戈壁環(huán)境下?lián)脚蛎泟┗炷敛煌课坏臏囟群蛻?yīng)變研究

尹道道，郭城瑤，秦哲煥，王海龍，紀(jì)憲坤

（武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

開裂是混凝土應(yīng)用中備受關(guān)注的重點(diǎn)問題，開裂會(huì)影響混凝土的耐久性，降低混凝土的使用性能和服役時(shí)間。我國西北戈壁地區(qū)具有晝夜溫差大、空氣濕度低、大風(fēng)天氣多等特點(diǎn)。有研究表明[1-2]，西北地區(qū)惡劣的氣候環(huán)境會(huì)加大混凝土收縮，增加混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。針對西北地區(qū)的混凝土開裂問題，可在施工工藝、養(yǎng)護(hù)方式等方面采取措施[3-4]，也可通過膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮，降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。目前工程中常用的膨脹劑有氧化鈣類、硫鋁酸鈣類、氧化鎂類、氧化鈣-硫鋁酸鈣類、鈣鎂復(fù)合類等。不同膨脹劑的價(jià)格、性能和適用范圍等均有差異，結(jié)合西北地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)和項(xiàng)目需求選取適宜的膨脹劑，對保證工程應(yīng)用效果和提高工程質(zhì)量具有重要意義。

考慮到膨脹劑實(shí)際應(yīng)用環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境差別較大，有必要對實(shí)際環(huán)境下膨脹劑的性能展開研究。在實(shí)體結(jié)構(gòu)中埋設(shè)應(yīng)變計(jì)是研究膨脹劑實(shí)際應(yīng)用效果時(shí)最常用的方法[5-8]，通過應(yīng)變計(jì)測試實(shí)體結(jié)構(gòu)的溫度和應(yīng)變，可對膨脹劑的應(yīng)用效果進(jìn)行分析?，F(xiàn)有關(guān)于西北地區(qū)戈壁環(huán)境下膨脹劑應(yīng)用效果的研究較少，同時(shí)有關(guān)應(yīng)變計(jì)埋設(shè)位置與溫度、應(yīng)變間關(guān)系的研究也較少。本文通過在西北戈壁地區(qū)進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，研究了戈壁環(huán)境下?lián)脚蛎泟┗炷敛煌课粶囟群蛻?yīng)變的變化規(guī)律，對比了鈣質(zhì)膨脹劑和鎂質(zhì)膨脹劑在戈壁環(huán)境下的補(bǔ)償收縮效果。試驗(yàn)結(jié)果可為西北戈壁環(huán)境下膨脹劑的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

P·O42.5 水泥、Ⅱ級粉煤灰、S75 礦粉：均產(chǎn)自甘肅；鈣質(zhì)膨脹劑：武漢三源有限責(zé)任公司產(chǎn)氧化鈣-硫鋁酸鈣復(fù)合膨脹劑，按照GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》測得其20 ℃水中7 d 限制膨脹率為0.068%；鎂質(zhì)膨脹劑：武漢三源有限責(zé)任公司產(chǎn)輕燒氧化鎂，依據(jù)DL/T 5296—2013《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》采用檸檬酸法測試的氧化鎂活性指數(shù)為140 s，按照CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》測得其20 ℃水中7 d 限制膨脹率為0.017%。細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)2.6；粗骨料：5～25 mm 連續(xù)級配碎石；聚羧酸減水劑：固含量15%；水：自來水。膠凝材料的主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)配合比

所用混凝土強(qiáng)度等級為C45，其中膨脹劑內(nèi)摻取代等質(zhì)量的粉煤灰和水泥，摻量為膠凝材料質(zhì)量的8%，試驗(yàn)配合比如表2 所示。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝土應(yīng)變的測試方法

試驗(yàn)采用南京葛南生產(chǎn)的VWS-15 型振弦應(yīng)變計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測各測點(diǎn)的溫度和應(yīng)變，通過MCU-32 型自動(dòng)測量單元記錄應(yīng)變計(jì)所測信息。應(yīng)變?chǔ)?按式（1）計(jì)算：

式中：K——應(yīng)變計(jì)的測量應(yīng)變量靈敏度，由廠家提供，με/F；

F、F0——分別為應(yīng)變計(jì)測量的實(shí)時(shí)頻率模數(shù)值和基準(zhǔn)頻率模數(shù)值，F(xiàn)；

b——應(yīng)變計(jì)的熱膨脹系數(shù)，由廠家提供，με/℃；

α——混凝土的熱膨脹系數(shù)，本試驗(yàn)取10×10-6με/℃；

T、T0——分別為應(yīng)變計(jì)測試的實(shí)時(shí)溫度數(shù)值和基準(zhǔn)溫度值，℃。本試驗(yàn)取混凝土澆筑完成時(shí)為溫度測量基準(zhǔn)點(diǎn)、混凝土終凝時(shí)為應(yīng)變測量基準(zhǔn)點(diǎn)。

1.3.2 應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)方法

混凝土足尺模型尺寸為1500 mm×1500 mm×1500 mm，模型所用鋼筋型號及配筋率等均與某實(shí)際項(xiàng)目保持一致。試驗(yàn)時(shí)將應(yīng)變計(jì)綁扎在足尺模型豎向中軸線處的鋼筋上，上下2個(gè)應(yīng)變計(jì)距混凝土表面10 mm，應(yīng)變計(jì)垂直方向五等分放置，記錄應(yīng)變計(jì)編號，如圖1 所示。

圖1 混凝土中應(yīng)變計(jì)埋設(shè)位置示意

1.3.3 混凝土成型與現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測

按照表2 配合比成型3 種足尺模型，成型時(shí)控制攪拌車運(yùn)輸時(shí)間和混凝土澆筑時(shí)間及混凝土入模溫度，以降低入模溫度對試驗(yàn)結(jié)果的影響。成型后及時(shí)養(yǎng)護(hù)，適時(shí)拆模，避免施工不當(dāng)導(dǎo)致混凝土開裂。采用溫度采集儀監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境溫度，監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境溫度

由圖2 可見，前1 個(gè)月試驗(yàn)現(xiàn)場最高氣溫高于30 ℃的天氣較多，后1 個(gè)月現(xiàn)場氣溫有所下降；試驗(yàn)過程中最高氣溫為33 ℃，最低氣溫為4 ℃；現(xiàn)場溫度變化較大，晝夜溫差平均在13 ℃左右，最大晝夜溫差達(dá)20 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 戈壁環(huán)境下?lián)脚蛎泟┗炷敛煌课坏臏囟茸兓?guī)律（見圖3）

由圖3 可見，3 組足尺寸模型的溫度變化規(guī)律基本相同：均是在混凝土澆筑后快速升至溫峰，隨后緩慢降至環(huán)境溫度，最后各部位溫度均隨環(huán)境溫度波動(dòng)而波動(dòng)。比較同一模型不同部位升溫階段數(shù)據(jù)可以看出，混凝土模型上半部分平均溫度高于下半部分，說明混凝土模型中熱量傳輸方向?yàn)樽韵孪蛏?；混凝土模型溫度降至環(huán)境溫度后，上部溫度波動(dòng)幅度最大，下部溫度波動(dòng)幅度最小，這可能和上部與環(huán)境熱交換更多有關(guān)。

圖3 不同足尺寸模型混凝土不同部位的溫度

表3 統(tǒng)計(jì)了混凝土不同部位到達(dá)溫峰的時(shí)間及溫峰值。

表3 混凝土不同部位溫峰時(shí)間及溫峰值

由表3 可見：摻入膨脹劑后混凝土的最高溫度高于基準(zhǔn)組；基準(zhǔn)組的最高溫度出現(xiàn)在中部，混凝土澆筑后1.37 d 到達(dá)溫峰，溫峰為69.2 ℃；鈣質(zhì)組混凝土最高溫度出現(xiàn)在上部，混凝土澆筑后0.50 d 到達(dá)溫峰，溫峰為75.8 ℃；鎂質(zhì)組混凝土最高溫度出現(xiàn)在中上部位，混凝土澆筑后1.33 d 到達(dá)溫峰，溫峰為71.4 ℃。與鎂質(zhì)組混凝土相比，鈣質(zhì)組混凝土雖然溫峰更高，出現(xiàn)時(shí)間更早，但其下部、中下部及中上部的溫峰值均低于鎂質(zhì)組混凝土同一部位溫峰值，可見對混凝土特定部位而言，其溫度場變化是水化放熱和熱傳導(dǎo)等多因素耦合的結(jié)果。

2.2 戈壁環(huán)境下?lián)脚蛎泟┗炷敛煌课坏膽?yīng)變變化規(guī)律

混凝土不同時(shí)間應(yīng)變數(shù)據(jù)可通過式（1）計(jì)算得到，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)混凝土原始應(yīng)變數(shù)據(jù)繁雜，為使不同位置的應(yīng)變規(guī)律更加清晰，通過Origin Pro 2019 軟件將原始數(shù)據(jù)按分組刪減，設(shè)相鄰10 個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)為1 組，將同組內(nèi)的齡期和應(yīng)變求平均值作圖，處理后的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同足尺寸模型混凝土不同部位的應(yīng)變

由圖4 可見，不同混凝土的應(yīng)變規(guī)律基本一致，隨著時(shí)間推移，不同部位應(yīng)變均負(fù)向增大，混凝土由膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)為收縮狀態(tài)，最后整體處于收縮狀態(tài)；摻膨脹劑后混凝土收縮應(yīng)變明顯小于基準(zhǔn)組，說明2 種膨脹劑均起到了抑制混凝土收縮的效果；鈣質(zhì)組混凝土下、中下和上3 個(gè)部位均為先膨脹后收縮，其中下部膨脹值最大，可達(dá)38 με；6 周后，鈣質(zhì)組混凝土不同部位收縮應(yīng)變大小關(guān)系為由下往上逐漸增大，且上部與下部間收縮應(yīng)變差值最終在70 με 左右；從整個(gè)試驗(yàn)期看，鈣質(zhì)組混凝土上部應(yīng)變數(shù)據(jù)波動(dòng)最大，其應(yīng)變最高為膨脹32 με，最低為收縮132 με。鎂質(zhì)組混凝土下部膨脹值最大可達(dá)35 με，且下部膨脹狀態(tài)持續(xù)15 d 后開始收縮，最終收縮應(yīng)變?yōu)?8 με左右，鎂質(zhì)組混凝土不同部位應(yīng)變大小關(guān)系為下部收縮應(yīng)變最小，中下、中、中上3 個(gè)部位收縮相近，上部收縮應(yīng)變最大，上部與下部間收縮應(yīng)變差值最終在35 με 左右；上部應(yīng)變數(shù)據(jù)波動(dòng)最大，其應(yīng)變最大為膨脹28 με，最小為收縮81 με。對比鈣質(zhì)組和鎂質(zhì)組混凝土可見，2 種混凝土中均是下部最終收縮最小且數(shù)據(jù)波動(dòng)最小，而上部最終收縮最大且數(shù)據(jù)波動(dòng)也大，說明外界溫度變化對上部影響最大而對下部影響最?。绘V質(zhì)組混凝土上部與下部之間的收縮差值只有鈣質(zhì)組混凝土的50%左右，這可能是由于摻鈣質(zhì)膨脹劑混凝土上部溫度過高（溫峰75.8 ℃），破壞了部分鈣質(zhì)膨脹源中的鈣礬石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致上部收縮補(bǔ)償相對較少。

2.3 戈壁環(huán)境中鈣質(zhì)膨脹劑和鎂質(zhì)膨脹劑補(bǔ)償收縮效果對比

由上述分析可知，混凝土不同部位的應(yīng)變不同，中部應(yīng)變最接近不同部位的應(yīng)變平均值，為便于比較不同混凝土試件間應(yīng)變規(guī)律，將摻膨脹劑混凝土中部應(yīng)變曲線減去基準(zhǔn)組混凝土中部應(yīng)變曲線可得到膨脹劑的補(bǔ)償收縮曲線，2 種膨脹劑的補(bǔ)償收縮曲線如圖5 所示。

圖5 鈣質(zhì)膨脹劑和鎂質(zhì)膨脹劑的補(bǔ)償收縮曲線

由圖5 可見，基準(zhǔn)組、鈣質(zhì)組和鎂質(zhì)組混凝土收縮規(guī)律基本一致，混凝土收縮主要發(fā)生在前5 d，5 d 后混凝土收縮速度減慢，基準(zhǔn)組混凝土收縮最大，鈣質(zhì)組混凝土收縮次之，鎂質(zhì)組混凝土收縮最小，最終補(bǔ)償收縮量為112 με，鈣質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量為68 με。對比2 種膨脹劑補(bǔ)償收縮曲線可以發(fā)現(xiàn)：2 種膨脹劑補(bǔ)償收縮均主要發(fā)生在前5 d，且2 種膨脹劑補(bǔ)償收縮量增長時(shí)期和混凝土收縮增長時(shí)期基本保持一致，說明2 種膨脹劑均能抑制混凝土早期收縮；從5～66 d 膨脹劑的補(bǔ)償收縮量來看，鈣質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量平均值為71 με 左右，鎂質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量平均值為91 με 左右，說明鎂質(zhì)膨脹劑整體的補(bǔ)償收縮量更大；隨著時(shí)間推移，鈣質(zhì)組混凝土的補(bǔ)償收縮量逐漸平穩(wěn)，鎂質(zhì)組混凝土的補(bǔ)償收縮量波動(dòng)較大且仍有緩慢增加的趨勢，可見鎂質(zhì)膨脹劑的補(bǔ)償收縮效果持續(xù)時(shí)間更長。

補(bǔ)償收縮量與膨脹劑的性能密切相關(guān)。鈣質(zhì)膨脹劑前期水化較快，其膨脹能釋放集中在前期，因此鈣質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量前期增長較快，后期基本未見增長；由于氧化鎂活性受溫度影響較大，本試驗(yàn)中鎂質(zhì)組混凝土內(nèi)部前期溫度較高，在此溫度下氧化鎂具有較高的活性，因此鎂質(zhì)組混凝土前期補(bǔ)償收縮量增長較快，后期溫度降低后，氧化鎂反應(yīng)活性降低，同時(shí)后期反應(yīng)的氧化鎂量變少，因此鎂質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量后期增加變緩。鈣質(zhì)膨脹劑主要膨脹源為鈣礬石，本試驗(yàn)中混凝土內(nèi)部最高溫度可達(dá)70 ℃以上，在此溫度下鈣礬石會(huì)分解，此外西北地區(qū)空氣干燥，大風(fēng)天氣多，在此環(huán)境下鈣礬石易脫水發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[9]，鈣礬石生成量的減少會(huì)影響鈣質(zhì)膨脹劑的補(bǔ)償收縮效果；相較之下，鎂質(zhì)膨脹劑的膨脹源為氫氧化鎂，氫氧化鎂的化學(xué)和物理穩(wěn)定性相對較好，其生成量基本未受本試驗(yàn)溫度和濕度變化的影響，這是鎂質(zhì)膨脹劑補(bǔ)償收縮量要大于鈣質(zhì)膨脹劑補(bǔ)償收縮量的原因。

3 結(jié)論

（1）鈣質(zhì)組混凝土最高溫度出現(xiàn)在上部，澆筑后0.50 d 到達(dá)溫峰，溫峰為75.8 ℃；鎂質(zhì)組混凝土最高溫度出現(xiàn)在中上部位，澆筑后1.33 d 到達(dá)溫峰，溫峰為71.4 ℃。2 種膨脹劑混凝土中均是上半部分溫度高于下半部分，且上部溫度隨環(huán)境波動(dòng)最大，下部溫度隨環(huán)境波動(dòng)最小。

（2）鈣質(zhì)組混凝土和鎂質(zhì)組混凝土的應(yīng)變均隨溫度波動(dòng)而波動(dòng)，且2 種混凝土均是下部收縮最小而上部收縮最大，其中鈣質(zhì)組混凝土上部應(yīng)變最大為膨脹32 με，最小為收縮132 με，鎂質(zhì)組混凝土上部應(yīng)變最大為膨脹28 με，最小為收縮81 με；鈣質(zhì)組混凝土上部與下部間收縮應(yīng)變差值最終在70 με，鎂質(zhì)組混凝土上部與下部間收縮應(yīng)變差值最終在35 με。

（3）2 種膨脹劑均能補(bǔ)償混凝土收縮，鎂質(zhì)膨脹劑的補(bǔ)償收縮效果持續(xù)時(shí)間更長，隨著時(shí)間推移，鈣質(zhì)補(bǔ)償收縮量逐漸平穩(wěn)，鎂質(zhì)補(bǔ)償收縮量仍在小幅增加，最終鎂質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量在112 με，鈣質(zhì)組混凝土補(bǔ)償收縮量在68 με。