等強(qiáng)度條件下大摻量摻合料混凝土早齡期收縮和準(zhǔn)絕熱溫升實(shí)驗(yàn)研究

凌 金,王章夫,譚凱華,朱雨磊,宋維乾

(1.浙江華威混凝土有限公司,浙江 杭州 310018；2.杭州華力建材有限公司,浙江 杭州 310018)

混凝土是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一,但是其抗拉能力較差,容易發(fā)生開裂。裂縫的存在通常會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種危害,降低混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能和耐久性能?；炷恋脑琮g期變形是引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一[1]。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中,混凝土早齡期變形主要包括混凝土的早期收縮和溫度變形,因此,研究混凝土的早齡期收縮和絕熱溫升對(duì)于混凝土材料的抗裂性能評(píng)價(jià)尤為重要。

近十幾年來,為減少水泥用量,改善混凝土性能,礦物摻合料(如礦渣和粉煤灰)在混凝土中的應(yīng)用越發(fā)廣泛,在某些特定工程中,礦物摻合料可取代70%的水泥用量[2]。礦物摻合料也會(huì)影響混凝土的早齡期變形和抗裂性能,已有較多研究關(guān)注于大摻量粉煤灰和礦渣對(duì)混凝土早期收縮和絕熱溫升的影響[3-5]。但是,上述研究中,含不同摻量礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度也是不同的,這與實(shí)際工程中按一定強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大差別,從而導(dǎo)致研究成果缺乏針對(duì)性,不能有效指導(dǎo)工程實(shí)際。在等強(qiáng)度條件下的大摻量摻合料混凝土早齡期收縮和準(zhǔn)絕熱溫升的相關(guān)研究仍較少。

本文旨在通過實(shí)驗(yàn)研究,考察在等強(qiáng)度條件下?lián)?0%粉煤灰和復(fù)摻30%粉煤灰20%礦渣的大摻量摻合料混凝土的早齡期收縮和準(zhǔn)絕熱溫升特性,分析并探討粉煤灰和礦渣對(duì)大摻量摻合料混凝土早期抗裂性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 原材料及配合比

本實(shí)驗(yàn)采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,P·O 42.5水泥的化學(xué)成分及物理性能分別見表1和表2。

表1 P·O 42.5水泥化學(xué)成分 %

表2 P·O 42.5水泥物理性能

摻合料為Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95級(jí)礦渣。粉煤灰與礦渣化學(xué)成分及物理性能分別見表3和表4。

粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石,粒徑5～31.5 mm,表觀密度2 700 kg/m3；細(xì)骨料為機(jī)制砂和天然砂。機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.3,天然砂細(xì)度模數(shù)0.8,表觀密度2 630 kg/m3。外加劑為科之杰Point-400G型高效減水劑,混凝土中減水率為33%。

表3 粉煤灰與礦渣化學(xué)成分 %

表4 粉煤灰與礦渣物理性能

混凝土配合比見表5。配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,膠凝材料用量為380 kg/m3, 礦物摻合料摻量為50%。為配制等強(qiáng)度大摻量摻合料混凝土,粉煤灰單摻時(shí)水膠比為0.42,30%粉煤灰和20%礦渣雙摻時(shí)水膠比為0.46。同時(shí),為了保證一定的工作性,配制過程中加入了高效減水劑,以控制其坍落擴(kuò)展度在(560±20) mm。

表5 混凝土配合比 kg/m3

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 力學(xué)性能測試

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)包括抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm,養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：溫度(20±2)℃,濕度95%以上,測試按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》進(jìn)行。力學(xué)性能的測試齡期為3 d,7 d,28 d和60 d。

1.2.2 自由收縮和自收縮測試

本文中自由收縮是指在暴露條件混凝土的收縮變形,主要包括混凝土的干燥收縮變形和自收縮變形。自由收縮和自收縮的測試方法參照文獻(xiàn)[3,6]進(jìn)行。測試環(huán)境為：溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度(60±5)%。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件澆筑后立即在表面覆蓋保鮮膜,以防止水分散失。試件養(yǎng)護(hù)至混凝土終凝時(shí)拆模,終凝時(shí)間測試方法按《普通混凝土拌合物性能方法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080—2016)》規(guī)定進(jìn)行。自由收縮測試的試件在拆模后表面直接暴露在空氣中,見圖1。自收縮測試的試件拆模后立即用保鮮膜和鋁箔紙進(jìn)行密封,以避免混凝土試件與外界的水分交換,見圖2。試件底部墊有特氟龍片,以降低試件與底板間的摩擦。收縮值采用高精度位移傳感器測量,并通過數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與記錄。起測齡期約為混凝土終凝后0.5 h,測定頻率為每0.5 h測一次。

圖1 自由收縮測試 圖2 自收縮測試

1.2.3 準(zhǔn)絕熱溫升測試

混凝土的準(zhǔn)絕熱溫升利用絕熱泡沫箱測定。為降低水化熱散失,泡沫箱放置于室外,測試期間平均氣溫約為30 ℃。絕熱泡沫箱分上下兩部分,尺寸皆為1 000 mm×1 000 mm×500 mm,兩部分疊在一起為邊長1 000 mm的立方體。在下部分中心挖出410 mm×280 mm×130 mm的空洞,在空洞中灌入混凝土并在混凝土中埋入熱電偶,利用無線測溫系統(tǒng)采集及記錄溫度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土基本力學(xué)性能

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間變化

圖4 混凝土抗折強(qiáng)度隨時(shí)間變化

混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化見圖3、圖4。對(duì)比圖3中的兩條強(qiáng)度發(fā)展曲線可知,在7 d 齡期之前,FA50-0.42和FA30SG20-0.46的抗壓強(qiáng)度發(fā)展幾乎一致。FA50-0.42雖然粉煤灰摻量高,但是其水膠比相對(duì)較低,因此在早齡期FA50-0.42的抗壓強(qiáng)度發(fā)展與摻加了礦渣但水灰比較高的FA30SG20-0.46基本相同。而在后期,由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)開始發(fā)揮作用,FA50-0.42由于粉煤灰摻量高,其強(qiáng)度增長略高于FA30SG20-0.46。60 d齡期時(shí),FA50-0.42和FA30SG20-0.46的抗壓強(qiáng)度分別為44.2 MPa和40.3MPa,強(qiáng)度相差較小,且均達(dá)到C30設(shè)計(jì)要求。與抗壓強(qiáng)度結(jié)果相同,在早齡期,FA50-0.42和FA30SG20-0.46的抗折強(qiáng)度發(fā)展相近,FA30SG20-0.46的抗折強(qiáng)度略高于FA50-0.42。而在后期,同樣由于粉煤灰的火山灰效應(yīng),FA50-0.42的抗折強(qiáng)度高于FA30SG20-0.46。

2.2 混凝土自由收縮及自收縮

圖5、圖6分別為兩種混凝土的自由收縮和自收縮應(yīng)變。其中自由收縮包括自收縮和干燥收縮,因此其收縮值遠(yuǎn)大于自收縮。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在早期,兩種混凝土的自由收縮發(fā)展均極快,在較短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到300 με以上,這也是造成混凝土結(jié)構(gòu)早齡期開裂的主要原因之一。對(duì)比兩種混凝土可知,FA30SG20-0.46的自由收縮和自收縮均高于FA50-0.42。這一方面是由于FA30SG20-0.46水灰比較高,在暴露條件下,其可揮發(fā)的水分更多,因此相較而言,其干燥收縮值較大；另一方面,礦渣的活性較粉煤灰高,在早期FA30SG20-0.46整體水化速率高于FA50-0.42,其內(nèi)部的水分消耗也快于FA50-0.42,其自收縮值也較高。因此,從早期收縮角度考慮,在同等條件下,FA50-0.42應(yīng)具備更優(yōu)的早期抗裂性能。

圖5 混凝土自由收縮

圖6 混凝土自收縮

2.3 準(zhǔn)絕熱溫升

圖7為兩種混凝土的準(zhǔn)絕熱溫升曲線。由于測試裝置放置于室外,因此測試結(jié)果受到外界環(huán)境條件的影響。圖中曲線快速下降段均是由于夏季暴雨直接沖刷導(dǎo)致的溫度下降,兩組混凝土是先后開展的準(zhǔn)絕熱溫升測試,因此其曲線快速下降段的時(shí)刻并不一致。從圖7中對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),兩種混凝土的初始溫度均為31℃,FA30SG20-0.46在0. 5 d齡期時(shí),溫度開始快速上升,溫峰達(dá)到48℃；FA50-0.42溫度快速上升開始于約0.9 d齡期,較FA30SG20-0.46晚,且溫峰僅為44℃,較FA30SG20-0.46低。這是由于大量粉煤灰的摻加,降低了混凝土早期的水化放熱和水化速率。相較而言,礦渣活性更高,其反應(yīng)速率高于粉煤灰,因此，F(xiàn)A30SG20-0.46早期溫升較高。眾所周知,混凝土的早期溫升對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制尤為重要,因此從早期溫升角度考慮,FA50-0.42較FA30SG20-0.46更適用于大體積混凝土結(jié)構(gòu),更不易因溫度應(yīng)力而發(fā)生開裂。

圖7 混凝土準(zhǔn)絕熱溫升

3 結(jié) 語

基于本研究的結(jié)果,針對(duì)本文所研究的大摻量摻合料混凝土,可得到如下結(jié)論：

1)單摻50%粉煤灰時(shí),混凝土后期的抗壓和抗折強(qiáng)度均高于復(fù)摻30%粉煤灰20%礦渣。

2)大摻量摻合料混凝土早齡期收縮發(fā)展極快,相較而言,單摻50%粉煤灰時(shí),混凝土自由收縮和自收縮均小于復(fù)摻30%粉煤灰20%礦渣。等強(qiáng)度條件下,更多粉煤灰的摻加降低了混凝土的早齡期收縮。

3)在準(zhǔn)絕熱溫升條件下,單摻50%粉煤灰時(shí),混凝土的溫升速率及溫峰均低于復(fù)摻30%粉煤灰20%礦渣。等強(qiáng)度條件下,大量的粉煤灰降低了混凝土的早齡期放熱。

4)結(jié)合早齡期力學(xué)性能,收縮變形及準(zhǔn)絕熱溫升測試結(jié)果,可推測在相同環(huán)境條件下,單摻50%粉煤灰時(shí),混凝土的早齡期抗裂性能應(yīng)優(yōu)于復(fù)摻30%粉煤灰20%礦渣。