基于成熟度理論摻氧化鎂混凝土開裂敏感性的評價

秦哲煥，朱國軍，劉杰勝，紀憲坤，劉拼

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070；2.武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

0 引言

混凝土作為建筑行業(yè)中的重要材料，其裂縫控制是衡量工程質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2]。從材料本身的角度考慮，混凝土在約束狀態(tài)下的收縮會使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過極限抗拉強度時，混凝土開裂[3-4]?；炷亮芽p控制的手段很多，摻入適量膨脹劑，利用其在水化過程中增大固相體積來補償收縮，被認為是最經(jīng)濟有效的控制方法之一[5]。

目前，混凝土抗裂性能評價是眾多學(xué)者的研究熱點，常見的評價方法包括圓環(huán)法、平板法[6]，圓環(huán)法敏感性較差，只能處于恒溫環(huán)境，平板法僅考慮早期塑性收縮和干燥收縮引起的開裂，2種方法均存在一定的局限性，并不能真實反映實際條件下的混凝土抗裂性能[7]。溫度應(yīng)力試驗機（TSTM）綜合考慮溫度、約束、應(yīng)力和應(yīng)變多個因素的影響，是目前定量評價混凝土抗裂性能最準確的裝置之一[8]。TSTM通過測得的14個性能參數(shù)，定量評價混凝土的抗裂性能，室溫應(yīng)力、開裂應(yīng)力、應(yīng)力儲備是核心評價指標(biāo)，開裂溫度為綜合評價指標(biāo)，但采用不同的指標(biāo)進行抗裂評價時，也會出現(xiàn)評價結(jié)果不同的情況。混凝土的抗裂評價應(yīng)綜合考慮溫度和極限抗拉強度的發(fā)展[9]。

養(yǎng)護溫度和齡期是混凝土強度增長的關(guān)鍵，成熟度理論綜合考慮了兩者的影響，已廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中評價混凝土的實時強度[10-12]。本文通過配制不同摻量的氧化鎂混凝土，基于成熟度理論分析標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下的劈裂抗拉強度以及TSTM中溫度、應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，以開裂敏感度（約束應(yīng)力與極限抗拉強度的比值）評價混凝土的抗裂性能。

1 成熟度理論

1.1 成熟度計算

養(yǎng)護溫度和齡期是混凝土強度發(fā)展的最主要原因，20世紀初，已有學(xué)者開始研究溫度與齡期的綜合效應(yīng)，并定義混凝土成熟度為養(yǎng)護時間和等效養(yǎng)護溫度的乘積[13]。Freiesleben和Pedersen[14]建立了等效齡期成熟度模型，等效齡期是指同一混凝土在變溫養(yǎng)護下達到一定成熟度的水化時間等效為20℃標(biāo)養(yǎng)條件下的時間，等效齡期被國際預(yù)應(yīng)力協(xié)會列入了混凝土模式規(guī)范。等效齡期的公式圖見式（1），經(jīng)離散化近似處理后為式（2）：

式中：te——等效齡期，h；

T（t）——混凝土養(yǎng)護溫度歷程，℃；

Ti——i時刻對應(yīng)的養(yǎng)護溫度，℃；

△ti——時間間隔，h；

R——普適氣體常數(shù)，R=8.315 J/（mol·K）；

Ea——水化反應(yīng)的特征活化能，T≥20℃時，Ea（T）=33.5 kJ/mol；T＜20℃時，Ea（T）=33.5+1.47×（20-T）kJ/mol。

1.2 成熟度-強度關(guān)系

成熟度間接反應(yīng)了混凝土的強度變化，但兩者間并無理論化的公式圖關(guān)系[15]，要得到變溫環(huán)境下混凝土的強度數(shù)據(jù)，可通過標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下不同齡期的實測強度，擬合得到強度-齡期關(guān)系，結(jié)合式（2）換算變溫歷程下等效齡期，最后通過擬合公式圖計算混凝土強度，擬合結(jié)果的可靠性以決定系數(shù)R2做定量判斷，R2值在0～1之間變化，若R2接近1，表明擬合效果好；否則擬合效果差。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

水泥：華新水泥股份有限公司產(chǎn)，P·O42.5水泥，主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：武漢青山電廠產(chǎn)，Ⅱ級；礦粉：武新新型建材有限公司產(chǎn)，S95級；輕燒氧化鎂：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司產(chǎn)，主要技術(shù)性能見表2，膠凝材料的主要化學(xué)成分見表3；聚羧酸減水劑：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司產(chǎn)，固含量13%，減水率20%；細骨料：河砂，細度模數(shù)2.71；粗骨料：5～25 mm連續(xù)級配花崗巖碎石；水：自來水。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 輕燒氧化鎂的主要技術(shù)性能

表3 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

2.2 試驗方法

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》測試混凝土的3、7、28、60、90 d劈裂抗拉強度。采用北京某公司生產(chǎn)的TSTM測試混凝土的溫度、應(yīng)力發(fā)展歷程，TSTM采用絕熱模式，混凝土以（20±1）℃入模，達到溫峰后維持溫峰48 h，后以1℃/h降溫至-15℃左右，若試件中途斷裂則以降溫終點為開裂溫度。其中，TSTM約束試件的理論約束程度接近100%，為較好地匹配約束狀態(tài)下的強度發(fā)展，劈裂抗拉強度試件采用帶模養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

2.3 試驗配合比

以某實際工程中的C30混凝土配合比為基準，以內(nèi)摻等質(zhì)量取代粉煤灰的方式分別摻入4%、6%、8%輕燒氧化鎂，試驗配合比見表4。為保證混凝土的初始流動狀態(tài)與成型溫度接近，通過改變減水劑摻量控制混凝土出機坍落度為（180±20）mm，控制原材料的溫度使混凝土成型溫度為（20±1）℃。

表4 試驗配合比 kg/m3

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 氧化鎂對混凝土劈裂抗拉強度的影響（見表5）

表5 氧化鎂對混凝土劈裂抗拉強度的影響

由表5可見，氧化鎂摻量為4%或6%時，摻氧化鎂混凝土各齡期的劈裂抗拉強度均高于基準組，且M-6組各齡期的劈裂抗拉強度均高于M-4組。這是因為氧化鎂水化生成了氫氧化鎂晶體，試件的帶模養(yǎng)護使氫氧化鎂晶體較好地填充于混凝土孔隙中，漿體結(jié)構(gòu)的整體密實性提高，有利于強度的發(fā)展。當(dāng)氧化鎂摻量達到8%時，混凝土的3、7、28 d劈裂抗拉強度高于基準組，但60、90 d劈裂抗拉強度略低于基準組，這說明過高的氧化鎂摻量不利于混凝土后期強度的發(fā)展。氧化鎂摻量為6%時，混凝土的劈裂抗拉強度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉強度較基準組分別提高了13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。由此可見，劈裂抗拉強度的增幅隨齡期的延長先增大后減小，這是因為28 d之前氧化鎂的持續(xù)水化逐漸提高了混凝土結(jié)構(gòu)密實性，但28 d以后，粉煤灰更多的基準組具有更高的火山灰效應(yīng)，二次水化程度更高。

3.2 TSTM試驗結(jié)果

TSTM約束試件的溫度發(fā)展見圖1，應(yīng)力發(fā)展見圖2。

圖1 約束試件的溫度發(fā)展

由圖1可見，在升溫階段，M-0、M-4、M-6、M-8的最大溫升分別為27.0、27.2、27.9、29.2℃，相比于M-0基準組，M-4、M-6、M-8的溫升分別提高了0.2、0.9、2.2℃。這是因為氧化鎂的早期活性比粉煤灰高，并且隨著溫度的升高，活性逐漸提高，采用氧化鎂取代粉煤灰，增加了升溫階段膠凝材料的水化速率，因此溫升值增大。在降溫階段，M-0、M-4、M-6、M-8的開裂溫度分別為8.6、3.7、-3.0、-1.1℃，這說明摻入氧化鎂可以降低混凝土的開裂溫度。以開裂溫度為評價指標(biāo)，抗裂性能由高到低依次為：M-6＞M-8＞M-4＞M-0。摻6%氧化鎂的混凝土開裂溫度較基準組降低了11.6℃。

圖2 約束試件的應(yīng)力發(fā)展

由圖2可見，在升溫階段，混凝土壓應(yīng)力的增長速率隨氧化鎂摻量的增加而提高，在保溫階段，各組的壓應(yīng)力達到最大值，M-0、M-4、M-6、M-8的最大壓應(yīng)力分別為0.68、1.00、1.47、1.60MPa。這是因為氧化鎂水化增大了固相體積，在100%約束條件下，膨脹變形越大，壓應(yīng)力越大。降溫階段，試件壓應(yīng)力逐漸降低并轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，最終斷裂。降至20℃室溫時，M-0、M-4、M-6、M-8的約束應(yīng)力（即室溫應(yīng)力）分別為1.46、1.27、1.10、1.10MPa；試件斷裂時，各組的開裂應(yīng)力分別為2.18、2.37、2.47、2.31 MPa。定義應(yīng)力儲備為混凝土開裂應(yīng)力和室溫應(yīng)力的差值與開裂應(yīng)力的比值，各組的應(yīng)力儲備分別為33.0%、46.4%、55.5%、52.4%。

相比于M-0基準組，M-4、M-6、M-8的室溫應(yīng)力分別降低了13.0%、24.7%、24.7%，開裂應(yīng)力分別提高了8.7%、13.3%、6.0%，應(yīng)力儲備分別提高了40.6%、68.2%、58.8%。室溫應(yīng)力是試件對溫度、變形以及約束程度的反應(yīng)，以室溫應(yīng)力為開裂指標(biāo)，抗裂性能順序為：M-6=M-8＞M-4＞M-0；以開裂應(yīng)力為評價指標(biāo)，抗裂性能順序為：M-6＞M-4＞M-8＞M-0；應(yīng)力儲備反映混凝土降溫至環(huán)境溫度時儲備應(yīng)力的大小，以應(yīng)力儲備為評價指標(biāo)，抗裂性能順序為：M-6＞M-8＞M-4＞M-0。

綜上，摻入氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，但采用不同的指標(biāo)，抗裂評價結(jié)果存在差異。這些指標(biāo)可以在一定程度上反應(yīng)混凝土的抗裂性能，但并未考慮溫度歷程和抗拉強度對混凝土的影響。

3.3 等效齡期與開裂敏感度

各組TSTM的溫度歷程可分為升溫-保溫-降溫3個階段，保溫和降溫階段呈線性變化，升溫階段數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，為方便計算，以每小時的平均溫度（△ti）為該時間段內(nèi)養(yǎng)護溫度（Ti），根據(jù)式（2）計算各組開裂時的等效齡期。實際齡期與等效齡期對應(yīng)關(guān)系見圖3。

圖3 實際齡期-等效齡期關(guān)系

由圖3可見，TSTM溫度歷程下的實際齡期較20℃標(biāo)養(yǎng)下的等效齡期要短得多，說明在TSTM中混凝土試件的強度增長高于標(biāo)準養(yǎng)護。M-0、M-4、M-6、M-8斷裂時的等效齡期分別為322.7 h（13.45 d）、340.8 h（14.20 d）、337.8 h（14.08 d）、354.6 h（14.78 d）。

采用Origin 2019按照Allometricl模型對各組實測劈裂抗拉強度進行擬合，擬合曲線及擬合公式圖分別見圖4、表6。

圖4 混凝土劈裂抗拉強度的擬合曲線

表6 混凝土劈裂抗拉強度的擬合公式圖和決定系數(shù)

由圖4和表6可見，各組的擬合決定系數(shù)R2均接近1，表明擬合效果較為理想。根據(jù)各組試件斷裂的等效齡期分別代入表6中的抗拉強度擬合公式圖，得到M-0、M-4、M-6、M-8斷裂時的劈裂抗拉強度。定義開裂敏感度為開裂應(yīng)力與劈裂抗拉強度的比值，其反映混凝土約束狀態(tài)下的開裂概率，考慮了混凝土約束應(yīng)力與劈裂抗拉強度的發(fā)展，是評價混凝土抗開裂性能的重要指標(biāo)。各組混凝土的開裂敏感度見表7。

由表7可見，相比于基準組，M-4、M-6、M-8組的開裂應(yīng)力有所提高，且開裂敏感度分別降低了4.6、5.0、1.8個百分點，這說明混凝土中摻入氧化鎂，開裂概率變低，即抗裂性能提高，抗裂性能評價結(jié)果與TSTM開裂應(yīng)力評價指標(biāo)結(jié)果一致?；炷恋拈_裂敏感度隨氧化鎂摻量的增加先減小后增大，說明氧化鎂對混凝土抗裂性的提高存在最佳摻量。本研究中，氧化鎂摻量為6%時混凝土的抗裂性能最優(yōu)。

表7 混凝土的開裂敏感度

4 結(jié)論

（1）摻4%或6%的氧化鎂可以提高混凝土約束狀態(tài)下的劈裂抗拉強度，摻8%的氧化鎂不利于混凝土后期劈裂抗拉強度的發(fā)展。其中，6%摻量時混凝土的劈裂抗拉強度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉強度較基準組分別提高了13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。

（2）TSTM評價體系中，采用不同的指標(biāo)，評價結(jié)果存在差異。以開裂溫度為評價指標(biāo)，混凝土抗裂性能依次為M-6＞M-8＞M-4＞M-0；以室溫應(yīng)力為開裂指標(biāo)，抗裂性能依次為M-6=M-8＞M-4＞M-0；以開裂應(yīng)力為評價指標(biāo)，抗裂性能依次為M-6＞M-4＞M-8＞M-0；以應(yīng)力儲備為評價指標(biāo)，抗裂性能依次為M-6＞M-8＞M-4＞M-0。

（3）相比于基準組，M-4、M-6、M-8的開裂敏感度分別降低了4.6、5.0、1.8個百分點，混凝土中摻入氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，6%的摻量效果最好。

（4）成熟度理論考慮了混凝土的溫度場變化，開裂敏感度考慮了抗拉強度的發(fā)展，兩者相結(jié)合可以更加準確地評價混凝土的抗裂性能。