加摻合料高性能混凝土早齡期收縮特性

摘要：采用智能型非接觸式微位移傳感器法，對加摻合料高性能混凝土從成型后6 h 到3 d 齡期內(nèi)的自生收縮和單面干燥條件下的總收縮進行試驗研究，并測量了不同齡期混凝土的強度和試件的重量損失。結(jié)果表明：摻入硅灰會略微增加混凝土早期自生收縮，而對早期干燥收縮影響不大；粉煤灰的摻入能大幅度地減小混凝土早期自生收縮，但使早期干燥收縮增加；磨細礦渣只有在摻量較多時才能明顯降低早期自生收縮，卻對早期干燥收縮不利；同水膠比加摻合料混凝土的早期自生收縮與抗壓強度之間有很好的線性關(guān)系，早期干燥收縮與試件的水分散失率間呈近似的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。
關(guān)鍵詞：高性能混凝土；摻合料；自生收縮；干燥收縮；早齡期

混凝土收縮的研究一直受到國內(nèi)外學術(shù)界和工程界的重視，因為實際工程中處于不同約束狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)往往因收縮大而產(chǎn)生開裂，從而對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性構(gòu)成威脅[ 1 ，2 ]。過去，人們都認為收縮是一個長期性能，國標中對收縮的測量一般都是從標養(yǎng)3 d 后開始的；近年來，水泥標號越來越高，混凝土強度和密實度大為提高，混凝土的后期收縮相對減小，更多的收縮發(fā)生在早期，從而引發(fā)了工程中越來越多的早期開裂現(xiàn)象。尤其對于低水膠比的高性能混凝土，因其自生收
縮大且主要發(fā)生在早期，對于早期收縮的研究可能比隨后測到的收縮更為重要[3 ]。
加入礦物摻合料代替部分水泥是配制高性能混凝土最常用方法，而關(guān)于礦物摻合料對高性能混凝土早齡期收縮的影響研究還不多，一些研究結(jié)果之間還存在明顯分歧。本文將采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法[4] ，測量加入不同摻合料高性能混凝土從6 h(相當于初凝) 時開始到3 d 齡期內(nèi)的自生收縮與單面干燥條件下的總收縮，以及在此干燥條件下混凝土試件的重量損失。
1 　試　驗 1.1 　原材料牡丹江水泥廠生產(chǎn)的P. O42.5 普通硅酸鹽水泥. 摻合料使用挪威?？瞎旧a(chǎn)硅灰，深圳第二電廠Ⅰ 級粉煤灰和鞍山鋼鐵集團產(chǎn)磨細礦渣粉. 粗骨料采用石灰?guī)r質(zhì)碎石， Dmax = 20 mm ，連續(xù)級配，壓碎指標為4.9 % ，含泥量< 110 % ; 砂子為松花江江砂，細度模數(shù)為2182 ，屬中砂、Ⅱ 區(qū)級配. 減水劑采用萘系高效減水劑M100 ，減水率為25 %～35 %.
1.2 　混凝土配合比 試驗中僅考慮摻合料等質(zhì)量取代部分水泥單一因素作用，所有配比的混凝土膠凝材料總用量固定為520 kg/m3，水膠比固定為0.3 ，砂率固定為0.38 ，通過減水劑用量使新拌混凝土坍落度控制在18～ 22 cm 范圍內(nèi)，共設(shè)計了基準混凝土(Control) 、摻入硅灰5 %(SF5) 和10 %(SF10) 、摻入粉煤灰20 %(FA20) 和40 %(FA40) 、摻入磨細礦渣粉20 %(SL20) 和40 %(SL40) 七個配比的混凝土，具體配合比及相對應(yīng)的坍落度、抗壓強度值見表1。
1.3 　試驗方案對于混凝土早期收縮的測量，各國還沒有統(tǒng)一標準可依，本文采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法收縮測量儀，具體試驗方法見文獻[4 ]。測量的初始齡期選為混凝土澆注成型6h(接近初凝)，這是由于低水膠比的混凝土在初凝后便開始產(chǎn)生自生收縮，而在此之前混凝土因收縮而產(chǎn)生的裂縫可通過二次抹面等措施消除，但在初凝后混凝土中如果出現(xiàn)宏觀裂縫就很難消除，即初凝后的收縮為有害收縮。采用試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm，每種混凝土同時成型6 個的試件，兩個測量密封條件下的收縮(室溫20 ±0.5 ℃，完全密封與外界無濕度交換) 、兩個測量干燥環(huán)境下的收縮(只將試件成型面暴露于干燥環(huán)境中，即20 ±0.5 ℃， RH = 50 ±5 %) ；另外兩個分別用來測量混凝土在密封、干燥環(huán)境中內(nèi)部溫度變化情況。假設(shè)混凝土溫度膨脹系數(shù)為10 ×10-6/ ℃，結(jié)合以上幾個測量值即可換算出恒溫條件下混凝土的早期自生收縮和總收縮值[6 ]。同時還測量了混凝土在密封及單面干燥條件下的重量損失情況。
2 　結(jié)果與分析 2.1 　自生收縮各混凝土的自生收縮測量結(jié)果如圖1 ，可見，摻硅灰對混凝土1 d 內(nèi)自生收縮基本無影響，而1 d 后摻硅灰混凝土收縮開始加快，超過了基準混凝土，到3 d 時摻5 % 、10 % 硅灰使混凝土自生收縮分別增加了618 % 和10 %. 這是因為1 d 齡期內(nèi)硅灰主要發(fā)揮細顆粒物理填充作用，化學活性并不顯著；而1 d 之后這兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。與基準混凝土相比，隨著粉煤灰摻量的增多，混凝土早期自生收縮明顯減小。粉煤灰摻量20 % 、40 % 使混凝土1d 時自生收縮分別減小了29.7 % 、45 % ；3 d 時自生收縮減小率分別為20.5 % 、38.1 %，可見摻入粉煤灰對早齡期內(nèi)自生收縮的降低作用顯著，這將有利于防止或減輕混凝土早期開裂。圖1 　礦物摻合料對混凝土早期自生收縮的影響通常認為細度大于4000 cm2/g 的磨細礦渣摻入后會增大混凝土自生收縮[5] ，但試驗結(jié)果是從1 d 齡期開始測量得到的。從本試驗結(jié)果看，由于礦渣的摻入對混凝土有一定的緩凝作用，在開始測量的幾個小時里，摻礦渣混凝土自生收縮值小于基準混凝土，且摻量越多收縮越??；1 d 后摻量20 % 的混凝土自生收縮值開始超過基準混凝土，而摻量40 % 的混凝土由于產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，開始時的收縮值非常小甚至有微膨脹現(xiàn)象[6] ，其自生收縮在整個測量期間均遠小于基準混凝土；到3 d 時摻入礦渣20 % 、40 % 的混凝土自生收縮值分別為基準混凝土的110.6 % 、54.6 %。
由以上分析可見，各摻合料對混凝土早期自生收縮的影響比較復(fù)雜，與摻合料種類、摻量和齡期等因素相關(guān). 而抗壓強度能在一定程度上反映出膠凝材料的水化程度，Eurocode prEN 提議用混凝土抗壓強度來預(yù)測混凝土自生收縮值[7 ] 。為了能用一個簡單變量預(yù)測出摻合料對同水膠比混凝土自生收縮的影響，將同一齡期的加摻合料混凝土與基準混凝土的抗壓強度比與自生收縮值比進行回歸分析(如圖2) ，發(fā)現(xiàn)兩者之間有很好的線性關(guān)系： εa/εa0 = A ( f c/ f c0) + B [1 ]。式中：εa 、εa0分別為加與不加摻合料時混凝土的自生收縮值(10- 6) ；f c 、f c0 分別為加與不加摻合料混凝土的抗壓強度值(MPa) 。圖2 　混凝土早期自生收縮與抗壓強度值間關(guān)系 2.2 　干燥條件下的總收縮由于實際工程中早期養(yǎng)護不當?shù)幕炷两^大多數(shù)只是處于單面干燥狀態(tài)下，因而本試驗中只是將混凝土試件成型面置于干燥環(huán)境中，其他側(cè)面密封的條件下測量棱柱體試件沿中心軸向的收縮值. 從試驗結(jié)果圖3 可見，在整個試驗期間，摻與不摻硅灰混凝土總收縮值相差僅在10 % 范圍內(nèi)，到3 d 時摻硅灰混凝土總收縮值比基準混凝土大約6 % ，因此，摻硅灰對混凝土早期干燥條件下的總收縮值影響不大。圖3 　單面干燥條件下混凝土的早期總收縮
由于明顯地減小了早期自生收縮，摻粉煤灰混凝土的總收縮值均低于基準混凝土;但由于粉煤灰混凝土強度發(fā)展較慢，混凝土早期密實度低于基準混凝土，因而其在干燥條件下的水分散失率較大，使得其對總收縮值的降低不如自生收縮明顯，到3 d 時，摻40 % 粉煤灰混凝土總收縮值僅比基準混凝土降低約5.4 %。
在開始測量的6～8 h 內(nèi)，摻礦渣混凝土的總收縮值小于基準混凝土，而且摻量越大的混凝土收縮值越小。這是由于在此期間礦渣混凝土自生.收縮值較小，同時因其表面泌水能夠及時地補充水分蒸發(fā)，從而混凝土內(nèi)部向外的水分遷移和由此帶來的相對濕度降低還不明顯。隨后，由于強度發(fā)展緩慢且礦渣的保水性不好，摻礦渣混凝土中水分的不斷散失以及相對應(yīng)自生收縮增長速度的加快使總收縮值增長速率加快，逐漸超過了基準混凝土1 d 齡期時，摻量20 % 、40 % 礦渣混凝土的總收縮值比基準混凝土均高約13.7 %；3 d 齡期時，分別高出18.7 % 和32.6 %。
2.3 　干燥收縮及其與水分散失率間關(guān)系對于低水膠比的高性能混凝土，不能將其在干燥條件下的收縮簡單地歸為干燥收縮，而是自生收縮與干燥收縮共同作用的結(jié)果。盡管早期干燥引起的水分散失會在一定程度上影響到混凝土自生收縮，這時混凝土的實際自生收縮值小于密封條件下的自生收縮[ 8 ]。但通常還是用測量到的混凝土在干燥條件下的總收縮εt 與密封條件下的自生收縮值εa 相減來評價干燥收縮εd =εt -εa 。
圖4 為用上述方法換算出的各混凝土干燥收縮值。可見，干燥收縮主要發(fā)生在開始的6～10 h 內(nèi)，之后隨著混凝土密實度的提高和強度的增長，收縮逐漸趨于平穩(wěn)；由于摻40 % 礦渣的混凝土早期強度發(fā)展很慢，結(jié)構(gòu)不致密，且保水性差，因而其干燥收縮發(fā)展速度很快，直到1 d 后才逐漸趨于緩和. 各摻合料混凝土與基準混凝土相比，摻硅灰混凝土干燥收縮與基準混凝土基本相同;摻粉煤灰混凝土早期干燥收縮大于基準混凝土30 %～ 40 % ，而兩種不同摻量的混凝土相比差別不大；摻礦渣混凝土早期干燥收縮明顯高于基準混凝土，且摻量越大收縮越大，3 d 時摻量20 % 、40 % 的礦渣混凝土干燥收縮比基準混凝土分別高出30 % 、130 % ，其中摻礦渣40 % 的混凝土由于泌水量較多，而且出現(xiàn)明顯地緩凝現(xiàn)象，因而早期干燥收縮異常地大。

圖4 　計算得到的混凝土干燥收縮各混凝土早期干燥收縮與試件中水分散失率間的關(guān)系如圖5 所示，其中摻礦渣40 %的混凝土因結(jié)構(gòu)形成緩慢收縮異常偏大，此圖中沒有列出它的數(shù)據(jù)點。可見，混凝土水分散失率越大，早期干燥收縮值也越大，干燥收縮與試件的水分散失率間存在近似的對數(shù)關(guān)系εd = Cln (wl) + D(3). 式中：wl 為試件在干燥條件下的水分散失率，其值等于：試件的重量損失/ 試件中初始總用水量× 100 ， (%)；C 、D為常數(shù)。圖5 中的回歸曲線與試驗數(shù)據(jù)點相關(guān)性較好。圖5 　混凝土早期干燥收縮與水分散失率間關(guān)
3 　結(jié)　論 1) 硅灰的加入不會增加混凝土早期干燥收縮，但對早期自生收縮略有增大作用. 粉煤灰的摻入能大幅度地降低混凝土早期自生收縮，但也會降低混凝土早期強度，從而增大了早期干燥收縮，使其對干燥條件下混凝土的總收縮值降低并不明顯. 因而工程中宜采用復(fù)合摻入的方式以抵消單一摻合料帶來的負面影響；
2) 磨細礦渣對混凝土早期收縮的影響與摻量、齡期等有關(guān)，摻量較小時會增加1 d 后自生收縮，摻量較多時因強度發(fā)展緩慢，能明顯降低自生收縮，但卻對早期干燥收縮不利，使得混凝土在干燥條件下的總收縮值反而大于基準混凝土，因而應(yīng)對此類混凝土加強早期保濕養(yǎng)護；
3) 與同水膠比的基準混凝土相比，加摻合料混凝土早期自生收縮比與其抗壓強度比之間存在很好的線性關(guān)系；
4) 對于同水膠比的混凝土，早期干燥收縮與試件的水分散失率間呈近似的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。參考文獻： [1] 巴恒靜，高小建. 約束條件下高性能混凝土的早期開裂[J ]. 混凝土， 2002(5) ： 3 -6. [2] 高小建，巴恒靜. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與裂縫控制中值得探討的幾個問題[J ]. 混凝土， 2001(11) ： 12 -13.[3] TAZAWA E ， MIYAZAWA S. Influence of cement and ad2 mixture on autogenous shrinkage of cement paste[J ]. Cement and Concrete Research ，1995 ， 25(2) ： 281 -287. [4] 巴恒靜，高小建，楊英姿. 高性能混凝土早期自收縮測試方法研究[J ]. 工業(yè)建筑， 2003 ， 33(8) ：1 -4. [5]L IM S N ， WEE T H. Autogenous shrinkage of ground2 granulated blast2furnace slag concrete [J ]. ACI Materials Journal ， 2000 ， 97(5) ： 587 -593. [6]BREU GEL K V. Numerical modeling of volume changes at early ages2potential ， pitfalls and challenges[J ]. Materi2 als and Structures ， 2001 ， 34(5) ： 293 -301. [8] 高小建，巴恒靜，祁景玉. 混凝土水灰比與其早期收縮關(guān)系的研究[J]. 同濟大學學報， 2004 ， 32(1) ：67 -71.