基于综合性能试验的混凝土早期开裂行为研究

王 骞, 郑 忠 良, 尤 博, 张 兆 彪, 李 宇 翔, 曹 明 莉*

(1.大连理工大学 建设工程学院, 辽宁 大连 116024;2.中国二十二冶集团有限公司, 河北 唐山 064000 )

0 引 言

随着国家可持续发展战略的进行,各种交通要道已成为战略目标实施的重要体系．而混凝土结构又是组成桥梁、隧道、公路等交通要道的核心,使得人们对混凝土力学性能和耐久性能的重视程度越来越高[1]．造成混凝土长期性能劣化的原因不仅是服役环境、人为因素等,其结构早期稳定性也不容忽视．一般混凝土结构的早期稳定性主要指开裂行为,其早期开裂主要由混凝土的内外温差和材料固有属性决定[2]．

目前,关于混凝土的收缩开裂调控手段主要有外加剂调控、胶凝材料调控、水胶比调控、收缩补偿调控、骨料调控、微纳米纤维调控等[3-4]．研究表明,采用外加剂系列对抑制混凝土材料收缩和开裂具有显著的优越性．例如减缩剂可以降低水泥和辅助胶凝材料颗粒表面张力,保持混凝土基体内部结构相对湿度[5];膨胀剂能很好地抑制自收缩、抵抗干燥收缩,但对后期收缩约束作用较小[6]．矿物掺合料对混凝土早期开裂行为也有显著影响,其主要取决于材料本身的性能和复掺配合比,一些单一掺量的辅助胶凝材料(硅灰等)不能限制早期收缩,反而会加剧混凝土的早期开裂[7-8]．Güneyisi等[9]发现将硅灰、偏高岭土、矿粉和粉煤灰构成多元体不仅能消除单掺硅灰带来的不利影响,而且很大程度上会降低混凝土早期干燥收缩．骨料对混凝土收缩开裂影响因素主要包括骨料的种类、形状、大小(级配性)以及与水泥基材料的界面特性[10]．此外,关于混凝土开裂问题,国内外研究者致力于通过试验对混凝土的开裂行为进行分析和评价,其抗裂评价主要有综合性能试验、单/双项性能试验[11-12]．综合性能试验通过抗裂能力与开裂驱动力间的比值进行评价[11]．而单项性能试验通过极限拉伸值、抗拉强度、绝热温度对混凝土结构早期收缩开裂进行评价[2]．

从上述的众多研究来看,通过将单一/复掺矿物掺合料、外加剂等分别掺入混凝土基体中作为早期稳定性调控手段,从而各自发挥自身的特性降低塑性收缩、化学收缩和干燥收缩的目的,主要体现在单/双项性能试验分析．但对综合性能试验构成的多元体因素对混凝土早期抗裂行为的分析和研究较少．基于此,本研究采用不同比例的复合矿物掺合料、不同的骨料掺量与粒径、不同的水胶比以及自制外加剂4种调控手段,分析不同调控手段对混凝土早期收缩开裂行为的影响,从而得出最优配合比以期为实际工程提供参考和借鉴．

1 试 验

1.1 原材料与外加剂优化设计

为保证研发成果的适用性,本研究所用试验材料均为工程现场原材料,包括P•O 52.5水泥、I级粉煤灰、S95矿渣粉、天然河砂、碎石、聚羧酸减水剂和外加剂．其中河砂细度模数为2.8,表观密度为2 760 kg/m3,紧密堆积密度为1 630 kg/m3,松散堆积密度为1 560 kg/m3;碎石划分为3级(5～10 mm、10～16 mm和16～20 mm);试验用水采用本地生活用水．另外,为增加拌和物的和易性和考虑成型后混凝土的体积稳定性,本文采用自制的高效稳定型减水剂(AM,稳泡剂、引气剂和聚羧酸减水剂的复合型外加剂)．图1将不掺任何外加剂(O)、单掺聚羧酸减水剂(AO)和AM拌和物的扩展度进行了对比,发现AM对拌和物扩展度的影响显著,主要表现为扩展度、均质性、保水性和黏聚性的提升;三者28 d抗压强度、劈拉强度基本持平,但是O和AM拌和物的抗折强度相比AO拌和物有较明显提升,如图2所示．分析认为,这是因为稳泡剂、引气剂和聚羧酸减水剂的协同作用有效提高了拌和物的均质性,进而均化水化产物分布,一定程度上减少了结构内部缺陷,提高了硬化物强度．

(a) O拌和物

(b) AO拌和物

(c) AM拌和物

图2 高效稳定型聚羧酸减水剂对混凝土力学性能(归一化后的数据)的影响

1.2 试件制备与方案设计

本文设计3个配合比,见表1,分别改变胶凝材料用量、不同粒径的碎石掺比和水胶比,以得出不同掺量的材料和配合比对混凝土早期开裂行为的影响规律．

1.2.1 胶凝材料水化热试验 采用TAM Air水泥水化热测量仪对每个配合比中的胶凝材料以适当比例与水混合均匀测试其水化放热速率和累计放热量．

1.2.2 混凝土早期收缩试验 参照《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》(GB/T 29417—2012)进行早期收缩试验．采用非接触式全自动混凝土早龄期收缩变形测定仪,考察混凝土无约束条件下的早期收缩性能．试件成型尺寸为100 mm×100 mm×515 mm;环境温度为(20±2)℃,相对湿度不大于60%±5%,测量时长为72 h(4 320 min)以上．

表1 混凝土配合比

1.2.3 混凝土抗压强度试验 试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,每组设计3个试件,共15组,浇筑成型后24 h脱模,搬运至标准养护室分别养护3、5、7、14、28 d,采用电液伺服万能试验机WAW-2000D分别对设计龄期试件以0.6 MPa/s进行抗压强度测试．

1.2.4 混凝土大板试验 目前关于混凝土早期抗裂性能的测试方法较多,常用的方法包括单轴约束法、大板法和圆环法,本文选用大板法模拟混凝土底部和四周受到的约束．试验参考《用于混凝土中的防裂抗渗复合材料》(T/CECS 10001—2017)进行早期抗裂性能试验,采用600 mm×600 mm×63 mm的钢制模具,内设一根裂缝诱导器,如图3(a)所示．大板浇筑成型后开始加速开裂试验,采用照物灯辐照、电风扇(功率不小于100 W)吹风失水,控制风向与试件表面平行,试件表面中部风速不小于4 m/s,环境温度为(20±5)℃,相对湿度不大于60%,试验过程如图3(b)所示．试验数据采集从加速设备运行时开始,首先使用5F04型高速摄像机(最大分辨率为2 320×1 720)确定大板的初裂时间,之后每隔15 min分别采用钢尺测量裂缝长度、ZBL-F800裂缝综合测试仪测量裂缝宽度．

(a) 大板模具示意图

(b) 加速开裂试验

2 结果与分析

2.1 胶凝材料水化热

胶凝材料的水化放热速率q和累计放热量Q对混凝土早期开裂行为也存在显著的影响．图4对试件A、B和C中分别掺入水泥质量的66.7%、25.8%和26.4%的矿物掺合料组成的胶凝材料体系进行了水化热分析．从曲线的经时变化可以看出,调整后试件A的胶凝材料最大放热速率显著低于试件B和C的,且放热速率达到峰值时有一定程度上的延迟．另外,从累计放热量的经时变化曲线也可以看出试件B和C的累计放热量大于试件A的．主要是因为试件A掺入粉煤灰和矿渣粉替代部分水泥的比例均大于试件B和C,由掺合料的活性程度可知,粉煤灰和矿渣粉在水泥水化前期几乎很少参与反应[13-14]．所以各试件中的胶凝材料在同体积下,试件A前期参与水化反应的水泥颗粒相对较少．因此,调整后的胶凝材料体系,有利于降低水化热引起的温度应力,进而从根本上降低了混凝土结构早期裂缝产生的可能性．

图4 不同配合比胶凝材料水化放热曲线

2.2 混凝土早期收缩行为

图5为3个试件混凝土早期收缩曲线,可以看出试件A在30 h时收缩量只达到400×10-6,30～140 h时稳定维持在400×10-6～500×10-6．而试件B和C均在10 h时几乎达到600×10-6,随后分别相继维持在600×10-6～1 100×10-6和600×10-6～900×10-6．其中,试件B在24 h后的收缩量相对试件A和C明显加速升高;试件A在10、24、36、48、72 h各关键时间节点的收缩量分别为试件C和B的48%～52%和44%～62%．主要是因为试件A中的水泥掺量相对较少(表现为混凝土受到温度应力的影响较低),而矿物掺合料较多,所以在早期水化过程中所消耗的水分和产生的毛细孔隙较少,导致收缩量相对较低．因此,经过胶凝材料组分及配合比综合优化后的试件A具有显著优越的体积稳定性,可明显提升混凝土早期抗裂性能．

2.3 混凝土抗压强度

图6展示了试件A、B和C在不同养护龄期下的抗压强度．可以看出,养护3 d时,试件B和C的抗压强度大于试件A的．当养护至7 d时,试件A的抗压强度反而大于试件B和C的．主要是因为试件A掺入大量的粉煤灰和矿渣粉,前期火山灰反应速率极低,对试件的抗压强度贡献较小,但有利于降低混凝土内部温度应力而导致的开裂行为．7 d之后,粉煤灰和矿渣粉的火山灰效应逐渐被激发并与水泥水化产物反应生成水化硅酸钙凝胶、硫酸盐水化物、硅酸钙晶体和氢氧化钙等化合物,这些产物不仅能改善混凝土的内部结构,而且可以提高其抗压强度,这与文献[1,15]得出的结论相一致．此外,试件A的水胶比略小于试件B和C的,这在一定程度上降低了大孔隙出现的概率．对于试件B而言,28 d抗压强度相对较低,除了掺合料掺量较低之外,小粒径的碎石占比较低也是导致抗压强度略低的原因．

图5 混凝土早期收缩曲线

图6 不同养护龄期下混凝土的抗压强度

2.4 混凝土早期抗裂行为

表2总结了混凝土大板早期开裂行为的试验结果,可以看出,试件A、B和C的初裂时间分别为28、18、23 min．随后对3个试件进行为期60 min的裂缝测试,试件A、B和C的最大裂缝宽度和长度分别为0.385、0.539、0.486 mm和43、115、79 mm,说明试件A的早期抗裂性能优于试件B和C的．这与各试件胶凝材料水化放热量有较大的相关性,即混凝土内部温度过高产生了温度应力[16],进而导致混凝土产生开裂现象,这也是试件A裂缝宽度小于试件B和C的原因之一,试件A的裂缝长度和宽度随时间变化的形貌如图7所示,为了清楚地观察到裂缝随时间的演化规律,该图进行了二值化处理．另外,将本文研究的混凝土早期收缩和抗裂行为与文献[17]报道中的相关数据结合发现,适量的矿物掺合料、良好的骨料级配和较低的水胶比是提高混凝土早期抗裂性能的主要因素．

表2 混凝土早期开裂行为及拟合Weibull分布参数

(a) 加速28 min

(b) 加速50 min

(c) 加速85 min

2.5 裂缝宽度演化概率模型

普通混凝土的开裂行为一直备受行业内研究者关注,其配合比设计、养护方式和周围环境都是混凝土早期开裂的关键因素[18]．因此,为普通混凝土的可靠性设计和应用,本文引入了基于Weibull分布的建模方法[19]来描述混凝土早期开裂的概率性质．根据双参数Weibull分布,混凝土早期开裂的累积分布函数为

Pf(w)=1-exp[-(w/λ)k]

(1)

式中：Pf(w)为失效概率,w为最大裂缝宽度,λ为Weibull分布的尺度参数,k为Weibull分布的形状参数．

令f=1-Pf(w),得下式：

f=exp[-(w/λ)k]

(2)

对式(2)两边取两次自然对数得

ln[ln(1/f)]=klnw-klnλ

(3)

整理式(3)得

(4)

令y=lnw,x=ln[ln(1/f)],a=1/k,b=lnλ,得y=ax+b,y与x可能存在线性关系,通过线性回归分析计算出λ、k和相关系数r的值,见表2．根据上述方法,分别以x和y为横纵坐标,通过最小二乘法对混凝土大板试件A、B、C的试验数据进行线性回归分析,得到回归关系图,如图8所示,可以看出,各组试件的相关系数r均大于0.9,说明y与x呈一次线性关系,因而双参数Weibull分布可以合理地描述混凝土早期开裂宽度．从各组图中能明显观察到掺入级配较好的碎石、适量的矿物掺合料、高效稳定型减水剂的试件裂缝宽度在初裂后随着失效概率的增加而增加,符合混凝土材料开裂的物理特性,即通过调整混凝土配合比开裂性能得到不同程度改善的客观规律．由图8可知：试件A、B和C在失效概率一定的情况下,试件B和C相较于试件A裂缝宽度提升最大,反而使得试件B和C配合比设计的增益作用最小．

(a) 试件A

(b) 试件B

(c) 试件C

图9为混凝土早期开裂的Weibull分布(横坐标N为裂缝数量),从图中可以观察到,随着加速时间的增加裂缝宽度随之增大．其中,试件A的裂缝宽度发展速率随着加速时间的增加增长较缓慢,最大裂缝宽度到达600 μm左右时Weibull分布曲线达到平缓阶段,即为试件A进入裂缝稳定扩展期．而试件B和C的裂缝宽度发展速率随着加速时间的增加略有变快,尤其是试件C,这可能是由于高效稳定型减水剂掺量过多而导致拌和物出现泌水现象,所以在试验加速前期大量的水分从试件表面快速蒸发,增大了其表面收缩开裂的速率．另外,从试件B和C的概率分布曲线来看,(900±50)μm和(800±50)μm两者裂缝继续大幅度扩展的概率较小,可视为最大裂缝扩展稳定期．

(a) 试件A

(b) 试件B

(c) 试件C

3 结 论

(1)试件A、B和C中分别掺入水泥质量的66.7%、25.8%和26.4%的矿物掺合料,由于水泥水化前期,粉煤灰和矿渣粉的活性较低,单位体积下各胶凝材料体系的水化放热速率和累计放热量从小到大依次为试件A、试件C、试件B．

(2)养护3 d时,试件B和C的抗压强度大于试件A的,不同配合比的矿物掺合料对抗压强度影响较大;7 d之后,试件B和C的抗压强度小于试件A的,因为矿物掺合料的火山灰效应开始被激发,而且试件A的水胶比小于试件B和C的,使得试件A的抗压强度反而大于试件B和C的．

(3)试件A、B和C的初裂时间分别为28、18、23 min,随后在相同时间点下测试其最大裂缝宽度从小到达依次为试件A、试件C、试件B,说明试件A的早期抗裂性能好于试件B和C的,即适量的矿物掺合料、良好的骨料级配和较低的水胶比是调控混凝土早期抗裂性能的有效手段．

(4)混凝土早期开裂宽度随时间变化的概率分布很好地服从双参数Weibull分布．试件A、B和C稳定期的最大裂缝宽度分别维持在600、900、800 μm左右,说明在失效概率一定的情况下,试件B和C相较于试件A裂缝宽度提升,反而使试件B和C配合比设计的增益作用减小．