石粉摻量對機制砂混凝土基本拉伸徐變的影響

羅 英，曾俊慶，楊群敏，劉東軾

(中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004)

隨著我國建設(shè)力度的逐漸加大，天然砂資源日漸匱乏，機制砂作為天然砂的替代品，在土木工程、水利水電、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但施工養(yǎng)護過程中，混凝土結(jié)構(gòu)時常發(fā)生開裂現(xiàn)象，裂縫缺陷的產(chǎn)生和存在會降低混凝土的抗?jié)B性能，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[3-4]。因此，預(yù)防混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂是著重關(guān)注的問題[5-7]，而混凝土的拉伸徐變也是影響混凝土開裂的關(guān)鍵因素之一[8]。

混凝土的徐變是指在持續(xù)應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時間而持續(xù)增長的特性[9]。對于受約束的混凝土構(gòu)件，拉伸徐變引起的應(yīng)力松弛，可減少混凝土內(nèi)部的約束應(yīng)力來緩解其早期開裂[10]。研究表明[11-12]，拉伸徐變能松弛因體積變化而造成的拉應(yīng)力，有利于提高構(gòu)件的抗裂性能。許多學(xué)者針對混凝土的拉伸徐變進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)混凝土的拉伸徐變受諸多因素影響，如養(yǎng)護溫度-濕度[8,13-14]、水灰(膠)比[8,12]、膠凝材料性質(zhì)[15-16]、礦物摻合料(粉煤灰和礦渣)和摻合料摻量水平[16-19]等。機制砂由巖石破碎而成，在生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生一定量的石粉，這也是機制砂與天然砂最明顯的區(qū)別之一[2]。對于機制砂混凝土，適量的石粉摻量有助于提升混凝土的性能，但當(dāng)其摻量超過限值后，會導(dǎo)致機制砂混凝土性能的劣化等問題[20-21]。同樣，也會影響機制砂混凝土的拉伸徐變。因此，如何合理控制石粉摻量是比較重要的問題。但是，目前大多研究主要集中在石粉摻量對機制砂混凝土的早期抗裂性研究[22]，還未開展關(guān)于石粉摻量對機制砂混凝土拉伸徐變影響的研究。

為此，本文通過設(shè)計不同石粉摻量(0%、6%、12%、18%和24%，即石粉占水泥、粉煤灰和石粉總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù))的機制砂混凝土，研究石粉摻量對機制砂混凝土拉伸徐變的影響，揭示機制砂混凝土拉伸徐變的變化規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 原材料

(1)水泥：采用福建煉石牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其性能見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

(2)粉煤灰：采用寧德Ⅱ級粉煤灰。

(3)粗骨料：采用閩侯蘇洋采石場所產(chǎn)碎石，顆粒級配見圖1。

圖1 碎石顆粒級配曲線

(4)機制砂：采用閩清山友機制砂場生產(chǎn)的機制砂，測得機制砂的性能指標(biāo)見表2。

表2 細(xì)骨料性能指標(biāo)

(5)河砂：采用閩江河砂，測得河砂的性能指標(biāo)見表2。

(6)減水劑：采用福州建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的TW-4緩凝高效減水劑，減水率15%～20%，固含量33%。

(7)石粉：由亞甲藍定量分析法[23]測得石粉中的亞甲藍值為0.67。

1.2 試驗配合比

基于最少漿體理論設(shè)計配合比[24]，平均漿體厚度APT為5 μm。水灰比(減水劑中水和外加水與水泥質(zhì)量之比)為0.47，變化參數(shù)為石粉占粉料(水泥+粉煤灰+石粉)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即石粉摻量為0%、6%、12%、18%和24%，對應(yīng)的試驗編號分別為A、B、C、D和E，見表3。粉煤灰摻量為10%，即粉煤灰質(zhì)量與粉料質(zhì)量之比。

表3 機制砂混凝土試驗配合比 單位：kg

1.3 研究方案

1.3.1 制備方法

(1)混合攪拌：先加入水泥、粉煤灰、石子、河砂、機制砂、石粉干拌30 s，然后緩慢加入攪拌均勻的水和減水劑溶液，再攪拌120 s。

(2)澆筑成型：將拌和好的混凝土分別澆筑100 mm×100 mm×400 mm的試模(彈性模量和自收縮試驗)、150 mm×150 mm×150 mm的立方體試模(抗壓強度)和圓環(huán)約束收縮試模(拉伸徐變試件：外徑395 mm，內(nèi)徑315 mm)中。

(3)養(yǎng)護方式：① 抗壓強度和彈性模量試塊：試塊澆注成型后，采用保鮮膜覆蓋養(yǎng)護24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室(溫度為(20±2)℃、相對濕度≥95%)內(nèi)進行養(yǎng)護; ② 自收縮試塊：澆注完成后，上表面用薄膜覆蓋，并放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護，12 h左右后拆模，拆模后用石蠟和塑料薄膜進行密封; ③ 拉伸徐變試件：混凝土環(huán)成型后，將環(huán)形約束收縮測試裝置放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護，24 h后拆去外環(huán)和隔板，采用石蠟密封人工砂混凝土環(huán)的上表面及周邊。

1.3.2 試驗方法

(1)抗壓強度和彈性模量試驗：參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[25](GB/T 50081—2019)的規(guī)定進行，測試機制砂混凝土的抗壓強度和彈性模量。

(2)自收縮試驗：參考文獻[12]中的自收縮測試方法，利用高精度千分表測定混凝土自收縮。同時，試塊內(nèi)部中心測試點布置鉑電阻，采用溫度記錄儀測試溫度場變化。

(3)拉伸徐變試驗：采用圓環(huán)約束收縮方法[26]來測試機制砂混凝土的拉伸徐變，如圖2所示，裝置具體尺寸見表4。應(yīng)變片貼在內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)側(cè)二分之一高度處，兩組應(yīng)變片正對面布置，采用 DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集箱采集應(yīng)變。

注：1-電線(連接應(yīng)變箱)；2-外鋼環(huán)固定螺栓(澆筑時固定)；3-內(nèi)鋼環(huán)；4-外鋼環(huán)；5-混凝土環(huán)；6-外鋼環(huán)固定鉗口；7-鉗口固定螺栓；8-內(nèi)鋼環(huán)固定鉗口；9-應(yīng)變片

表4 圓環(huán)約束收縮裝置尺寸

1.4 計算理論

1.4.1 動彈性模量

機制砂混凝土在計算每個齡期的徐變時都需要得到對應(yīng)齡期的動彈性模量。參照歐洲規(guī)范來建立混凝土動彈性模量隨齡期的函數(shù)關(guān)系式，見式(1)：

Ec(t)=βCT(t)Ec(28)

(1)

(2)

式中：Ec(t)為混凝土在齡期t時的動彈性模量；βCT(t)為動彈性模量的發(fā)展系數(shù)；cT為與水泥品種等有關(guān)的系數(shù)；t為齡期。

采用實際測得的混凝土7 d和28 d的彈性模量為指標(biāo)來計算任一齡期的動彈性模量，見式(3)：

(3)

式中：Ec(7)和Ec(28)混凝土齡期為7 d和28 d時的動彈性模量。

1.4.2 自收縮

試驗可得機制砂混凝土試塊t時刻的收縮值(含溫度應(yīng)變)，見式(4)：

(4)

式中：εtot(t)為總收縮；lb為試塊標(biāo)距；l0為初始值，mm；lt為t時刻的值，mm。

機制砂混凝土自收縮不包括因溫度變化而引起的應(yīng)變，需總收縮中的溫度應(yīng)變減去，才能得到機制砂混凝土的自收縮，見式(5)：

εas(t)=εtot(t)-εT

(5)

εT=α·ΔT

(6)

式中：εas(t)為自收縮；εT為由溫差引起的收縮值；α為熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度差。

1.4.3 拉伸徐變計算方法

在圓環(huán)收縮約束實驗中，混凝土環(huán)的彈性應(yīng)變εe(t)、鋼環(huán)與混凝土環(huán)同步收縮應(yīng)變εst(t)、混凝土環(huán)的拉伸徐變εcp(t)以及自收縮εas(t)之間的關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以得到混凝土環(huán)的彈性應(yīng)變εe(t)、鋼環(huán)與混凝土環(huán)同步收縮應(yīng)變εst(t)、混凝土環(huán)的拉伸徐變εcp(t)以及自收縮εas(t)之間的關(guān)系，見式(7):

圖3 圓環(huán)約束收縮試驗應(yīng)變示意圖

εas(t)=εe(t)+εcp(t)+εst(t)

(7)

在圓環(huán)約束收縮實驗中，假定混凝土環(huán)與內(nèi)鋼環(huán)之間接觸可靠，可同步變形。混凝土環(huán)的彈性應(yīng)變可由式(8)求得:

(8)

(9)

式中：σm(t)為混凝土環(huán)在齡期t時所受到的環(huán)向拉應(yīng)力；σs(t)為內(nèi)鋼環(huán)在齡期t時所受到的環(huán)向拉應(yīng)力；Est為內(nèi)鋼環(huán)的彈性模量(195 GPa)；hst為內(nèi)鋼環(huán)厚度；hm為混凝土環(huán)厚度；εst(t)為內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變。根據(jù)公式(7)、式(8)可得到混凝土基本拉伸徐變的計算公式(10):

(10)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度試驗

試驗測得的5組機制砂混凝土28 d的抗壓強度如圖4所示。由圖4可知，隨石粉摻量的增加，混凝土28 d抗壓強度逐步增大。當(dāng)石粉摻量為24%時，抗壓強度最大，與未摻石粉相比提高了23.5%。石粉具有填充效應(yīng)，石粉的加入影響水泥漿體微結(jié)構(gòu)的孔徑幾何分布，改善混凝土內(nèi)部水泥石細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征，使其孔隙變細(xì)小、均勻，結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得混凝土獲得更高的強度[16]。

圖4 不同石粉摻量機制砂混凝土的抗壓強度

2.2 彈性模量試驗

試驗測得各組機制砂混凝土7 d和28 d的彈性模量結(jié)果，如圖5所示。由圖5可知，在各個齡期，機制砂混凝土彈性模量隨石粉摻量的增加而增大。當(dāng)石粉摻量為24%時，機制砂混凝土彈性模量最高，比不摻石粉時相應(yīng)齡期的機制砂混凝土彈性模量分別提高了23.71%和36.73%。

已知機制砂混凝土7 d和28 d的彈性模量(見圖5)，可根據(jù)式(3)中計算得到βCT(7)代入式(2)可得到cT，由式(2)得到動彈性模量發(fā)展系數(shù)，并將其代入式(1)可得到任意齡期的動彈性模量。圖6為混凝土動彈性模量的計算擬合曲線。

圖6 不同石粉摻量機制砂混凝土動彈性模量擬合

2.3 自收縮試驗

根據(jù)溫度傳感器測得的機制砂混凝土內(nèi)部溫度場的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著齡期的增加，各組機制砂混凝土內(nèi)部溫度場變化趨勢基本一致，均是先增大后降低，最后趨于穩(wěn)定。

已知混凝土內(nèi)部溫度的變化(見圖7)，根據(jù)式(5)可求得不同石粉摻量的機制砂混凝土自收縮，見圖8。由圖8(a)可知，隨著齡期的增加，各組機制砂混凝土的自收縮均增大，主要是因為隨著齡期的增加，水泥水化反應(yīng)逐漸充分，消耗水量逐漸增大，毛細(xì)管內(nèi)部形成彎液面導(dǎo)致的[27]。

圖7 內(nèi)部溫度場

由圖8(b)可知，隨著石粉摻量的增大，齡期為28 d時，機制砂混凝土的自收縮呈降低趨勢，摻量為24%，自收縮最小。自收縮的下降主要和以下因素有關(guān)：(1)石粉摻量增加，水泥用量減少，水泥的水化產(chǎn)物數(shù)量降低，其化學(xué)收縮降低；(2)石粉的微集料填充作用也會減少毛細(xì)孔數(shù)量，從而減少機制砂混凝土的自收縮[28]。

圖8 不同石粉摻量的機制砂混凝土自收縮

2.4 圓環(huán)約束收縮試驗

試驗采集到不同石粉摻量的機制砂混凝土內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變隨齡期的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變在28 d齡期內(nèi)均未出現(xiàn)應(yīng)變突變，說明機制砂混凝土環(huán)未開裂。不同石粉摻量的機制砂混凝土內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變的變化趨勢基本相同，呈現(xiàn)早期發(fā)展迅速、后期發(fā)展減緩。隨著石粉摻量的增加，機制砂混凝土的內(nèi)鋼環(huán)壓應(yīng)變先增大后減小，而且石粉摻量為18%時，機制砂混凝土的內(nèi)鋼環(huán)壓應(yīng)變值最大。

圖9 不同石粉摻量機制砂混凝土的內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變

根據(jù)式(9)，可由圖9的內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變求得機制砂混凝土環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力(見圖10)。由圖9可知，機制砂混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力的變化規(guī)律與內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變相似，隨著石粉摻量的增加，機制砂混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力先增大后減小，而且任意時刻，機制砂混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力大小排序為：D>C>B>A>E。

圖10 不同石粉摻量機制砂混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力

2.5 機制砂混凝土的基本拉伸徐變

機制砂混凝土自收縮試驗和環(huán)形約束試驗都是在密封條件下進行的，所以研究的是機制砂混凝土的基本拉伸徐變。根據(jù)式(8)計算得到圓環(huán)約束試驗中機制砂混凝土的彈性應(yīng)變，見圖11。由圖11可知，不同石粉摻量的機制砂混凝土彈性應(yīng)變的變化趨勢基本相同，呈現(xiàn)早期發(fā)展迅速、后期發(fā)展減緩。隨著石粉摻量的增加，機制砂混凝土的彈性應(yīng)變先增大后減小，其中石粉摻量為18%時，機制砂混凝土的彈性應(yīng)變最大。

已知機制砂混凝土的彈性應(yīng)變(見圖11)，可根據(jù)式(10)計算得到不同石粉摻量機制砂混凝土基本拉伸徐變的變化規(guī)律，見圖12。由圖12可知，不同石粉摻量的機制砂混凝土基本拉伸徐變的變化趨勢與其彈性應(yīng)變相似，呈現(xiàn)早期發(fā)展迅速、后期發(fā)展減緩的趨勢。

圖11 不同石粉摻量機制砂混凝土的彈性應(yīng)變

圖12 不同石粉摻量機制砂混凝土的拉伸徐變

同時，隨著石粉摻量的增加，機制砂混凝土的基本拉伸徐變先減小后增大，且石粉摻量為18%時，機制砂混凝土的基本拉伸徐變最??；石粉摻量為24%時，基本拉伸徐變最大，其基本拉伸徐變曲線略高于未摻加石粉的機制砂混凝土(A組)。造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)石粉摻量小于18%時，隨著石粉摻量的增加，石粉的填充作用改善機制砂混凝土的界面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)滲出理論和黏性流動理論，界面結(jié)構(gòu)增強及結(jié)構(gòu)密實度的增強，使硬化水泥漿體的變形能傳遞到到粗骨料，從而降低機制砂混凝土的基本拉伸徐變[15-16]。石粉摻量大于18%時，雖然機制砂混凝土的自收縮減小，但由于石粉摻量過多，使機制砂混凝土界面結(jié)構(gòu)變得薄弱，硬化水泥漿體的變形較難轉(zhuǎn)移到粗骨料，導(dǎo)致機制砂混凝土的拉伸徐變逐漸增大[15]。

3 結(jié) 論

(1)機制砂混凝土28 d彈性模量隨石粉摻量的增加而增大，當(dāng)石粉摻量為24%時，機制砂混凝土的彈性模量最大，比未摻石粉的提高了36.73%。同樣，其抗壓強度的變化規(guī)律與彈性模量相同，當(dāng)石粉摻量為24%時，抗壓強度最大，與未摻石粉相比提高了23.5%。石粉的摻加，改善了混凝土水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，使得混凝土的力學(xué)性能增強。

(2)石粉摻量小于18%時，隨著石粉摻量的增加，混凝土的界面結(jié)構(gòu)改善，硬化水泥漿體的變形能較快轉(zhuǎn)移到粗骨料，其基本拉伸徐變減小；摻量大于18%時，石粉摻量過多使機制砂混凝土界面結(jié)構(gòu)變得薄弱，硬化水泥漿體的變形較難轉(zhuǎn)移到粗骨料，其拉伸徐變增大。因此，石粉摻量為18%時，其基本拉伸徐變最小。