大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土約束收縮及抗裂性能研究

張登祥，蔣曉明

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土(HSLC)具有自重輕、不需振搗、施工速度快、抗震性能好等突出優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景好[1]。輕集料混凝土中的骨料多孔且吸水率高，一般認(rèn)為其體積穩(wěn)定性及耐久性不如普通混凝土，限制了輕集料混凝土在結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用[2-4]。而經(jīng)預(yù)濕處理后的輕集料具有內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，可以降低毛細(xì)管壓力，減小混凝土的收縮變形[5-6]。但骨料預(yù)濕增加施工工序、提高工程費(fèi)用，并給混凝土的抗凍融性能帶來(lái)不利的影響。采用吸水率低(24 h吸水率<5%)的高性能輕集料混凝土體積穩(wěn)定性及耐久性好，但高性能輕集料生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟(jì)效益差等缺點(diǎn)限制了高性能輕集料在工程上的大規(guī)模應(yīng)用[7-8]。

粉煤灰及硅灰是制備高性能混凝土的常用摻合料，粉煤灰對(duì)減小混凝土收縮及提高混凝土的抗裂性能是有利的，且對(duì)混凝土的耐久性影響不大[9-12]；而硅灰可以改變混凝土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，摻有硅灰的混凝土骨料周?chē)錆M(mǎn)致密的C—S—H相，粗骨料與水泥石之間的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)得到改善，水泥石內(nèi)空隙率降低，強(qiáng)度提高。但摻硅灰也明顯增大了混凝土的早期收縮變形，且隨著硅灰摻量的增加這種作用更加明顯[13-15]。對(duì)于大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土，粉煤灰和硅灰對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律還沒(méi)有得到驗(yàn)證。

本文采用低吸水率的高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒、粉煤灰及硅灰制備大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土，研究其在圓環(huán)約束條件下的收縮應(yīng)變規(guī)律及抗裂性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥采用P.O42.5(C)。粉煤灰(FA)采用Ⅰ級(jí)灰，比表面積為506 m2/kg，密度為2 260 kg/m3，需水量比93%。硅灰(SF)密度為2 200 kg/m3，比表面積為24 500 m2/kg。粗骨料(G)采用高強(qiáng)頁(yè)巖碎石型陶粒，筒壓強(qiáng)度6.5 MPa，表觀(guān)密度1 800 kg/m3，堆積密度860 kg/m3，1 h吸水率3.22%，24 h吸水率6.06%，空隙率45.4%，最大粒徑20 mm。普通混凝土采用5～10 mm碎石。細(xì)骨料采用湘江河砂(S)，細(xì)度模數(shù)3.0，表觀(guān)密度2 600 kg/m3，含泥量<1%。減水劑為聚羧酸高效減水劑(PCE)，減水率>25%。試驗(yàn)用水采用普通自來(lái)水(W)。

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)S1、S2、S3、S4四組試件，粉煤灰摻量分別為20%、25%、30%、35%，研究粉煤灰摻量對(duì)混凝土收縮變形及抗裂性能的影響。設(shè)計(jì)S2、S5、S6、S7四組試件，粉煤灰與硅灰復(fù)摻，其中粉煤灰摻量25%，硅灰摻量分別為0%、2%、4%、6%，研究粉煤灰和硅灰復(fù)摻對(duì)收縮變形及抗裂性能的影響。設(shè)計(jì)S2、S8、S9三組試件，陶粒預(yù)濕時(shí)間分別為0、1、12 h，研究骨料預(yù)濕程度對(duì)收縮變形及抗裂性能的影響。對(duì)照組為普通混凝土(NC)，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土的工作性能及基本力學(xué)性能試驗(yàn)分別按照規(guī)范JGJT 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[16]及規(guī)范GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]進(jìn)行。

圓環(huán)約束試驗(yàn)：試件澆筑后濕布覆蓋，帶模養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，然后用石蠟封閉混凝土環(huán)上表面。在鋼環(huán)的內(nèi)壁粘貼四個(gè)應(yīng)變片，測(cè)試鋼環(huán)內(nèi)壁切向應(yīng)變?chǔ)舠，試驗(yàn)環(huán)境溫度保持為(23±2) ℃，環(huán)境濕度保持為65%±5%。采用綜合應(yīng)變測(cè)試儀每1 h記錄一次數(shù)據(jù)，后期24 h記錄一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)見(jiàn)圖1。

圖1 圓環(huán)約束收縮試驗(yàn)

1.4 鋼環(huán)應(yīng)變與混凝土收縮應(yīng)變的關(guān)系

在圓環(huán)約束條件下，混凝土環(huán)收縮應(yīng)變與鋼環(huán)內(nèi)壁應(yīng)變的關(guān)系式為[18]

(1)

式中：εs(t)為鋼環(huán)內(nèi)壁應(yīng)變；Es為鋼材的彈性模量，取206 GPa；εc為混凝土環(huán)收縮應(yīng)變；Ec為混凝土彈性模量(中間齡期彈性模量采用擬合曲線(xiàn)計(jì)算)；C1R、C2R、C4R分別為與環(huán)的尺寸、鋼材、混凝土的泊松比有關(guān)的常數(shù)，即

(2)

(3)

(4)

其中，Ris、Ros分別為鋼環(huán)的內(nèi)徑、外徑；Ric、Roc分別為混凝土環(huán)的內(nèi)徑、外徑，Ros=Ric；νs、νc分別為鋼材、混凝土的泊松比，νs取0.3，νc取0.21。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土工作性能及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，實(shí)測(cè)的鋼環(huán)應(yīng)變?chǔ)舠(t)見(jiàn)圖2。

表2 混凝土工作性能及力學(xué)性能

圖2 鋼環(huán)應(yīng)變?chǔ)舠(t)

2.2 大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土約束收縮的特點(diǎn)

由實(shí)測(cè)的鋼環(huán)應(yīng)變?chǔ)舠(t)，根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到各配比混凝土環(huán)在外側(cè)面干燥條件下收縮應(yīng)變?chǔ)與(t)，見(jiàn)圖3。

圖3 混凝土約束收縮應(yīng)變?chǔ)與(t)

由圖3可知，高強(qiáng)輕集料混凝土約束收縮隨齡期的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段：①不穩(wěn)定階段，試件拆模后2 d前是收縮發(fā)展的不穩(wěn)定期，混凝土變形表現(xiàn)為先膨脹(1 d前)后收縮，體積變形極不穩(wěn)定；②穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，混凝土從第3 d開(kāi)始收縮應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)，7 d前增長(zhǎng)較快，7 d后收縮增長(zhǎng)明顯減緩，直到混凝土環(huán)開(kāi)裂；③開(kāi)裂階段，應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)到某一齡期后混凝土環(huán)開(kāi)裂，應(yīng)力釋放，應(yīng)力曲線(xiàn)急劇下降。

試驗(yàn)采用高強(qiáng)頁(yè)巖碎石型陶粒制備HSLC試件S1，骨料未經(jīng)過(guò)預(yù)濕處理，用5～10 mm碎石制備同強(qiáng)度等級(jí)的NC為對(duì)照組。如圖3(a)所示，相同強(qiáng)度等級(jí)S1與NC比較，收縮曲線(xiàn)主要有兩個(gè)特點(diǎn)：①S1在7 d前的收縮應(yīng)變量及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率明顯高于普通混凝土；②7 d后S1收縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)明顯減緩，直到混凝土環(huán)開(kāi)裂，開(kāi)裂時(shí)S1總收縮應(yīng)變明顯小于普通混凝土。輕集料對(duì)水泥的水化過(guò)程的影響主要表現(xiàn)在早期，在水化早期輕集料多孔吸水提高了毛細(xì)管壓力，增加了混凝土的收縮變形，因此HSLC在7 d前的收縮大于普通混凝土。7 d后骨料吸水基本完成，而HSLC為提高新拌漿體的工作性能在配合比中采用20%的Ⅰ粉煤灰替代水泥，粉煤灰的摻入對(duì)減小混凝土早期的收縮變形有利[12]，因此HSLC在7 d后的收縮值反而低于NC。

2.3 礦物摻合料對(duì)混凝土約束收縮的影響

單摻粉煤灰，摻量為20%、25%、30%、35%的高強(qiáng)輕集料混凝土3、7、14、21 d齡期的收縮應(yīng)變見(jiàn)圖4。

圖4 不同粉煤灰摻量各齡期HSLC收縮應(yīng)變

與相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土比較，20%粉煤灰摻量的HSLC在7 d后的收縮應(yīng)變明顯低于普通混凝土。但當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到35%時(shí)，相同水膠比的HSLC的收縮應(yīng)變并沒(méi)有隨粉煤灰摻量的增加而持續(xù)減小，摻量為25%、30%的混凝土14 d前的收縮應(yīng)變反而明顯大于摻量為20%、35%的混凝土。到21 d后，各配比的HSLC的收縮應(yīng)變差距很小，見(jiàn)圖4。由圖4可知，通過(guò)增加粉煤灰摻量減小混凝土收縮是不合適的，且當(dāng)粉煤灰摻量大于25%后，再增加摻量對(duì)混凝土的工作性能提高不大，但力學(xué)性能卻明顯降低，見(jiàn)表2。因此，摻加粉煤灰可以明顯提高HSLC的工作性能，也能減小HSLC的收縮應(yīng)變，但其摻量應(yīng)該控制在25%以?xún)?nèi)較合適。

硅灰與粉煤灰同屬火山灰質(zhì)材料，而硅灰比表面積更大，活性更強(qiáng)。在本文試驗(yàn)中，粉煤灰與硅粉復(fù)摻，復(fù)摻硅灰后的混凝土試件S2(25%FA)、S5(25%FA+2%SF)、S6(25%FA+4%SF)、S7(25%FA+6%SF)的28 d抗壓強(qiáng)度分別為51.2、54.0、53.0、50.8 MPa(見(jiàn)表2)，因此，適量的硅灰復(fù)摻對(duì)提高HSLC的強(qiáng)度是有利的。硅灰復(fù)摻對(duì)HSLC收縮的影響見(jiàn)圖3(c)，硅灰復(fù)摻對(duì)HSLC3d前的收縮應(yīng)變影響不大，3 d后水化速度加快，復(fù)摻硅灰的HSLC收縮變形增長(zhǎng)迅速，到混凝土環(huán)開(kāi)裂時(shí)，復(fù)摻硅灰的試件收縮變形遠(yuǎn)大于未摻硅灰的試件。因此，適量的硅灰復(fù)摻雖對(duì)提高HSLC強(qiáng)度有利，但顯著增加混凝土收縮變形。

2.4 骨料預(yù)濕對(duì)混凝土干燥收縮的影響

為配置工作性能優(yōu)良，且強(qiáng)度能達(dá)到C40以上的高強(qiáng)輕集料混凝土，本文前期試驗(yàn)分別采用了600～800級(jí)，24 h吸水率>9%的粉煤灰陶粒及頁(yè)巖陶粒制備HSLC，但效果不好，或工作性能不良，或達(dá)不到預(yù)期強(qiáng)度。而24 h吸水率<5%的高性能輕集料生產(chǎn)工藝要求高，造價(jià)高，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)。因此，試驗(yàn)最終采用24 h小時(shí)吸水率為6.06%的高強(qiáng)頁(yè)巖碎石型陶粒，其中S1～S7組試件骨料未預(yù)濕，S8、S9兩組試件對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)濕處理，預(yù)濕時(shí)間分別為1、12 h。以S2試件為對(duì)照組，骨料預(yù)濕對(duì)HSLC約束收縮的影響見(jiàn)圖3(d)。

由圖3(d)可知，S2試件7 d前的收縮應(yīng)變明顯大于S8、S9，7 d后S8、S9收縮應(yīng)變量及增長(zhǎng)率均超過(guò)S2。在水化早期未預(yù)濕的輕集料多孔吸水提高了毛細(xì)管壓力，增加了混凝土的收縮變形，因此，S2試件7 d前的收縮應(yīng)變明顯大于S8、S9。隨著水化的進(jìn)程，混凝土內(nèi)部在約束應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂縫，收縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)也隨之放緩。而經(jīng)過(guò)骨料預(yù)濕的S8、S9試件，由于預(yù)濕骨料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，混凝土內(nèi)微裂縫產(chǎn)生的時(shí)間相對(duì)較晚，且在內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用下水泥水化反應(yīng)更充分，混凝土的收縮變形也持續(xù)增加。由于試驗(yàn)采用高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒為輕集料，低吸水率較低，試驗(yàn)結(jié)果表明，骨料預(yù)濕1 h或12 h對(duì)收縮應(yīng)變影響不大。

2.5 大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土抗裂性能

在約束試驗(yàn)中，用鋼環(huán)應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果計(jì)算得到的是混凝土的殘余應(yīng)力，因此鋼環(huán)應(yīng)變不能很好的反映混凝土的抗裂性能。而受混凝土缺陷、微裂縫等多因素的影響，混凝土環(huán)開(kāi)裂的時(shí)間具有一定的偶然性。因此，以鋼環(huán)應(yīng)變或者實(shí)測(cè)開(kāi)裂時(shí)間作為混凝土抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)都有局限性[19-20]。本文引用開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η作為混凝土的抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η為

(5)

式中：σmax為混凝土環(huán)向最大拉應(yīng)力，MPa；fts為混凝土劈拉強(qiáng)度，MPa。

在混凝土圓環(huán)約束試驗(yàn)中，最大應(yīng)力σmax發(fā)生在環(huán)內(nèi)壁處，即

(6)

式中：εs(t)為鋼環(huán)內(nèi)壁應(yīng)變；Es為鋼材的的彈性模量，取206 GPa；C4R為常數(shù)。

當(dāng)σmax>fts時(shí)，則η>l，混凝土內(nèi)產(chǎn)生微裂縫，以微裂縫產(chǎn)生的時(shí)間為開(kāi)裂齡期。當(dāng)混凝土收縮應(yīng)變曲線(xiàn)急劇降低，表明混凝土環(huán)產(chǎn)生全斷面貫穿性裂縫而失去承載力，以產(chǎn)生貫穿性裂縫的時(shí)間為完全開(kāi)裂齡期。各配比混凝土3、7、14、28 d齡期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、開(kāi)裂齡期及完全開(kāi)裂齡期見(jiàn)表3。

表3 各配比混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)

如表3所示，相同強(qiáng)度等級(jí)的S1與NC比較，S1早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較小，S1產(chǎn)生微裂縫時(shí)間明顯晚于NC，但S1在產(chǎn)生微裂縫后發(fā)展為全斷面貫穿性裂縫的時(shí)間較NC短，NC試件在11 d產(chǎn)生微裂縫后直到44 d才完全開(kāi)裂，因此從混凝土承載能力的角度可以認(rèn)為普通混凝土的抗裂性能要優(yōu)于高強(qiáng)輕集料混凝土。

摻合料類(lèi)型及摻量對(duì)混凝土收縮開(kāi)裂的影響主要表現(xiàn)為對(duì)混凝土抗力和作用的影響。摻合料替代水泥，混凝土的抗拉強(qiáng)度降低，同時(shí)混凝土的自生收縮和彈性模量也下降，表現(xiàn)為混凝土的約束收縮應(yīng)力降低。單摻粉煤灰的四組試件S1～S4中，粉煤灰摻量為20%的S1開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最小，S1試件開(kāi)裂的時(shí)間也最晚；粉煤灰與硅灰復(fù)摻的三組試件S5～S7，硅粉摻量對(duì)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)影響很小，三組試件微裂縫出現(xiàn)的時(shí)間都是6 d，完全開(kāi)裂的時(shí)間也非常接近，但復(fù)摻硅粉的混凝土早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)明顯大于單摻粉煤灰的混凝土，微裂縫出現(xiàn)的時(shí)間也明顯早于單摻粉煤灰的混凝土。

與對(duì)照組S2比較，經(jīng)過(guò)骨料預(yù)濕的兩組試件S8、S9，早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)明顯較小，兩組試件微裂縫出現(xiàn)的時(shí)間都在13 d左右，微裂縫出現(xiàn)也時(shí)間較晚，說(shuō)明骨料預(yù)濕延緩了混凝土內(nèi)微裂縫產(chǎn)生的時(shí)間。且S8、S9的收縮應(yīng)變曲線(xiàn)分別持續(xù)增長(zhǎng)直到45、53 d后緩慢下降而非急劇降低。如果將45、53 d定為S8、S9的完全開(kāi)裂時(shí)間，其完全開(kāi)裂時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)未預(yù)濕的其它組試件，也超過(guò)普通混凝土試件，因此可以認(rèn)為骨料預(yù)濕能極大的提高混凝土的抗裂性能。

3 結(jié)論

本文采用圓環(huán)約束收縮試驗(yàn)，研究大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土約束收縮應(yīng)變規(guī)律及抗裂性能，結(jié)論如下：

(1)相同強(qiáng)度等級(jí)大流動(dòng)性高強(qiáng)輕集料混凝土(HSLC)與普通混凝土(NC)收縮曲線(xiàn)比較，HSLC在7 d前的收縮應(yīng)變量及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率明顯高于普通混凝土，7 d后HSLC收縮應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)明顯減緩，直到混凝土環(huán)開(kāi)裂，開(kāi)裂時(shí)HSLC總收縮應(yīng)變明顯小于普通混凝土。

(2)摻加粉煤灰可以提高混凝土的流動(dòng)性，減小HSLC的收縮，但粉煤灰摻量應(yīng)小于25%；硅灰復(fù)摻雖對(duì)提高HSLC強(qiáng)度有利，但顯著增加混凝土收縮變形。

(3)與相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土比較，高強(qiáng)輕集料混凝土早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較??；粉煤灰能降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，粉煤灰摻量為20%混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最??；復(fù)摻硅粉的混凝土早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)明顯大于單摻粉煤灰的混凝土，微裂縫出現(xiàn)的時(shí)間也明顯早于單摻粉煤灰的混凝土；骨料預(yù)濕延緩了混凝土內(nèi)微裂縫產(chǎn)生的時(shí)間，提高混凝土的抗裂性能。