掺合料高强高性能混凝土自收缩的实验研究

杨超越，陈 波，杨 杨，2，江晨晖

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

(1.浙江工业大学建筑与工程学院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州310014;3.浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江 杭州310014;4.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州311231)

随着混凝土技术的进步与工程建设的需要，高强高性能混凝土在工程中被越来越普遍的应用。使用高标号的水泥、增加胶凝材料的用量、掺入活性矿物掺合料(如矿渣粉、硅粉等)、添加超塑化剂以降低水胶比等技术措施，是目前配制高强高性能混凝土的主要技术途径［1］。然而，这些措施致使高强高性能混凝土的硬化特点及其内部结构同传统的普通混凝土相比有着很大的差异，随之带来的是:早期体积稳定性差、容易开裂等问题。研究表明，高强高性能混凝土的早期开裂问题，自收缩是其中的主要原因之一［2］。

早在1940年，Davis 就认为混凝土的自身体积变形(自收缩)应定义为因其内部本身的物理和化学转化而引起的体积变形［3-4］。虽然国内外学者采用的自收缩定义仍未完全统一，但普遍认为自收缩不包括因物质的损失或侵入，温度的变化或外部力量或限制物的应用引起的体积变形［5-7］。本文旨在通过实验研究，讨论分析掺30%粉煤灰、50%矿渣微粉的常用高强高性能混凝土的自收缩特性，并与不掺掺合料的基准水泥混凝土进行了对比。同时，考察混凝土自收缩值与强度之间的关联性。

1 实验概况

1.1 原材料及混凝土配合比

本研究中配制混凝土所选用原材料的基本物理性质见表1。所用混凝土的水胶比为0.30，为提高其工作性，混凝土搅拌时掺入HG-PCA600 聚羧酸系高效减水剂，拌合而成的混凝土的坍落扩展度控制在500～550 mm。混凝土配合比、拌合物的特性及强度见表2。粉煤灰的掺量为30%，矿渣的掺量为50%(均为胶凝材料总质量百分数)，所用骨料的含水状态为饱和面干［8-10］。

表1 原材料的基本物理性质

表2 混凝土的配合比和基本性能

1.2 实验方法

本研究实验条件温度为(20 ±2)℃，相对湿度均为(60 ±5)%。

抗压强度测试采用边长为100 mm 的立方体试件，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》进行。为考察强度的经时变化规律，设定的测试龄期为0.5、1、3、7、28 d。

自收缩的测量采用高精度位移传感器结合自动数据采集仪进行，位移传感器的测量范围为5.000 mm，测量精度为0.001 mm。试件尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm，因此自收缩应变分辨率可达到2.5 微应变。混凝土温度由埋在试件中心的热电偶测定。测定装置见图1，数据采集时间间隔设定为30 min。试件用保鲜膜和铝箔胶带密封以避免水分进出。本研究通过混凝土中预埋约束钢筋的预备实验测得混凝土自收缩应力发生的时刻，以此作为自收缩的起始测试时点。本研究的结果约为龄期0.5 d。

图1 自收缩测定装置和TDS-530 数据采集仪示意图

通过位移传感器获得的混凝土总的自由变形后 按下式求得自收缩应变值:

式中:εag—自收缩应变;

εtotal—总收缩应变;

εT—温度应变;

α—热膨胀系数(取值为10 ×10-6/℃);

ΔT—测试时温度与起始温度的差值(℃)。

2 实验结果及分析

2.1 抗压强度

不同掺合料的混凝土的抗压强度经时变化规律见图2。对比图2 中的三条曲线，BS 组和FA 组早期的抗压强度要小于PO 组的抗压强度，但是BS 组和FA 组在7 d 及7 d 以后实现了对PO 的反超。这样的结果表明:矿渣微粉和粉煤灰的掺入使混凝土早期的抗压强度减小了，但是增加了7 d 及其后的抗压强度。

图2 三种混凝土抗压强度经时变化规律

2.2 自收缩特性

不同掺合料下混凝土的自收缩发展曲线见图3。PO、30%FA、50%BS 三组试件28 d 龄期的自收缩应变均值分别为-315、-285、-216με。可见，28 d 相同龄期下，随着粉煤灰和矿渣微粉的掺入，混凝土的自收缩应变值随之减小，但是从曲线的发展趋势看，BS 组自收缩值会在28d 以后超过PO组的自收缩值。其中，掺FA 组自收缩减小的幅度比较明显，幅度接近PO 总值的1/3;掺BS 的自收缩与PO 的自收缩值比较接近，差距不到1/10。说明掺入粉煤灰对混凝土自收缩有较好的抑制作用。这是因为粉煤灰的火山灰活性需要水泥的水化产物才能激发，在早期粉煤灰对体系的水化抑制作用非常明显，从而也抑制了混凝土的自收缩。

图3 三种不同掺料混凝土的自收缩发展曲线图

当比较三种混凝土3 d 龄期后的自收缩(图4)时，PO、30%FA、50%BS 三组试件的自收缩应变值分别为-123、-130、-200με。可见，3d 后掺30%FA 组和PO组收缩值很接近，而掺50%BS 组的收缩值则比PO 组要大得多，达到了基准混凝土的1.6 倍。

图4 3d 开始三种不同掺料混凝土的自收缩发展曲线图

为了进一步分析不同时期自收缩的发展状况，图5展示了PO、30%FA、50%BS 三组试件的自收缩在不同龄期段的发展速率(图中速率的“-”表示收缩)。不难发现:在不同龄期阶段，无论是何种混凝土，其自收缩发展速率差异性比较大。均表现为早龄期的自收缩发展速率较快，尤其是1 d 以内，发展速率最大;随着龄期间隔的往后推移，其自收缩发展速率越来越小。7 d 及其以后的自收缩速率变化很小。

图5 三种不同掺料混凝土自收缩在不同龄期间隔时发展速率对比图

对比三组试件的自收缩速率，3 d 内PO 组的速率远远大于FA 组和BS 组的速率。但是3 d 以后的几个龄期段中，FA 组自收缩速率与PO 组基本接近，而BS 组自收缩速率实现了对PO 组的反超。因此，可以认为粉煤灰和矿渣微粉对自收缩的抑制作用主要体现在早期，矿渣微粉的掺入反而会加大混凝土的后期自收缩。

2.3 自收缩和抗压强度的关系

考虑到混凝土自收缩和抗压强度随龄期变化有类似规律，本文将0.5、0.75、1、3、7、28 d 等不同龄期的混凝土抗压强度与其对应龄期的自收缩值之间相关联，其结果见图6。可见，两者间存在显著的相关性，而且三种混凝土的自收缩值和抗压强度成较好的二次抛物线关系，相关系数均在0.95 以上。此结果揭示了用简单易得抗压强度值推定自收缩值的可能性。

图6 不同掺料混凝土自收缩和抗压强度的关系

3 结 语

在本研究范围内，综合上述研究结果可以得出以下结论:

(1)掺入30%粉煤灰或50%矿渣的高强混凝土，早期的抗压强度不及基准水泥混凝土，但是7 d及其后的抗压强度都超过了基准水泥混凝土。

(2)在不同龄期段，混凝土的自收缩发展速率差异性较大。混凝土的自收缩在1 d 龄期内迅速发展，其速率随着龄期的增长而减小。7 d 及其以后的自收缩速率变化很小。

(3)粉煤灰和矿渣微粉对混凝土自收缩的抑制作用主要体现在早期，矿渣微粉的掺入反而会加大混凝土的后期自收缩。

(4)混凝土的自收缩和抗压强度之间成较好的二次抛物线关系，由强度值推定自收缩存在可能性。

［1]王松林，张箭.浅谈高强混凝土的自收缩机理及国内外研究进展［J］.硅谷，2010(5):83.

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［4]TAZAWA. Autogenous shrinkage of concrete［M］. London:Taylor ＆ Francis Books Ltd，1999:1 - 67.

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