫度發(fā)展更高更快，最高溫峰可達30 ℃，而GF80高摻混凝土因粉煤灰多水泥含量低放熱少，溫度曲線發(fā)展平緩，溫升很小，溫峰也只達到23 ℃左右；且由于GF80是采用降低用水量，降低水膠比配制而成的，于是就具有較低的熱膨脹系數(shù)。上述結(jié)果也符合粉煤灰混凝土的熱膨脹系數(shù)值隨著粉煤灰摻量的增大而變小的規(guī)律[14-15]。

4.3 熱膨脹系數(shù)模型

在研究熱膨脹系數(shù)的發(fā)展規(guī)律時，在康秋波等[16]以及李飛[17]提出的發(fā)展模型基礎(chǔ)上，考慮等成熟度對熱膨脹系數(shù)發(fā)展的影響，再依據(jù)本研究試驗數(shù)據(jù)的特征，本文確定了早期熱膨脹系數(shù)的發(fā)展模型公式(11)。

αT(te)=α0(1+kte-m) 。

(11)

式中：α0為熱膨脹系數(shù)發(fā)展至最終的穩(wěn)定值；k，m均為待定的擬合系數(shù)。

GF35基準混凝土和GF80高摻混凝土的熱膨脹系數(shù)在若干齡期時刻的實測值及采用式(11)計算出的發(fā)展曲線如圖3所示。

圖3 GF35和GF80兩種混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)的擬合曲線Fig.3 Fitted curves of thermal expansion coefficients of GF35 and GF80 concretes at early age

圖3的擬合結(jié)果表明：GF35基準混凝土的α0取7.0，k=153 416，m=4.8；GF80高摻混凝土的α0取6.3，k=37 294，m=2.8?？梢钥闯?，本文建立的模型可以較好地描述早齡期熱膨脹系數(shù)的發(fā)展規(guī)律。鑒于當前混凝土早期熱膨脹系數(shù)發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù)很少，還需更多的試驗來證明式(11)的適用性。采用模型式(11)再結(jié)合式前面各應(yīng)變關(guān)系式，可以較容易地計算出2種混凝土的溫度變形，從而分離出自生收縮變形與溫度變形，以進一步研究混凝土的自生收縮發(fā)展。

5 結(jié) 論

TST可作為測定粉煤灰混凝土溫度、應(yīng)變及應(yīng)力的有效方法，通過高摻粉煤灰混凝土與基準混凝土在2種溫度歷程下，以等效齡期為時間尺度，分段線性擬合熱膨脹系數(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)粉煤灰混凝土在硬化初期熱膨脹系數(shù)可達(20～30)×10-6/℃，隨著齡期的發(fā)展，熱膨脹系數(shù)逐漸減小，后期主要穩(wěn)定在(4.6～10.0)×10-6/℃。

(2)隨著粉煤灰摻量增加，粉煤灰混凝土熱膨脹系數(shù)逐漸減小，體積安定性也越好，有利于混凝土的抗裂，說明高摻粉煤灰混凝土是具有發(fā)展前景的綠色高性能大壩混凝土。

(3)建立的熱膨脹系數(shù)模型可用于預測不同溫度歷程下混凝土溫度變形和自收縮變形。