膨脹劑對(duì)混凝土早期基本徐變的影響

李 華， 汪 洋， 王育江，， 劉加平， 田 倩

（1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103）

在混凝土中摻加膨脹劑制成補(bǔ)償收縮混凝土是目前工程中最常用的從材料角度抑制混凝土收縮變形的措施之一.該措施不僅在隧道、橋梁、地下空間等抗裂防滲要求較高的鋼筋混凝土工程中得到大量應(yīng)用，還在鋼管混凝土拱橋、超高層結(jié)構(gòu)鋼管柱等體積穩(wěn)定性要求高的填充性混凝土工程中得到使用［1-2］.根據(jù)水化產(chǎn)物的不同，常用膨脹劑有硫鋁酸鈣型、CaO 型、MgO 型，以及上述類型的復(fù)合等.作為外加劑，膨脹劑摻入后對(duì)混凝土自收縮、干燥收縮及力學(xué)性能的影響已有大量研究，并得到一些普遍共識(shí)規(guī)律；但其對(duì)混凝土徐變性能的影響研究較少，且現(xiàn)有研究主要集中于硫鋁酸鈣型膨脹劑［3-5］.近年來(lái)，膨脹效能更高、需水量小的CaO 型膨脹劑和水化產(chǎn)物穩(wěn)定、膨脹歷程可調(diào)控的MgO 型膨脹劑在鋼筋混凝土和填充性混凝土中得到越來(lái)越多的應(yīng)用.然而，其對(duì)混凝土徐變性能，尤其是早齡期混凝土徐變性能的影響仍缺乏研究，而徐變性能也是影響鋼筋混凝土抗裂性能以及填充性混凝土長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.

鑒于此，本文研究了CaO 膨脹劑及其與MgO 膨脹劑復(fù)合后對(duì)C60 自密實(shí)混凝土早期徐變行為的影響，并與規(guī)范中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以期為考慮膨脹劑影響的混凝土徐變模型的建立提供基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及混凝土配合比

膨脹劑為自制的CaO 膨脹劑（編號(hào)C）和MgO膨脹劑（編號(hào)M），其化學(xué)組成見(jiàn)表1.其他原材料包括P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95 礦渣粉、中河砂、石灰石、PCA-Ⅰ型聚羧酸減水劑和自來(lái)水.

參考某橋梁工程實(shí)際配合比，試驗(yàn)用C60 自密實(shí)混凝土配合比見(jiàn)表2.其中，REF 代表未摻膨脹劑的空白混凝土；6%C 代表?yè)郊?%CaO 膨脹劑（以膠凝材料總質(zhì)量計(jì)）的混凝土；6%C1.7M1 和10%C1.7M1 代表同時(shí)摻加CaO 膨脹劑和MgO 膨脹劑的混凝土，2 種膨脹組分的質(zhì)量比均為1.7∶1，總摻量分別為6%和10%.

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土的壓縮徐變采用彈簧式徐變儀測(cè)試，加載齡期分別為3、7、28 d，加載應(yīng)力為對(duì)應(yīng)齡期同尺寸試件軸心抗壓強(qiáng)度（fc）的40%.混凝土徐變?cè)嚰捎脙蓚?cè)帶有孔洞（用于預(yù)埋鋼桿及固定螺母）的100 mm×100 mm×300 mm 鋼模成型；2 d 后拆除外鋼模，立即用塑料薄膜和鋁箔紙包裹、密封試件，并放入標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室（（20±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%）養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)至加載齡期后，在試件兩側(cè)預(yù)埋鋼桿上架設(shè)千分表，并采用彈簧式徐變儀測(cè)試混凝土的徐變變形.每組試驗(yàn)包含2 根試件，試件的徐變值取其試驗(yàn)平均值.同時(shí)成型與徐變?cè)嚰叽绲目箟簭?qiáng)度、彈性模量及自生體積變形試件，2 d 拆模后與徐變?cè)嚰绞矫芊?，并放入?biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中養(yǎng)護(hù).其中自生體積變形試件放入標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室后立即用千分表測(cè)量長(zhǎng)度變化；抗壓強(qiáng)度和彈性模量試件養(yǎng)護(hù)至各加載齡期時(shí)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

4 組混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度（fc）如圖1 所示.由圖1 可見(jiàn)，各加載齡期下，3 組摻加膨脹劑的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較空白混凝土稍有降低，但降幅均不超過(guò)10%.根據(jù)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度來(lái)確定混凝土徐變測(cè)試時(shí)不同加載齡期所施加的荷載值，如表3 所示.由表3 可見(jiàn)，由于同齡期下各組混凝土軸心抗壓強(qiáng)度偏差較小，不同混凝土的軸壓荷載取值基本一致.4組混凝土的靜彈性模量（E）如圖2 所示.由圖2 可見(jiàn)，3 組摻加膨脹劑的混凝土彈性模量與空白混凝土偏差較小，3 d 降幅不超過(guò)4%，7 d 降幅不超過(guò)7%，28 d降幅不超過(guò)8%.

圖2 混凝土彈性模量Fig.2 Elastic modulus of concrete

表3 混凝土徐變測(cè)試時(shí)的施加荷載值Table 3 Load values at different loading ages for concrete

圖1 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度Fig.1 Uniaxial compressive strength of concrete

2.2 混凝土徐變變形

4 組混凝土在不同加載齡期下的總應(yīng)變（εt，包括瞬時(shí)應(yīng)變和徐變應(yīng)變）隨時(shí)間（t）的變化如圖3 所示，圖中以加水成型時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn).由圖3 可見(jiàn)，每個(gè)加載齡期下混凝土的總應(yīng)變均包含最初加載時(shí)極短時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)應(yīng)變及隨后長(zhǎng)期的徐變應(yīng)變.盡管有研究表明，混凝土的徐變變形在加載一開(kāi)始就已經(jīng)產(chǎn)生，加載極短時(shí)間內(nèi)的變形同時(shí)包括彈性變形和徐變變形，但精確區(qū)分該時(shí)間范圍內(nèi)的2 種變形非常困難，本文為簡(jiǎn)化分析，仍假設(shè)最初加載時(shí)的瞬時(shí)應(yīng)變均為彈性應(yīng)變.

圖3 混凝土在不同加載齡期的總應(yīng)變隨時(shí)間的變化Fig.3 Development of total strain of concrete with time at different loading ages

除彈性變形外，每個(gè)加載齡期下的總變形還包括混凝土自身水化及水分消耗產(chǎn)生的自生體積變形（εa）.對(duì)于未摻膨脹劑的空白混凝土REF，該自生體積變形即為自收縮；對(duì)于摻加膨脹劑的混凝土6%C、6%C1.7M1 和10%C1.7M1，該自生體積變形是混凝土基體收縮和膨脹劑膨脹的綜合結(jié)果.

4 組混凝土自生體積變形隨時(shí)間的變化如圖4 所示，圖中以加水成型時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，以3 d 齡期變形為自生體積變形零點(diǎn).由圖4 可以看出：在180 d 齡期內(nèi)，REF 的收縮變形隨齡期不斷增加，但增長(zhǎng)速率逐漸放緩；膨脹劑的摻加顯著降低了混凝土的自收縮，相較于REF，6%C、6%C1.7M1 和10%C1.7M1在180 d 齡期的收縮變形分別降低了236×10-6、126×10-6、320×10-6，尤其是10%C1.7M1，在180 d內(nèi)仍然表現(xiàn)為微膨脹狀態(tài).比較6%C、6%C1.7M1和10%C1.7M1，并結(jié)合表2 可以發(fā)現(xiàn)，混凝土自生體積變形大致隨著CaO 膨脹組分摻量的提高而增大，即10%C1.7M1＞6%C＞6%C1.7M1＞REF，在CaO 膨脹組分含量近似相同的情況下（6%C和10%C1.7M1），MgO 膨脹組分的摻入進(jìn)一步增加了混凝土28 d 后的膨脹變形.

圖4 混凝土的自生體積變形隨時(shí)間的變化Fig.4 Development of autogenous deformation of concrete with time

在總應(yīng)變（εt）上扣除瞬時(shí)彈性應(yīng)變（ε0）和自生體積變形（εa）后，得到各組混凝土的基本徐變應(yīng)變（εc）.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算得到各組混凝土在不同加載齡期下的徐變系數(shù)（φ）和徐變度（C），如圖5、6 所示.

圖5 混凝土徐變系數(shù)Fig.5 Creep coefficient of concrete

式中：σ為加載應(yīng)力（對(duì)應(yīng)表3 中的荷載值）.

圖6 混凝土徐變度Fig.6 Creep compliance of concrete

由圖5、6 可以看出：對(duì)于每組混凝土，其徐變系數(shù)和徐變度均隨持荷時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，基本隨加載齡期的增大而降低；相較REF，摻加膨脹劑的3 組混凝土的徐變系數(shù)和徐變度均有不同程度增加.比較6%C、6%C1.7M1 和10%C1.7M1 發(fā)現(xiàn)，混凝土的徐變系數(shù)和徐變度基本隨著膨脹劑總摻量或CaO 膨脹組分摻量的提高而增大.MgO 的摻加進(jìn)一步增加了混凝土后期徐變的發(fā)展，這與文獻(xiàn)［6-8］的研究結(jié)果相一致.綜合軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及徐變變形測(cè)試結(jié)果可知，本試驗(yàn)中膨脹劑的摻加對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響較小，但對(duì)徐變性能的影響較大.因此，膨脹劑對(duì)混凝土徐變的影響并非僅僅由于強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的降低導(dǎo)致.

雖然產(chǎn)生混凝土徐變的機(jī)理尚未完全被認(rèn)知，但普遍認(rèn)為，徐變的產(chǎn)生主要與混凝土中水分的遷移、水泥C-S-H 凝膠體的變形及集料的延遲彈性變形有關(guān).近年來(lái)的研究［9］也發(fā)現(xiàn)，熟料的溶解可以部分解釋混凝土早期測(cè)定的高徐變行為.由表2 可知，本試驗(yàn)中，膨脹劑等量取代膠凝材料后，混凝土的漿骨比保持不變，因此，各組混凝土徐變性能的差異主要由漿體性能差異導(dǎo)致.Sirtoli 等［3］研究了硫鋁酸鹽水泥基材料的早期基本徐變，發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鈣快速水化且水化產(chǎn)物類似骨料約束著C-S-H 的徐變變形，同時(shí)水化需要大量消耗水等原因也導(dǎo)致早期基本徐變降低.但相較于硫鋁酸鹽，CaO 和MgO 水化需水量小，對(duì)混凝土內(nèi)部水分及濕度影響較小.有研究表明，適量摻加CaO 膨脹劑可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，改善骨架組分與水泥漿體的界面，特別是在水化初期，因?yàn)榕蛎泟┑乃磻?yīng)更快，水化產(chǎn)物硬度更大，能夠填充和擠實(shí)C-S-H 體系［10-11］，這些影響均會(huì)導(dǎo)致混凝土早期徐變的降低.但如果膨脹劑摻量過(guò)高或不均勻的摻入，膨脹劑將產(chǎn)生過(guò)大的局部膨脹，形成初始損傷（微裂紋），從而導(dǎo)致混凝土徐變?cè)龃?本試驗(yàn)中，膨脹劑的摻加雖對(duì)混凝土早期宏觀力學(xué)性能影響較小，但顯著降低了混凝土的自生體積變形，甚至在摻量較高的情況下，導(dǎo)致混凝土呈微膨脹狀態(tài)，因此，推測(cè)膨脹劑的摻加可能增大了基體的孔隙率，甚至產(chǎn)生微裂紋；在膨脹劑摻量較高的情況下，Ca（OH）2等膨脹產(chǎn)物也會(huì)在骨料-漿體界面過(guò)渡區(qū)聚集.這種微結(jié)構(gòu)的變化可能不會(huì)顯著影響宏觀力學(xué)性能，但會(huì)對(duì)持續(xù)加載下的徐變變形產(chǎn)生影響.此外，本試驗(yàn)混凝土膠凝材料中已有約30%的礦物摻合料，CaO 膨脹劑摻加后，對(duì)礦粉和粉煤灰的水化有促進(jìn)作用，從而導(dǎo)致C-S-H 凝膠體含量增加.同時(shí)，CaO 和MgO 膨脹劑的摻加也導(dǎo)致額外溶解現(xiàn)象的發(fā)生，這些因素均會(huì)導(dǎo)致混凝土徐變?cè)龃?

2.3 徐變?cè)囼?yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

國(guó)內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范中均給出了混凝土徐 變 的 計(jì) 算 模 型，其 中ACI 209［12］、CEB-FIP MC90-99［13］和AASHTO LRFD 2007［14］等 模 型 整 體描述了徐變規(guī)律，但不細(xì)分干燥徐變和基本徐變；B3（B4）［12］和fib 2010 模 型［15］區(qū) 分 了 基 本 徐 變 和 干 燥徐變.

fib 2010 給出的基本徐變系數(shù)表達(dá)式如下：

式中：t0為混凝土加載齡期，d；fcm為混凝土28 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；βbc（fcm）=1.8/（（fcm）0.7）；βbc（t，t0）為加載后徐變隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)，βbc（t，t0）=ln（（30/t0，adj+0.035）2（t-t0）+1），t0，adj為 混 凝 土 加 載 調(diào) 整 齡期，d，與溫度和水泥類型相關(guān)，本文取t0，adj=t0.

基于fib 2010 模型的徐變度計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：Et0為混凝土加載時(shí)的彈性模量.

根據(jù)式（4）得到的4 組混凝土徐變度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖7 所示.由圖7 可以看出，fib 2010模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果總體吻合性較好.具體而言，對(duì)于空白混凝土REF，3 d 加載齡期時(shí)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大，尤其是持荷前5 d 的實(shí)測(cè)結(jié)果明顯小于計(jì)算結(jié)果，持荷10 d 以后兩者隨時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)基本一致；7 d 加載齡期時(shí)，兩者差距進(jìn)一步縮??；28 d 加載齡期時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合.對(duì)于摻加膨脹劑的3 組混凝土，其中CaO 摻量最低的6% C1.7M1 各齡期徐變發(fā)展實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合性較好；CaO 摻量較高的6% C，其徐變發(fā)展趨勢(shì)高于fib 2010 模型計(jì)算結(jié)果；CaO 摻量最高且同時(shí)摻加MgO 的10% C1.7M1，隨著持荷時(shí)間的延長(zhǎng)，其徐變發(fā)展速率顯著高于fib 2010 模型計(jì)算結(jié)果.如前文所述，這主要與后期MgO 進(jìn)一步膨脹有關(guān).因此，對(duì)于摻加膨脹劑的混凝土，尤其是在膨脹劑摻量較高的條件下，有必要在計(jì)算模型中進(jìn)一步考慮膨脹劑水化膨脹的影響，特別要考慮徐變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)的影響.

圖7 混凝土徐變度f(wàn)ib 2010 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison between calculated value of creep based on fib 2010 model and measured value of concrete

3 結(jié)論

（1）在基本不影響抗壓強(qiáng)度和彈性模量的情況下，膨脹劑的摻加增大了混凝土的基本徐變變形.混凝土徐變度和徐變系數(shù)基本隨著膨脹劑總摻量或CaO 膨脹組分摻量的提高而增大.

（2）未摻膨脹劑的空白混凝土及CaO 膨脹劑摻量較低時(shí)，混凝土徐變度實(shí)測(cè)結(jié)果與fib2010 模型計(jì)算結(jié)果吻合度較好，但在CaO 膨脹劑摻量較高的條件下，混凝土徐變發(fā)展趨勢(shì)明顯高于模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步摻加MgO 后，混凝土后期徐變進(jìn)一步增加.

（3）對(duì)于CaO 膨脹劑摻量較高或進(jìn)一步摻加MgO 膨脹劑的混凝土，有必要研究膨脹對(duì)徐變隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)的影響，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行修正.