基于超高性能水工混凝土收缩变形试验分析

张银鹏

(锦州新泽工程建设监理有限公司,辽宁 锦州 121000)

为了降低超高性能水工混凝土的收缩变形和材料成本,国内外诸多学者从掺高吸水性树脂内养护剂、饱水轻集料、膨胀剂、碎石等角度提出改性措施,并以掺膨胀剂和碎石改性为主。例如,明阳等将5%钙矾石型复合膨胀剂与15%钢渣粉掺入超高性能混凝土中,结果发现180d干缩率可减小到208×10-6;付泽东等探讨了超高性能混凝土受CSA膨胀剂的影响,结果表明掺CSA膨胀剂会降低抗折、抗压强度和工作性能;李信等研究认为掺碎石与河砂超高性能混凝土相比,其抗弯拉、抗压强度和拌合物流动性均有所下降;黄征宇等认为热养护工艺是控制超高性能混凝土的最佳技术手段,热养护温度不超过50℃几乎不产生收缩,温度达到70℃时收缩量提高到450×10-6,为有效抑制收缩可以提高配筋率[1-4]。

综上分析,以往研究主要集中于超高性能混凝土力学性能受钢纤维或不同粗骨料掺量的影响,减少考虑收缩变形性能的影响。鉴于此,文章探讨了超高性能水工混凝土收缩性能、微变形和水化温度受粗骨料的影响规律,旨在为超高性能水工混凝土在水利工程领域的广泛应用提供一定技术支持。

1 试验方案

1.1 原材料性能

水泥:中国葛洲坝集团生产的P·O 42.5级水泥,山东博肯硅材料厂生产的硅灰,市场上购买的S95级矿粉和磨细石英粉,鞍山成达电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰。采用大连建材厂生产的河砂(细度模数2.9)和1～5mm、5～10mm、10～15mm三个粒径范围的花岗岩碎石,徐水正达钢纤维厂生产的端钩型钢纤维,断裂强度1200MPa,弹性模量210GPa,科之杰聚羧酸高效减水剂(粉体),拌合水用自来水。

1.2 配合比设计

在不改变砂浆各组分的情况下,通过单掺5～10mm、1～5mm、10～15mm三种粒径,0、180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3五种掺量的粗骨料设计7组不同配合比,如表1所示。

表1 试验配合比及性能

1.3 试验方法

1)拌合过程。超高性能水工混凝土与普通混凝土的养护条件、拌合工艺及原材料存在较大差异,配制目标不同所选用的拌合工艺也存在一定差异。拌合过程中,本试验参考有关研究成果及《活性粉磨混凝土》中的搅拌工艺,通过试验试验确定最合适的搅拌方式,具体如下:①参照试验配合比精准称量所用原材料,先在震荡式搅拌机中投入粉体外加剂、骨料和胶凝材料,启动设备干拌120s后开始震荡,再干拌60s;②向持续搅拌的搅拌机内用筛网筛入纤维,并震荡到360s停止;③向搅拌机内倒入称好的水搅拌120s,然后开启震荡再搅拌120s;④拌合完成后从出料口用容器接料,若拌合物过多可分两次接料;④出料后,采用专用设备立即测定混合料的流动度,然后分组装入对应的模具。

2)试验方法。为探讨超高性能水工混凝土蒸养阶段和凝结硬化阶段内部微变形、水化温度、干燥收缩受粗骨料粒径及其掺量的影响,试验选用综合测试仪测量微变形和水化温度,主要操作步骤为:①在混凝土试件成型时预先埋入测头,综合测试仪与试件间可以利用连接线连接;②试件成型后连线接通,启动测试仪并调整、清零,考虑到该测试仪可以分组记录数据以及每组测头编号不同的情况,整个试验过程中只需清零一次,其它参数保持不变;③依据现行标准推荐的接触法测定混凝土收缩量,试验中以脱模后3d的收缩值为0(即初始值)。

2 结果与分析

2.1 水化温度变化特征

1) 水化温度受粗骨料掺量的影响。不同掺量条件下,超高性能水工混凝土的早期水化温度变化特征如图1所示。结果显示,随时间的增加各组混凝土水化放热均表现出先下降后上升再下降的变化趋势,水泥基体水化放热峰值随粗骨料的掺入明显减小,未掺粗骨料组的水化放热较大,水化温度最高达到35.5℃,且掺180kg/m3、340kg/m3和480kg/m3粗骨料的水化温度峰值相差不大。

图1 不同掺量早期水化温度变化曲线

2)从微观上分析以上变化趋势,这是由于在拌合过程中水接触到水泥后立即产生水化放热反应,该阶段属初始水解期,硬化成型时达到一定的温度,随后水化放热反应速率明显下降,并进入水化诱导期;另外,粒径较小的粉煤灰、硅灰等被大量吸附于水泥颗粒表面,这些超细颗粒的絮凝作用较强,水与胶凝材料拌合后絮凝结构及超细颗粒会吸附大量的水分,从而减少与水泥接触的水,延缓水化反应并延长诱导期;诱导期之后水化反应加速使得温度快速上升,宏观上表现出“上升”趋势,该阶段属加速期;加速期之后水化速度下降,放热减少表现出“下降趋势”,该阶段属衰退期。在水化放热后期温度趋于稳定,这主要是因为水化逐渐趋于稳定。水化放热峰值明显下降是因为骨料的掺入降低了单位体积水泥含量,水化进程和速度下降,放热下降,并且基体流动性随粗骨料掺量的增加而减少,胶凝材料没有完全水化,使得水化放热下降[5]。

3)水化温度受粗骨料粒径的影响。不同粒径条件下,超高性能水工混凝土的早期水化温度变化特征如图2所示。结果显示,随时间的增加各组混凝土水化放热也表现出先下降后上升再下降的变化趋势,这主要与矿物掺合料及其自身水化反应特性有关;在水化加速期前骨料粒径与水化反应放热不存在明显相关性,究其原因是谁与水泥接触后放热受胶凝材料的浸润线及钙矾石的生成影响,放热未表现出明显规律性;当进入加速期时,随骨料粒径的增大水化反应放热表现出上升趋势,10～15mm粒径的水化温度最高值(32.6℃)相较于1～5mm(31.8℃)、5～10mm(32.0℃)均有所提升,这是因为骨料粒径越大则单位体积填充量就越少,相应的胶凝材料用量也就越多,并且比表面积越小浆体需要裹附的面积就越小,基体内的自由浆体含量越多引起的水化反应越激烈,放热越多;另外,水化放热峰值随骨料粒径的增大有所提前,这是因为骨料粒径越小则浆体流动性越差,比表面积越大其水化进程变慢,水化加速期和放热峰值被延后。

图2 不同粒径早期水化温度变化曲线

2.2 微变形性能

1) 微变形受粗骨料掺量的影响。不同掺量条件下,随龄期增长超高性能水工混凝土的应变变化特征如图3所示。结果显示,各组微变形测量值均随着水化反应时间的延长不断增长,直至蒸养完成温度下降到室温时应变趋于稳定。不同掺量条件下,各组混凝土最大应变如图4所示,结果显示未掺和掺180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料的混凝土最大变形测量值为464με、452με、450με、421με,未掺组相较于掺粗骨料组依次增大5.59%、3.02%、9.27%;基体微变形测量值随着粗骨料掺量的增加而减小,这是因为骨料的掺入有利于增强水泥基体刚度,其钢芯骨架作用对增强混凝土抗变形性能具有积极作用,并且掺量越高则增强作用越明显。

图3 不同掺量应变曲线

图4 不同掺量微应变峰值变化特征

2)微变形受粗骨料粒径的影响。不同粒径条件下,随龄期增长超高性能水工混凝土的微变形变化特征如图5、图6所示。结果显示,随水化反应时间的延长各组微变形测量值均持续增大,其中微应变峰值最小的是骨料粒径10～15mm组的416με,相较于1～5mm和5～100m组有所减少,5～10mm粒径组的应变最高达到452με,究其原因是骨料粒径较小时单位体积的掺量增多,骨料自身强度较高不易被压缩能够抑制混凝土收缩变形;虽然10～15mm粒径组的单位体积骨料掺量少,但较大粒径粗骨料可以提供良好骨架作用,具有更好的整体性能,从而使得较大粒径的变形量下降,在5～10mm粒径时试件变形较大。

图5 不同粒径应变曲线

图6 不同粒径微应变峰值变化特征

2.3 收缩性能

1)不同掺量条件下,随龄期增长超高性能水工混凝土的收缩特征如图7所示。结果显示,水泥基体的收缩值随着粗骨料掺量的增加呈减小趋势,掺量越高则收缩值越大,180d龄期时掺180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3粗骨料组相较于未掺组依次减少9.71%、25.24%、27.18%和30.82%。这是由于提高粗骨料掺量会增大基体弹性模量和混凝土受压刚度,更好地发挥其骨架作用,加之骨料自身就具有较高的强度很难发生压缩变形,试件在纤维的锚固与桥接作用下具有更好的整体性,使其更加均匀地受力,这也在一定程度上限制了收缩。另外,早龄期(7d)试件的收缩量很大,7d龄期掺0%、180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3、600kg/m3粗骨料组的收缩值与180d龄期相比为72.82%、75.26%、81.27%、78.66%和77.19%,掺0～340kg/m3粗骨料时,7d龄期混凝土收缩完成度随着掺量的增加而提高,说明水化早期收缩较大。这是因为提高粗骨料掺量相当于减少了单位体积的胶凝材料含量,即水泥颗粒未参与水化的含量减少,也就降低了后期收缩变形,对抑制收缩具有积极作用;掺340kg/m3及以上粗骨料时,早龄期(7d)基本完成收缩变形,这是由于继续提高骨料掺量会最先降低拌合物流动性,纤维的团结风险使得浆体均匀性变差,对水化反应具有延缓作用,在一定程度上抵消增加掺量所引起的收缩。

图7 不同龄期收缩值变化曲线

图7 不同龄期收缩值变化曲线

2)不同粒径条件下,随龄期变化超高性能水工混凝土收缩变化如图8所示。结果显示,5～10mm粒径时混凝土收缩测量值最高,10～15mm粒径组混凝土收缩测量值最小,该变化规律与微变形相似。这是因为较小粒径条件下单位体积内的掺量就越多,基体刚性增大难以发生压缩变形,从而限制了混凝土收缩哦;10～15mm粒径组的收缩值最小,这是由于基体中粗骨料发挥更加明显的刚性骨架作用,加之其不易被压缩变形、自身强度高的特性更加明显地限制混凝土收缩。

3 结 论

1)随骨料掺量的增加超高性能水工混凝土早期水化温度不断下降,掺600kg/m3粗骨料组与未掺组相比,其最高水化反应温度明显下降;10～15mm粒径组水化温度最高值(32.6℃)相较于1～5mm(31.8℃)、5～10mm(32.0℃)均有所提升,增幅达到2.45%和1.84%,总体相差不大,说明水化温度受粒径变化影响较低。

2)随骨料掺量增加集体应变测量值不断下降,未掺和掺180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料的混凝土最大变形测量值为464με、452με、450με、421με,未掺组相较于掺粗骨料组依次增大5.59%、3.02%、9.27%;

3)水泥基体的应变与收缩测量值变化规律相似,混凝土收缩随骨料陈亮的增加而减少,掺600kg/m3粗骨料组为未未掺组的68.2%;10～15mm粒径组的收缩较小,5～10mm组的收缩最大,并且7d龄期掺180kg/m3、340kg/m3、480kg/m3粗骨料组的收缩值与180d龄期相比为71.22%、76.48%、80.25%、78.25%。