摻合料高強高性能混凝土自收縮的實驗研究

楊超越，陳 波，楊 楊，2，江晨暉

YANG Chaoyue1，CHEN Bo1，YANG Yang1，2，JIANG Chenhui3，4

(1.浙江工業(yè)大學建筑與工程學院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州310014;3.浙江工業(yè)大學材料科學與工程學院，浙江 杭州310014;4.浙江建設職業(yè)技術學院，浙江 杭州311231)

隨著混凝土技術的進步與工程建設的需要，高強高性能混凝土在工程中被越來越普遍的應用。使用高標號的水泥、增加膠凝材料的用量、摻入活性礦物摻合料(如礦渣粉、硅粉等)、添加超塑化劑以降低水膠比等技術措施，是目前配制高強高性能混凝土的主要技術途徑［1］。然而，這些措施致使高強高性能混凝土的硬化特點及其內部結構同傳統(tǒng)的普通混凝土相比有著很大的差異，隨之帶來的是:早期體積穩(wěn)定性差、容易開裂等問題。研究表明，高強高性能混凝土的早期開裂問題，自收縮是其中的主要原因之一［2］。

早在1940年，Davis 就認為混凝土的自身體積變形(自收縮)應定義為因其內部本身的物理和化學轉化而引起的體積變形［3-4］。雖然國內外學者采用的自收縮定義仍未完全統(tǒng)一，但普遍認為自收縮不包括因物質的損失或侵入，溫度的變化或外部力量或限制物的應用引起的體積變形［5-7］。本文旨在通過實驗研究，討論分析摻30%粉煤灰、50%礦渣微粉的常用高強高性能混凝土的自收縮特性，并與不摻摻合料的基準水泥混凝土進行了對比。同時，考察混凝土自收縮值與強度之間的關聯(lián)性。

1 實驗概況

1.1 原材料及混凝土配合比

本研究中配制混凝土所選用原材料的基本物理性質見表1。所用混凝土的水膠比為0.30，為提高其工作性，混凝土攪拌時摻入HG-PCA600 聚羧酸系高效減水劑，拌合而成的混凝土的坍落擴展度控制在500～550 mm?；炷僚浜媳取韬衔锏奶匦约皬姸纫姳?。粉煤灰的摻量為30%，礦渣的摻量為50%(均為膠凝材料總質量百分數(shù))，所用骨料的含水狀態(tài)為飽和面干［8-10］。

表1 原材料的基本物理性質

表2 混凝土的配合比和基本性能

1.2 實驗方法

本研究實驗條件溫度為(20 ±2)℃，相對濕度均為(60 ±5)%。

抗壓強度測試采用邊長為100 mm 的立方體試件，參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》進行。為考察強度的經時變化規(guī)律，設定的測試齡期為0.5、1、3、7、28 d。

自收縮的測量采用高精度位移傳感器結合自動數(shù)據(jù)采集儀進行，位移傳感器的測量范圍為5.000 mm，測量精度為0.001 mm。試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm，因此自收縮應變分辨率可達到2.5 微應變?；炷翜囟扔陕裨谠嚰行牡臒犭娕紲y定。測定裝置見圖1，數(shù)據(jù)采集時間間隔設定為30 min。試件用保鮮膜和鋁箔膠帶密封以避免水分進出。本研究通過混凝土中預埋約束鋼筋的預備實驗測得混凝土自收縮應力發(fā)生的時刻，以此作為自收縮的起始測試時點。本研究的結果約為齡期0.5 d。

圖1 自收縮測定裝置和TDS-530 數(shù)據(jù)采集儀示意圖

通過位移傳感器獲得的混凝土總的自由變形后 按下式求得自收縮應變值:

式中:εag—自收縮應變;

εtotal—總收縮應變;

εT—溫度應變;

α—熱膨脹系數(shù)(取值為10 ×10-6/℃);

ΔT—測試時溫度與起始溫度的差值(℃)。

2 實驗結果及分析

2.1 抗壓強度

不同摻合料的混凝土的抗壓強度經時變化規(guī)律見圖2。對比圖2 中的三條曲線，BS 組和FA 組早期的抗壓強度要小于PO 組的抗壓強度，但是BS 組和FA 組在7 d 及7 d 以后實現(xiàn)了對PO 的反超。這樣的結果表明:礦渣微粉和粉煤灰的摻入使混凝土早期的抗壓強度減小了，但是增加了7 d 及其后的抗壓強度。

圖2 三種混凝土抗壓強度經時變化規(guī)律

2.2 自收縮特性

不同摻合料下混凝土的自收縮發(fā)展曲線見圖3。PO、30%FA、50%BS 三組試件28 d 齡期的自收縮應變均值分別為-315、-285、-216με?？梢姡?8 d 相同齡期下，隨著粉煤灰和礦渣微粉的摻入，混凝土的自收縮應變值隨之減小，但是從曲線的發(fā)展趨勢看，BS 組自收縮值會在28d 以后超過PO組的自收縮值。其中，摻FA 組自收縮減小的幅度比較明顯，幅度接近PO 總值的1/3;摻BS 的自收縮與PO 的自收縮值比較接近，差距不到1/10。說明摻入粉煤灰對混凝土自收縮有較好的抑制作用。這是因為粉煤灰的火山灰活性需要水泥的水化產物才能激發(fā)，在早期粉煤灰對體系的水化抑制作用非常明顯，從而也抑制了混凝土的自收縮。

圖3 三種不同摻料混凝土的自收縮發(fā)展曲線圖

當比較三種混凝土3 d 齡期后的自收縮(圖4)時，PO、30%FA、50%BS 三組試件的自收縮應變值分別為-123、-130、-200με。可見，3d 后摻30%FA 組和PO組收縮值很接近，而摻50%BS 組的收縮值則比PO 組要大得多，達到了基準混凝土的1.6 倍。

圖4 3d 開始三種不同摻料混凝土的自收縮發(fā)展曲線圖

為了進一步分析不同時期自收縮的發(fā)展狀況，圖5展示了PO、30%FA、50%BS 三組試件的自收縮在不同齡期段的發(fā)展速率(圖中速率的“-”表示收縮)。不難發(fā)現(xiàn):在不同齡期階段，無論是何種混凝土，其自收縮發(fā)展速率差異性比較大。均表現(xiàn)為早齡期的自收縮發(fā)展速率較快，尤其是1 d 以內，發(fā)展速率最大;隨著齡期間隔的往后推移，其自收縮發(fā)展速率越來越小。7 d 及其以后的自收縮速率變化很小。

圖5 三種不同摻料混凝土自收縮在不同齡期間隔時發(fā)展速率對比圖

對比三組試件的自收縮速率，3 d 內PO 組的速率遠遠大于FA 組和BS 組的速率。但是3 d 以后的幾個齡期段中，F(xiàn)A 組自收縮速率與PO 組基本接近，而BS 組自收縮速率實現(xiàn)了對PO 組的反超。因此，可以認為粉煤灰和礦渣微粉對自收縮的抑制作用主要體現(xiàn)在早期，礦渣微粉的摻入反而會加大混凝土的后期自收縮。

2.3 自收縮和抗壓強度的關系

考慮到混凝土自收縮和抗壓強度隨齡期變化有類似規(guī)律，本文將0.5、0.75、1、3、7、28 d 等不同齡期的混凝土抗壓強度與其對應齡期的自收縮值之間相關聯(lián)，其結果見圖6?？梢姡瑑烧唛g存在顯著的相關性，而且三種混凝土的自收縮值和抗壓強度成較好的二次拋物線關系，相關系數(shù)均在0.95 以上。此結果揭示了用簡單易得抗壓強度值推定自收縮值的可能性。

圖6 不同摻料混凝土自收縮和抗壓強度的關系

3 結 語

在本研究范圍內，綜合上述研究結果可以得出以下結論:

(1)摻入30%粉煤灰或50%礦渣的高強混凝土，早期的抗壓強度不及基準水泥混凝土，但是7 d及其后的抗壓強度都超過了基準水泥混凝土。

(2)在不同齡期段，混凝土的自收縮發(fā)展速率差異性較大?；炷恋淖允湛s在1 d 齡期內迅速發(fā)展，其速率隨著齡期的增長而減小。7 d 及其以后的自收縮速率變化很小。

(3)粉煤灰和礦渣微粉對混凝土自收縮的抑制作用主要體現(xiàn)在早期，礦渣微粉的摻入反而會加大混凝土的后期自收縮。

(4)混凝土的自收縮和抗壓強度之間成較好的二次拋物線關系，由強度值推定自收縮存在可能性。

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