漿骨比對混凝土早齡期收縮特性的影響

李福海， 唐慧琪， 文 濤， 王江山， 張新尚， 張曉龍

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031；2.云南建設(shè)基礎(chǔ)投資股份有限公司，昆明650000）

0 引 言

混凝土中水與膠凝材料的體積之和與粗細(xì)集料的體積之和的比值定義為漿骨比［1］。漿骨比對混凝土主要組成成分之間的含量關(guān)系有直觀反映，并同時考慮了粗細(xì)集料與水泥石對混凝土力學(xué)性能與工作性的貢獻(xiàn)［2］。廉慧珍等［3-4］認(rèn)為：在不考慮外加劑等因素的情況下，混凝土硬化前后的工作性與力學(xué)性能主要由水膠比、砂石比、漿骨比3個因素共同決定。其中混凝土的力學(xué)性能與密實程度主要由水膠比決定。當(dāng)水膠比確定后，漿骨比則成為影響混凝土硬化前后性能的主要因素。當(dāng)漿骨比太小時，粗細(xì)集料含量相對增加以及水泥漿體含量相對減少，不僅會對混凝土拌和時的工作性造成不利影響，而且還將引起混凝土密實程度的降低，進(jìn)而影響混凝土的耐久性；而漿骨比太大則會造成骨料-水泥漿體過渡區(qū)結(jié)構(gòu)的改變，對混凝土的力學(xué)性能造成一定影響。此外，相對含量較高的水與膠凝材料還會引起混凝土耐久性過早的降低［5］。因此，存在一個最優(yōu)漿骨比，可以使混凝土的各項性能同時達(dá)到最佳。

混凝土由于水分散失、溫度變化以及化學(xué)反應(yīng)而引起的體積縮小稱為收縮［6］。收縮雖在混凝土中長期進(jìn)行，但大部分收縮往往發(fā)生在混凝土早齡期。而此時混凝土水化程度相對較低，其自身強(qiáng)度往往不足以對因收縮產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行有效控制，從而導(dǎo)致工程在早期極易出現(xiàn)混凝土裂縫。故對混凝土早齡期混凝土收縮的研究便具有實際的工程價值。謝麗等［7］研究了混凝土在水灰比變化時早齡期收縮情況，測試結(jié)果表明：隨著水灰比的變化，混凝土自收縮的變化幅度相比于總收縮更大，且在低水灰比的情況下，混凝土自收縮在總收縮中所占的比例相比于高水灰比更大。江晨暉等［8］對高強(qiáng)混凝土在不同溫度與不同水膠比耦合條件下的早齡期收縮進(jìn)行了試驗研究，試驗得出的結(jié)論與謝麗［7］的結(jié)論類似：即水膠比越低混凝土收縮越大，并且認(rèn)為在低水膠比的情況下，高溫對促進(jìn)混凝土收縮的趨勢更明顯。張駿等［9］通過改變混凝土中粉煤灰摻量的方式對混凝土早齡期收縮進(jìn)行研究，試驗結(jié)果表明：一定摻量的粉煤灰對早期混凝土收縮有抑制作用，但當(dāng)粉煤灰摻量超過40%時，便會促進(jìn)混凝土收縮。韓博等［10］研究了輕骨料取代率對混凝土收縮的影響，認(rèn)為輕骨料能有效抑制混凝土自收縮，并且取代率越高抑制收縮的效果越明顯。上述文獻(xiàn)針對混凝土組分影響混凝土早齡期收縮的作用和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對改善混凝土早齡期收縮大等問題具有重要意義。但也可以看出，通常研究組分對混凝土早齡期收縮試驗大都集中于單一組分，或者單一組分與外部環(huán)境耦合，對能夠反映多組分變化的漿骨比影響混凝土早齡期收縮的研究還比較少；同時有關(guān)漿骨比的研究也主要集中于混凝土配合比設(shè)計和優(yōu)化，忽略了漿骨比對混凝土其他性能方面的影響，尤其在關(guān)于收縮方面的研究也并不多見。

本文研究了不同漿骨比對混凝土力學(xué)性能的影響，以力學(xué)性能為評價指標(biāo)篩選出最優(yōu)漿骨比。通過篩選出具有最優(yōu)漿骨比設(shè)計的混凝土與工程所用漿骨比設(shè)計的混凝土早齡期自收縮與總收縮發(fā)展規(guī)律，對漿骨比影響混凝土的收縮機(jī)理進(jìn)行研究，為工程提供科研數(shù)據(jù)與理論支撐。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）水泥。選用蒙自瀛洲水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O52.5級水泥，其比表面積為335～355 m2/kg，初凝時間為180～260 min，終凝時間為290～360 min，安定性為0.5～2.0，燒失量為2.2%，28 d膠砂抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度分別為7.5～9.0 MPa與54.0～57.0 MPa，化學(xué)成分見表1。

表1 水泥、礦粉主要成分 %

（2）細(xì)集料。為蔓耗鎮(zhèn)玉貴砂石料場生產(chǎn)的天然河沙，緊密堆積密度為1.66 g/m3，表觀密度為2.6 g/m3，細(xì)度模數(shù)2.6～3.0，屬II區(qū)中砂。

（3）粗集料。包含兩種粒徑的碎石，分別為5～10 mm的碎石（稱小石）和10～20 mm的碎石（稱大石）；

（4）礦粉。選用紅河建材熔劑有限公司生產(chǎn)的S75級礦粉，其7 d和28 d活性指數(shù)分別為56%～70%和76%～88%，主要化學(xué)成分見表1。

（5）外加劑。選用云南山峰工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的SE-J高性能減水劑（緩凝型），減水率為28.1%～31.3%，泌水率比為11.1%～45.0%，坍落度為10～30 mm，凝結(jié)時間差為100～150 min，收縮率比為96～97，水泥凈漿流動度為266 mm。

（6）拌和水。選用成都當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 最優(yōu)漿骨比試驗方案

本試驗以漿骨比35∶65時的配合比為基準(zhǔn)配合比［11］，通過漿骨比進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計，共設(shè)計漿骨比30∶70、32.5∶62.5、35∶65的3組配合比，各組具體配合比列于表2。

基于各組混凝土工作性合格的情況下，以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度（20±2）℃，濕度≥95%，簡稱標(biāo)養(yǎng)）和施工現(xiàn)場同條件養(yǎng)護(hù)條件下（溫度40℃，濕度60%，簡稱同養(yǎng)）混凝土7、10、28 d抗壓強(qiáng)度和彈性模量為評價指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)漿骨比篩選試驗，并且研究了不同漿骨比下混凝土力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律以及影響機(jī)理。

1.2.1 抗壓強(qiáng)度

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）中所規(guī)定的方法進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試，試驗在濟(jì)南中路昌試驗機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的YES-2000壓力試驗機(jī)上進(jìn)行，每組配合比在不同養(yǎng)護(hù)工況、不同齡期時均測試3個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，取3個試件的平均值為抗壓強(qiáng)度的判定結(jié)果。

1.2.2 彈性模量

參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）中所規(guī)定的方法進(jìn)行彈性模量的測試，試驗在上海三思縱橫機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的WAW-1000G微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，每組配合比在不同養(yǎng)護(hù)工況、不同齡期時均測試6個尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件，取3個試件的平均值為彈性模量的判定結(jié)果。

1.3 收縮性能

依據(jù)力學(xué)試驗已得到的結(jié)果，采用接觸法對基于篩選出最優(yōu)漿骨比（32.5∶67.5）設(shè)計的混凝土與工程所用漿骨比（34∶66）設(shè)計的混凝土進(jìn)行收縮試驗。試驗參考《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗》（GB/T50082-2009）中的方法進(jìn)行，具體配合比設(shè)計以及編號列于表3。其中，字母為G和S分別表示混凝土總收縮和自收縮測試組；編號P0和P1分別表示工程所用漿骨比和最優(yōu)漿骨比。每組配合比均成型6個尺寸為100 mm×100 mm×515 mm棱柱體試件，分別測試同條件環(huán)境下（溫度30℃，濕度60%）混凝土的總收縮與自收縮。測試裝置如圖1所示。

圖1 混凝土收縮測試裝置

表3 混凝土收縮配合比設(shè)計 kg/m3

整個收縮測試步驟按如下進(jìn)行：

（1）用薄膜覆蓋住涂有脫模劑的鋼模四周與底部，隨后在鋼模長方向兩側(cè)裝置銅質(zhì)探頭；

（2）將攪拌好的混凝土倒入鋼模中，放在振搗機(jī)器上振搗密實，隨后用薄膜覆蓋住混凝土暴露在空氣中的部分，防止混凝土水分散失從而導(dǎo)致收縮結(jié)果誤差較大；

（3）1 d后進(jìn)行脫模，將脫模后的混凝土試件安裝到測試裝置上，混凝土一側(cè)探頭抵住鋼板，另外一側(cè)則與千分表表頭相接觸；

（4）記錄此時千分表的讀數(shù)，以后每天記錄一次，在記錄過程中勿與千分表接觸，確保收縮結(jié)果的準(zhǔn)確性。

自收縮測試步驟與總收縮測試步驟基本一致，只是自收縮試件采用薄膜進(jìn)行密封。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

試驗得到在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3種漿骨比的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展曲線，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下不同立方體樣品抗壓強(qiáng)度變化

分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，漿骨比3的混凝土抗壓強(qiáng)度全齡期最低，而其余兩組混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展交替上升。這是因為混凝土的強(qiáng)度由水泥石強(qiáng)度、骨料強(qiáng)度以及水泥石與骨料的界面過渡區(qū)共同決定［1］。早期混凝土中由于水泥水化程度較低，骨料成為影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素?；炷猎缙诳箟簭?qiáng)度將隨骨料含量相對增大而增加，即漿骨比越小，抗壓強(qiáng)度越大。因此漿骨比1的混凝土7 d抗壓強(qiáng)度最大，漿骨比3的混凝土抗壓強(qiáng)度最小。但隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥石強(qiáng)度以及水泥石與骨料之間的界面過渡區(qū)對混凝土強(qiáng)度的影響開始凸顯。對于漿骨比越小的混凝土，其水泥石強(qiáng)度越低，混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)越多，則此時混凝土的骨料優(yōu)勢不足抵消因骨料占比過大而帶來的弊端。因此，在齡期28 d時，漿骨比2的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于漿骨比1的混凝土。而漿骨比3的混凝土由于骨料占比過低，骨料對混凝土強(qiáng)度提高不足，致使混凝土強(qiáng)度全齡期最低。

在同條件養(yǎng)護(hù)下，測試得到3種漿骨比的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線，如圖3所示。

圖3 同條件養(yǎng)護(hù)下立方體樣品抗壓強(qiáng)度變化

通過圖3可知，同條件養(yǎng)護(hù)下各組漿骨比混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展過程與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下發(fā)展過程相似，并且漿骨比2的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度在各組漿骨比中為最高，這與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下最終抗壓強(qiáng)度保持一致。

2.2 彈性模量

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，試驗測得3種漿骨比混凝土彈性模量發(fā)展曲線如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下不同試件彈性模量對比

從圖4可以看出，7 d、10 d齡期時彈性模量最大的為漿骨比2的混凝土，分別能達(dá)到46.8 GPa與48.4 GPa，相比漿骨比1和漿骨比3的彈性模量分別上升了7%、1.7%和10%、9%。而28 d齡期時混凝土彈性模量隨漿骨比的減小而增大，漿骨比1的彈性模量相比漿骨比2的彈性模量上升了3%，與10 d齡期時兩組漿骨比之間的1.7%差距相比，此時的增長幅度也十分微小。上述數(shù)據(jù)表明，降低漿骨比能夠增強(qiáng)混凝土最終彈性模量，但效果并不顯著。這是因為低漿骨比混凝土中骨料含量相對較大，提高了混凝土的整體剛度，使得混凝土在承受壓應(yīng)力時產(chǎn)生的應(yīng)變更小，導(dǎo)致彈性模量的增加；而骨料的增加同時也會導(dǎo)致界面過渡區(qū)面積增加。盡管認(rèn)為彈性模量試驗是在應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榫€性階段時完成的，界面過渡區(qū)對彈性模量的作用較?。?2］，但依然會削弱因骨料增加而帶來的增強(qiáng)優(yōu)勢。

圖5所示為同條件養(yǎng)護(hù)下3種漿骨比彈性模量隨齡期的發(fā)展曲線。通過圖5可知，齡期為7 d、10 d時，漿骨比3與漿骨比1的彈性模量相接近，并低于漿骨比2的彈性模量；在齡期為28 d時，漿骨比2與漿骨比1的彈性模量分別為漿骨比3的彈性模量的99%和97%。上述數(shù)據(jù)表明在高溫低濕條件下會改變不同漿骨比彈性模量的變化趨勢。

圖5 同條件養(yǎng)護(hù)下不同試件彈性模量對比

從上述數(shù)據(jù)和分析可以看出，漿骨比2的混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下其7、10 d齡期彈性模量均最大，且28 d齡期時相比于不同養(yǎng)護(hù)條件下最高彈性模量之間的下降幅度可忽略不計。同時結(jié)合抗壓強(qiáng)度的測試結(jié)果，可以認(rèn)為漿骨比2的混凝土力學(xué)性能最優(yōu)。故將32.5∶67.5的漿骨比作為最優(yōu)漿骨比。

2.3 收 縮

2.3.1 自收縮

工程所用漿骨比設(shè)計的混凝土與篩選后漿骨比設(shè)計的混凝土在同條件下的自收縮變化曲線如圖6所示。

圖6 同環(huán)境條件下最優(yōu)漿骨比設(shè)計混凝土與工程所用漿骨比設(shè)計混凝土自收縮率對比

通過圖6可以看出，在齡期為35 d時，測試組為S-P1的混凝土自收縮率為158με，而S-P0的混凝土其自收縮率為221με，S-P1的混凝土自收縮率相比SP0組的混凝土自收縮率下降29%，即表明最優(yōu)漿骨比設(shè)計的混凝土對自收縮的抑制能力明顯優(yōu)于工程所用漿骨比設(shè)計的混凝土。相比于S-P0的工程所用漿骨比設(shè)計，S-P1的漿骨比更低，因此混凝土中水泥石的含量相對較低，而骨料的含量相對較高；從混凝土自收縮機(jī)理來看，自收縮是由于水化反應(yīng)導(dǎo)致水泥石中的毛細(xì)孔中的水由飽和狀態(tài)變成不飽和狀態(tài)，從而使毛細(xì)孔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而引發(fā)的體積縮?。?3］。對于低漿骨比設(shè)計的混凝土，由于其水泥石的含量相對較少，故生成的毛細(xì)孔數(shù)量也低于高漿骨比設(shè)計的混凝土；同時因為低漿骨比中毛細(xì)孔中的水分也低于高漿骨比設(shè)計的混凝土，故導(dǎo)致低漿骨比混凝土因毛細(xì)孔失水而產(chǎn)生的自收縮率也低于高漿骨比混凝土。而且低漿骨比中骨料含量相對較大，彈性模量高的骨料對彈性模量低的水泥石收縮的約束作用也相比高漿骨比混凝土更明顯［14］。

2.3.2 總收縮

圖7所示為工程所用漿骨比設(shè)計的混凝土與篩選后漿骨比設(shè)計的混凝土在同條件下的總收縮變化曲線。

圖7 同環(huán)境條件下最優(yōu)漿骨比設(shè)計混凝土與工程所用漿骨比設(shè)計混凝土總收縮率對比

從圖7可以得知，G-P1測試組的混凝土總收縮值小于G-P0測試組的混凝土總收縮率，這與漿骨比優(yōu)化后對影響混凝土自收縮變化規(guī)律相一致。對齡期為35 d時兩種漿骨比設(shè)計的混凝土總收縮率相比較可得，G-P1測試組的混凝土總收縮率相比G-P0測試組的混凝土總收縮率下降26%，優(yōu)化后漿骨比設(shè)計的混凝土對總收縮的抑制效果顯著。與自收縮相比，總收縮的組成中增加了干燥收縮部分。干燥收縮機(jī)理與自收縮基本一致，只是形成原因不同。干燥收縮是因為混凝土內(nèi)外濕度不一致而引起毛細(xì)孔水分散失導(dǎo)致的體積縮小［15］。對于漿骨比低的G-P1組混凝土，一方面由于漿骨比降低對總收縮中的自收縮有明顯的限制作用；另一方面因其水化分應(yīng)生成的毛細(xì)孔數(shù)量相對較少，導(dǎo)致水泥石中形成連貫的毛細(xì)孔洞數(shù)量相比G

P0組的混凝土數(shù)量少，能夠有效地減少水分散失的通道，從而抑制了總收縮中的干燥收縮。而且骨料對于干燥收縮不僅有約束作用，相關(guān)的研究［16］表明，骨料對水泥石中的連貫毛細(xì)孔洞有一定的延長效果，能增大水分?jǐn)U散的阻力，降低混凝土中的濕擴(kuò)散系數(shù)，對水分散失有一定的限制作用，并且在合理的骨料摻量范圍內(nèi)隨著骨料含量的增大這種抑制水分散失的現(xiàn)象越明顯，更進(jìn)一步抑制低漿骨比混凝土中干燥收縮以及總收縮的發(fā)展。

3 結(jié) 語

（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的混凝土抗壓強(qiáng)度隨著漿骨比的增大而減小，此時影響抗壓強(qiáng)度的主要因素為骨料含量。28 d時最大抗壓強(qiáng)度為漿骨比32.5∶62.5組的混凝土。

（2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土彈性模量隨漿骨比的減小而增大，但這種增強(qiáng)效果并不明顯；同條件養(yǎng)護(hù)下會改變不同漿骨比彈性模量之間的發(fā)展趨勢。

（3）最優(yōu)漿骨比混凝土自收縮率與總收縮率均小于工程所用漿骨比混凝土，表明優(yōu)化漿骨比設(shè)計在一定程度上對混凝土收縮有抑制作用。