早齡期混凝土半絕熱狀態(tài)溫度分布與開裂研究

陳志娟， 雷 冬， 洪 淼

（河海大學力學與材料學院，南京 210098）

隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展，大體積混凝土建筑越來越多. 由于大體積混凝土體積過大，混凝土表面為自由散熱，內部幾乎為絕熱狀態(tài)，因此大體積混凝土表層為半絕熱狀態(tài)，且大體積混凝土在早期水化反應中會產生大量熱量且難以及時散熱［1-2］，從而會導致其內外溫差過大，易發(fā)生溫度裂縫. 溫度裂縫是混凝土早期開裂的主要形式之一［3-4］，且早期裂縫往往會發(fā)展為宏觀裂縫. 裂縫不僅會降低混凝土結構的承載能力［5-7］，而且還會為侵蝕性物質進入提供內部通道［8-11］，進而會加速混凝土結構的破壞，最終影響混凝土工程的耐久性和安全性［12］. 目前已有較多學者對混凝土溫度變化、應力分布及開裂規(guī)律進行了研究. 彭兆鋒和易紅晟［13］測量了早齡期混凝土內溫度場，據此計算了早齡期混凝土的溫度應力，并將其溫度應力與強度對比，確定了混凝土的開裂規(guī)律. 趙智輝等［14］研究了溫度影響下混凝土的早期變形特征和凝結時間，并提出了確定混凝土凝結時間的新方法. 張文博等［15］通過觀測秋冬季現場養(yǎng)護條件下大體積粉煤灰混凝土早期溫度變化規(guī)律研究了其抗裂性能. 李潘武等［16］通過研究不同約束條件下的早齡期混凝土屋面板溫度應力得出，不同約束條件下早齡期混凝土屋面板不同區(qū)域的應力不同，并建議在養(yǎng)護過程中應結合實際情況對其高應力區(qū)域進行重點監(jiān)控，以防范裂縫出現. 早齡期混凝土為養(yǎng)護時間低于標準齡期28 d的混凝土，因為早齡期混凝土的強度并未得到充分發(fā)展，所以可能會產生裂紋進而影響其結構安全. 不同水灰比的混凝土試件的水泥含量不同，導致其性能也會不同. 目前對不同水灰比的早齡期混凝土在半絕熱狀態(tài)下的溫度變化、應變分布的研究還很少. 鑒于此，本研究采用紅外測溫裝置及數字圖像相關設備對不同水灰比的早齡期混凝土在半絕熱狀態(tài)下的溫度變化以及應變分布規(guī)律進行了分析，以期為混凝土早期開裂機理、裂紋發(fā)展及防治的研究提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 原材料與配合比

制備早齡期混凝土試件所需的材料包括水泥、砂、水以及一根圓柱形花崗巖骨料，其中水泥、砂和水按一定比例混合即形成砂漿. 制備不同水灰比的早齡期混凝土試件所用的砂漿配合比如表1所示. 水泥采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，砂為天然河砂，圓柱形花崗巖骨料（直徑5 cm）如圖1所示.

圖1 圓柱形花崗巖骨料示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylindrical granite aggregate

表1 制備不同水灰比的早齡期混凝土試件所用的砂漿配合比Tab.1 Mortar composition for preparing early-age concrete specimens with different water-cement ratios

1.2 試驗裝置

本研究所使用的紅外測溫裝置為AT-IRSX 長波紅外相機（品牌及型號：IRSX-I-336，量程：-40 ℃～135 ℃），應變測量裝置為數字圖像相關（Digital Image Correlation，簡稱DIC）設備，DIC 設備包括互補金屬氧化物半導體相機（Complementary Metal Oxide Semiconductor，簡稱CMOS 相機）及對應的分析軟件. 使用計算機分別對長波紅外相機以及CMOS相機進行控制，如圖2所示.

圖2 紅外測溫裝置與應變測量裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of infrared temperature measuring device and strain measuring device

半絕熱試驗裝置包括混凝土模具和保溫箱兩個部分，如圖3所示. 外部的保溫箱箱體尺寸為74 cm×74 cm×49 cm，其由1 cm厚的聚丙烯箱體以及20 cm厚的聚氨酯復合保溫板組成；內部的混凝土模具箱體尺寸為32 cm×32 cm×31 cm，是由一個尺寸稍小的1 cm厚的聚丙烯箱體和3 cm 厚的聚氨酯復合保溫板組成. 由于聚氨酯復合保溫板是所有保溫材料中導熱系數最低的［17-18］，因此選用該材料填充在兩個聚丙烯箱體之間用以模擬大體積混凝土水化早期的半絕熱狀態(tài). 為防止水分滲漏，保證水化反應的正常進行，在混凝土模具箱體內部的聚氨酯復合保溫板表面覆蓋上一層聚乙烯（Polyethylene，PE）膜，以防止砂漿和聚氨酯復合保溫板黏結.

圖3 半絕熱試驗裝置示意圖（單位：cm）Fig.3 Schematic diagram of semi-adiabatic test device（unit：cm）

1.3 試驗方法

根據表1 所示的砂漿配合比制備早齡期混凝土試件，每個早齡期混凝土試件都是24 cm×24 cm×24 cm 的立方體. 早齡期混凝土試件的具體制備步驟如下：首先，將混凝土單骨料固定于混凝土模具中心位置，混凝土單骨料采用圓柱形花崗巖骨料（直徑5 cm）；然后將水泥、砂和水按照一定的配合比在攪拌臺上混合均勻形成砂漿；最后將砂漿填入混凝土模具中，并將其放置于振動臺上振動至表面出漿、氣泡不再增多時即可制備出早齡期混凝土試件. 然后將盛放早齡期混凝土試件的混凝土模具放入保溫箱中，用紅外測溫裝置對早齡期混凝土試件溫度進行實時監(jiān)測. 待早齡期混凝土試件表面稍固化后，在其表面人為噴灑一些隨機的散斑，使用DIC設備對早齡期混凝土試件表面的應變進行觀測.

2 試驗結果與分析

2.1 溫度分析

不同水灰比的早齡期混凝土試件的溫度情況如表2所示. 因為水灰比為0.30的早齡期混凝土試件是在初春完成的，所以其環(huán)境溫度為20.00 ℃，低于另外兩組的環(huán)境溫度. 水灰比為0.30的早齡期混凝土試件是在水化反應至23.50 h時達到最高溫，骨料最高溫度為47.32 ℃，砂漿最高溫度為43.76 ℃；水灰比為0.35的早齡期混凝土試件是在水化反應至19.00 h時達到最高溫，且在水化反應至10.30 h時溫度上升速度出現折減，骨料的最高溫度為50.29 ℃，砂漿的最高溫度為47.15 ℃；水灰比為0.40的早齡期混凝土試件是在水化反應至30.00 h時達到最高溫，且在水化反應至11.50 h時溫度上升速度出現折減，骨料的最高溫度為42.12 ℃，砂漿的最高溫度為39.72 ℃. 水灰比為0.35和0.40的早齡期混凝土試件在溫度上升過程中都出現了升溫速度折減現象，原因可能是水泥漿體在水化反應初期反應較為充分，產生的熱量較多，升溫速度較快，隨著水化反應的進行，漿體凝結，能參與水化反應的組分變少，產生的熱量有所下降，因而導致升溫速度減緩［19-20］. 由表2 可知，在相同環(huán)境溫度下，水灰比為0.35 的早齡期混凝土試件達到最高溫度的時間遠遠小于水灰比為0.40 的早齡期混凝土試件，說明低水灰比的早齡期混凝土試件的水化速率更快，且其能達到的最高溫度更高，骨料與砂漿的溫度差值也更大.

表2 不同水灰比的早齡期混凝土試件的溫度情況Tab.2 Temperatures of early-age concrete specimens with different water-cement ratios

2.2 應變分析

不同水灰比的早齡期混凝土試件的表面應變云圖分別如圖4、圖5和圖6所示，圖中黑色圓形代表圓柱形花崗巖骨料. 應變云圖按照彩虹色分配，暖色為數值大的應變區(qū)，冷色為數值小的應變區(qū)，數值大的應變區(qū)相連形成應變集中區(qū). 可以看出，不同水灰比的早齡期混凝土試件表面的應變集中區(qū)均隨著時間的推移越來越明顯. 由圖4可以看出，水灰比為0.30的早齡期混凝土試件在水化反應至38 h時，其骨料附近并未出現明顯的應變集中區(qū)，而在水化反應至39 h和40 h，其骨料附近均出現了較為明顯的應變集中區(qū)，這些區(qū)域的應變比周圍區(qū)域的應變大，可能會導致裂縫的產生，說明水灰比為0.30的早齡期混凝土試件的起裂時間大約在水化反應至39 h后. 由圖5可以看出，水灰比為0.35的早齡期混凝土試件在水化反應至34 h時，其骨料附近未出現應變集中區(qū)，在水化反應至35 h 和36 h 時，其骨料附近均出現了應變集中區(qū). 由圖6 可以看出，水灰比為0.40的早齡期混凝土試件在水化反應至47 h時，其骨料附近未出現應變集中區(qū)，在水化反應至48 h和49 h，其骨料附近均出現了應變集中區(qū). 應變集中區(qū)的應變比周圍區(qū)域應變大，可能會導致裂縫的產生，由此可以推測，水灰比為0.35和0.40的早齡期混凝土試件的起裂時間分別在水化反應35 h后和48 h后.結合表2可知，不同水灰比的早齡期混凝土試件的起裂時間均在其達到最高溫之后，此時的試件正處于降溫期. 通過比較不同水灰比的早齡期混凝土試件的表面應變發(fā)現，水灰比越大的早齡期混凝土試件的應變集中區(qū)越明顯，試件也越容易開裂.

圖4 水灰比為0.30的早齡期混凝土試件的表面應變云圖Fig.4 Surface strain nephogram of early-age concrete specimen with the water-cement ratio of 0.30

圖5 水灰比為0.35的早齡期混凝土試件的表面應變云圖Fig.5 Surface strain nephogram of early-age concrete specimen with the water-cement ratio of 0.35

圖6 水灰比為0.40的早齡期混凝土試件的表面應變云圖Fig.6 Surface strain nephogram of early-age concrete specimen with the water-cement ratio of 0.40

早齡期混凝土的強度發(fā)展不充分，很容易產生微裂紋，而這些微裂紋通過肉眼很難捕捉，所以在溫度測量以及應變測量結束后，使用放大倍數為40倍的顯微鏡觀察早齡期混凝土試件表面是否有裂紋產生.裂紋產生的原因主要是混凝土拉應力大于對應時刻混凝土的開裂極限應力，因此混凝土拉應力或者拉應變、收縮應變較大且其變形受到較強約束的區(qū)域最有可能是其開裂的區(qū)域. 由此可以推斷出，當早齡期混凝土試件表面出現應變集中區(qū)時，該試件表面就可能會出現裂紋，而通過觀察不同時刻早齡期混凝土試件的表面應變就能得出其可能開裂的時間. 由圖7可以看出，不同水灰比的早齡期混凝土試件表面均有裂紋產生，且裂紋位置均集中在其骨料附近. 結合圖4～6可以發(fā)現，不同水灰比的早齡期混凝土試件表面產生裂紋的位置基本與其表面的應變集中區(qū)位置相對應. 因為骨料附近砂漿的應變比遠離骨料砂漿的應變大，且由于界面過渡區(qū)的存在，交界面附近的砂漿較為脆弱，所以不同水灰比的早齡期混凝土試件的開裂位置基本分布在其骨料與砂漿的交界處，故應對早齡期混凝土骨料與砂漿交界處的應變進行重點監(jiān)控，以防裂縫出現.

圖7 不同水灰比的早齡期混凝土試件的裂紋圖Fig.7 Crack diagrams of early-age concrete specimens with different water-cement ratios

以水灰比為0.35的早齡期混凝土試件為代表，在其骨料與砂漿交界處選取一個測點以分析早齡期混凝土的應變變化趨勢，測點示意圖如圖8所示，應變分析結果如圖9所示.

圖8 早齡期混凝土試件的應變測點位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of strain measuring point position of early-age concrete specimen

圖9 早齡期混凝土試件的測點應變隨時間變化曲線Fig.9 Variation curve of measuring point strain of early-age concrete specimen with time

從圖9可以看出，隨著水化反應時間的增加，早齡期混凝土試件表面的應變先增大后減小. 在水化反應的86 h內，早齡期混凝土試件表面的應變均為正值，即為膨脹應變. 根據圖9中的曲線走勢可以推斷，隨著水化反應時間的繼續(xù)增加，早齡期混凝土試件表面會出現收縮應變，并且收縮應變會逐漸增大，這是由于早齡期混凝土試件會發(fā)生水化反應，此時放熱膨脹起主導作用，而隨著水化放熱的結束，混凝土砂漿中的水分幾乎全部蒸發(fā)掉，于是混凝土表面的收縮應變開始占主導位置［21］.

3 結論

通過試驗比較了不同水灰比的早齡期混凝土試件的半絕熱溫升情況和表面應變情況，同時根據早齡期混凝土試件的溫度分布規(guī)律以及表面應變情況對其開裂規(guī)律進行了分析，得出以下結論：

1）在相同環(huán)境溫度下，水灰比越小，早齡期混凝土試件骨料和砂漿的溫度就越高，同時其到達最高溫的時間也越短.

2）不同水灰比的早齡期混凝土試件表面的應變集中區(qū)均出現在其骨料附近，且應變集中區(qū)出現的時間均在其最高溫度出現之后，而這些應變集中區(qū)往往是早齡期混凝土容易開裂的位置. 半絕熱狀態(tài)下，早齡期混凝土的開裂時間基本在其達到最高溫度后的一段時間，在這段時間后應注意重點防范溫度裂縫的產生.

3）早齡期混凝土表面首先會經歷膨脹應變期，且膨脹應變先增大后減小，然后會進入收縮應變期，且收縮應變逐漸增大. 膨脹應變期的長短取決于混凝土的水灰比和內外溫差.