石粉對(duì)自密實(shí)混凝土收縮性能的影響

何世欽，高鵬飛，白紫云，王 輝，孫東興，徐紹峰

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引 言

收縮性能是混凝土體積穩(wěn)定性的重要特性之一，與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失、混凝土強(qiáng)度、裂縫開(kāi)展?fàn)顩r，甚至是耐久性關(guān)系密切[1-2]。目前學(xué)者從材料內(nèi)部的配合比組成[3-5]、外部的工作環(huán)境[6]等因素對(duì)普通混凝土的收縮性能進(jìn)行了大量研究，且結(jié)論較為一致。自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete， SCC)相比普通混凝土具有水膠比低、膠凝材料用量大的特點(diǎn)，工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)研究[7-8]表明，SCC的收縮特性不同于普通混凝土。隨著天然砂資源的短缺，價(jià)格上漲，采用機(jī)制砂配制自密實(shí)混凝土成為了必然趨勢(shì)。機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生與母巖巖性相同的石粉，目前石粉對(duì)SCC干燥收縮的研究結(jié)論不一。林燕妮[9]發(fā)現(xiàn)摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的石粉時(shí)可以減少SCC的干燥收縮，當(dāng)摻入石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%時(shí)，干燥收縮隨著石粉摻量的增加而增大。薛曉芳等[10]研究表明石粉的摻入不同程度地增大了SCC的干燥收縮，但影響不明顯。何民偉[11]的研究表明隨著摻入石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SCC的干燥收縮值不斷增加，混凝土的收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增大。SCC作為一種高性能混凝土，其自收縮不可忽略。而關(guān)于石粉對(duì)SCC自收縮影響的研究較少，普遍認(rèn)為石粉的摻入可以減少SCC的自收縮[12-14]。

綜上，目前石粉對(duì)SCC收縮性能影響的研究仍缺乏系統(tǒng)性，考慮因素較單一，且無(wú)適用于摻石粉SCC的收縮預(yù)測(cè)模型。本文研究了不同水膠比和石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下SCC在28 d齡期內(nèi)的自收縮和干燥收縮規(guī)律，提出了考慮水膠比和石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SCC自收縮與干燥收縮預(yù)測(cè)模型。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

原材料主要包括水泥、粉煤灰、石英砂、粗骨料、減水劑和清潔自來(lái)水。水泥為金隅P·O 42.5水泥，粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，粗骨料為粒徑5～10 mm和10～20 mm的兩級(jí)配骨料，其中10～20 mm的骨料占總體骨料的60%。細(xì)骨料采用五種粒徑的石灰?guī)r石英砂，按表1進(jìn)行混合，級(jí)配曲線如圖1所示。石粉為石灰石粉，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)外摻方法進(jìn)行調(diào)整。減水劑采用聚羧酸減水劑，減水劑和保塑劑母液按1 ∶1的質(zhì)量比進(jìn)行配制。主要材料的密度如表2所示。

圖1 石英砂級(jí)配曲線Fig.1 Grading curves of arenaceous quartz

表1 石英砂不同粒徑比例Table 1 Different particle size ratios of arenaceous quartz

表2 材料密度Table 2 Material density

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮水膠比和石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCC收縮性能的影響，參照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)，以V漏斗試驗(yàn)和坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)評(píng)價(jià)SCC性能，當(dāng)V漏斗通過(guò)時(shí)間為10～25 s、擴(kuò)展度大于550 mm時(shí)SCC合格。設(shè)計(jì)了水粉比為0.9、1.0和1.1，水膠比為0.30、0.34和0.37，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%和20%的9組SCC配合比，如表3所示。其中，膠凝材料包括水泥和粉煤灰，水粉比為水與膠凝材料的體積比，水膠比為水與膠凝材料的質(zhì)量比，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為石粉與石英砂的質(zhì)量比。表3中以編號(hào)0.30-10為例，表示水膠比為0.30，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

表3 SCC配合比Table 3 Mix proportion of SCC

1.3 收縮測(cè)量方法

1.3.1 總收縮試驗(yàn)方法

采用HSP-540型混凝土收縮膨脹儀(見(jiàn)圖2)測(cè)量總收縮，環(huán)境溫度為16 ℃，濕度為25%。采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，兩端預(yù)埋金屬測(cè)頭。試件成型后帶試模養(yǎng)護(hù)1 d，脫模后繼續(xù)澆水覆膜養(yǎng)護(hù)2 d，在第3天時(shí)(從混凝土攪拌加水算起)用千分表測(cè)量初始長(zhǎng)度，隨后放置在架空的鐵架之上，分別在1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d時(shí)間間隔測(cè)量收縮值。

圖2 HSP-540型混凝土收縮膨脹儀Fig.2 HSP-540 concrete shrinkage and expansion instrument

1.3.2 自收縮試驗(yàn)方法

自收縮試件的試驗(yàn)方法及養(yǎng)護(hù)條件與總收縮試件相同，但需在第3天測(cè)量自收縮試件初始長(zhǎng)度后立即使用塑料薄膜包裹密封，外漏金屬測(cè)頭用石蠟反復(fù)密封，防止水分流失。干燥收縮等于總收縮減去自收縮。

2 結(jié)果與討論

2.1 總收縮性能分析

總收縮和自收縮隨齡期(t)的變化曲線如圖3所示，其中0.30-10AS代表水膠比為0.30，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)試件的自收縮；0.30-10TS代表水膠比為0.30，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)試件的總收縮。28 d的總收縮值為330×10-6～430×10-6，在7 d之前的增長(zhǎng)速率較高，在14～28 d收縮增長(zhǎng)開(kāi)始放緩，但是依然有一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。相同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，水膠比減小時(shí)總收縮略增大；相同水膠比條件下，總收縮隨著石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。28 d齡期自收縮在總收縮中占比情況如表4所示。自收縮平均占總收縮的36.6%，說(shuō)明在SCC的收縮問(wèn)題中自收縮不容忽視。

圖3 總收縮和自收縮隨齡期變化規(guī)律Fig.3 Change rules of total shrinkage and autogenous shrinkage with age

表4 自收縮占總收縮百分比Table 4 Percentage of autogenous shrinkage in total shrinkage

2.2 自收縮性能分析

水膠比對(duì)SCC自收縮的影響如圖4所示。在28 d齡期內(nèi)，7 d之前收縮較快，14～28 d收縮放緩；自收縮整體上隨著水膠比的減小而增大。對(duì)比水膠比為0.37時(shí)28 d齡期自收縮，當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，水膠比為0.34和0.30時(shí)自收縮分別增加5.6%和11.2%；當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，水膠比為0.34和0.30時(shí)自收縮分別增加6.3%和12.7%；當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，水膠比為0.34和0.30時(shí)自收縮分別增加4.1%和14.2%。說(shuō)明同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，混凝土內(nèi)部的膠凝材料越多，持續(xù)的水化過(guò)程會(huì)消耗更多的自由水，釋放更多的熱量，造成混凝土內(nèi)部更傾向于干燥，微小孔隙失水造成毛細(xì)管處于負(fù)壓狀態(tài)，形成局部受壓，增大自收縮。

圖4 不同水膠比下各石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)自收縮變化曲線Fig.4 Autogenous shrinkage change curves corresponding to each mass fraction of limestone powder under different water to binder ratios

石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCC自收縮的影響如圖5所示。在28 d齡期內(nèi)，同水膠比條件下，在7 d之前，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，SCC自收縮增長(zhǎng)速率越大，在7 d之后，不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SCC自收縮增長(zhǎng)速率區(qū)別不大，整體上自收縮隨著石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈明顯的增大趨勢(shì)。相比石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)的28 d齡期自收縮，當(dāng)水膠比為0.37時(shí)，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)自收縮分別增加17.8%和38.8%；當(dāng)水膠比為0.34時(shí)，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)自收縮分別增加18.6%和36.3%；當(dāng)水膠比為0.30時(shí)，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)自收縮分別增加19.3%和42.0%。由于石粉粒徑較小，其摻入會(huì)使膠凝材料質(zhì)量增加，用水量增大，使混凝土內(nèi)部更早進(jìn)入欠飽和階段；雖然石粉在一定程度上可以完善顆粒級(jí)配，但同時(shí)會(huì)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在細(xì)小空隙，增加了微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，因此當(dāng)內(nèi)部干燥時(shí)，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，自收縮越大。

圖5 不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下各水膠比對(duì)應(yīng)自收縮變化曲線Fig.5 Autogenous shrinkage change curves corresponding to each water to binder ratio under different mass fractions of limestone powder

2.3 干燥收縮性能分析

水膠比對(duì)SCC干燥收縮的影響如圖6所示，其中0.30-10DS代表水膠比為0.30，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)試件的干燥收縮。同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同水膠比時(shí)干燥收縮值相差不大，分析其原因有兩點(diǎn)：(1)水膠比跨度不明顯；(2)水膠比對(duì)干燥收縮的影響主要體現(xiàn)在水膠比大的混凝土試件某階段內(nèi)自由水更多，有更多的水散發(fā)到空氣中，從而使干燥收縮性能不同，而本試驗(yàn)環(huán)境濕度低，在水膠比相近的情況下，試件處于過(guò)干燥狀態(tài)。

圖6 不同水膠比下各石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)干燥收縮變化曲線Fig.6 Drying shrinkage change curves corresponding to each mass fraction of limestone powder under different water to binder ratios

石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCC干燥收縮的影響如圖7所示。同水膠比條件下，當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%和10%時(shí)，干燥收縮區(qū)別不大；當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，干燥收縮明顯增大。說(shuō)明適量的石粉會(huì)完善顆粒級(jí)配，對(duì)干燥收縮不會(huì)造成負(fù)面影響；而當(dāng)石粉摻量較大(≥20%)時(shí)，會(huì)在混凝土內(nèi)部形成許多微小的毛細(xì)孔，當(dāng)表層失水時(shí)，存在的毛細(xì)孔連成通道，加快水分向表層運(yùn)動(dòng)，從而不利于干燥收縮。

圖7 不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下各水膠比對(duì)應(yīng)干燥收縮變化曲線Fig.7 Drying shrinkage change curves corresponding to each water to binder ratio under different mass fractions of limestone powder

3 SCC自收縮與干燥收縮預(yù)測(cè)模型

目前混凝土收縮表達(dá)式主要形式包括雙曲線型、對(duì)數(shù)式型和指數(shù)式型[15]。由于考慮的收縮影響因素不同，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者建立了不同的收縮預(yù)測(cè)模型，其中最具代表性的有ACI-209R模型、CEB-FIP模型、GL2000模型和B3模型等[16-20]。由于SCC收縮特性不同于普通混凝土，普通混凝土的收縮預(yù)測(cè)模型不適用于SCC的收縮預(yù)測(cè)。本文基于試驗(yàn)結(jié)果，考慮水膠比、石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)及齡期三個(gè)影響因素，以SCC第3天(從混凝土攪拌加水算起)作為收縮測(cè)試初始時(shí)間，采用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元非線性擬合，分別建立了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境)下適合SCC自收縮與干燥收縮發(fā)展規(guī)律的預(yù)測(cè)模型。

(1)自收縮預(yù)測(cè)模型

εsh(t)=2.96×R1×R2×e-6.89/t+23

(1)

(2)干燥收縮預(yù)測(cè)模型

εsh(t)=217×R1×R2×e-5.32/t+33.99

(2)

式中：εsh(t)代表齡期為t時(shí)混凝土的收縮值,10-6；R1為水膠比影響因子；R2為石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響因子；β1為水膠比；β2為石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù),%；t為混凝土齡期(t≥1),d。

自收縮、干燥收縮試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線分別如圖8、圖9所示，其中0.30-10FD和0.30-10TD分別代表水膠比為0.30，石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)收縮預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值。自收縮預(yù)測(cè)模型R2為0.974,干燥收縮預(yù)測(cè)模型R2為0.978，擬合效果較好，可用于考慮石粉影響的SCC自收縮與干燥收縮的預(yù)測(cè)。

圖8 自收縮試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curves between test values and model forecast values of autogenous shrinkage

圖9 干燥收縮試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curves between test values and model forecast values of drying shrinkage

4 結(jié) 論

(1)SCC 28 d的總收縮值為330×10-6～430×10-6。同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，水膠比減小時(shí)總收縮略增大；同水膠比條件下，總收縮隨石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，自收縮平均占總收縮的36.6%。

(2)SCC 28 d齡期內(nèi)自收縮隨著水膠比的減小而增大，隨石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大；當(dāng)摻入石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，自收縮可增大42.0%。

(3)水膠比在0.30～0.37時(shí)，SCC干燥收縮受水膠比的影響較小，但隨石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，SCC干燥收縮明顯增大。

(4)本文提出了考慮水膠比及石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的自收縮與干燥收縮預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。