混凝土自收缩的测定及若干因素对自收缩影响规律的研究

2015-12-29楼瑛罗素蓉

福州大学学报（自然科学版） 2015年1期

楼瑛，罗素蓉

(1．福州大学阳光学院土木工程系，福建福州 350015;2．福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

0 引言

自密实混凝土是高性能混凝土的一个重要发展方向，具有高流动性，不离析，良好的均匀性和稳定性，浇注时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实，解决了传统混凝土施工中的漏振、过振以及钢筋密集排列难以振捣等问题，可保证钢筋、预埋件、预应力孔道的位置不因振捣而移位，是一种具有高工作性能的混凝土［1－4］．

自收缩(autogenous shrinkage)是指混凝土在不与外界发生水分交换条件下，因胶凝材料水化消耗浆体内部的水分，使自身相对湿度减少而引起的收缩，它从混凝土初凝后就开始产生［5］，并在混凝土体内均匀发生．自收缩是现浇混凝土结构早期开裂的一个显著影响因素，早期微裂往往是后期宏观开裂的开始，会对混凝土结构的耐久性甚至安全性产生极为不利的影响．近年来，国内外学者对自收缩开展了许多研究．日本、法国、荷兰等国家和地区的研究人员对高性能混凝土的自收缩测定方法、影响因素、产生机理、力学模型等方面进行了较为广泛的研究，但对自密实混凝土的研究主要从配合比优化入手，结合结构设计、生产质量控制、现场施工工艺、工程应用等方面展开．在理论研究方面如自密实混凝土自收缩的测量方法、影响因素的数量及程度和预测模型等问题研究较少［6－9］．在总结以往自收缩试验方法并考虑现有的试验条件和客观因素的基础上，设计了自密实混凝土自收缩试验方法，得出了较为准确的粉煤灰单掺、粉煤灰与矿渣复掺、胶结料用量、水胶比对自密实混凝土自收缩的影响规律，提出了自密实混凝土的自收缩计算模型．

1 试验设计

1．1 试验配合比

依据CCES 02—2004自密实混凝土设计与施工指南［10］，根据原材料的类型和性能，对试验所用的配合比进行设计，共设计了14组混凝土试件进行自收缩试验，研究粉煤灰单掺、粉煤灰与矿渣复掺、胶结料用量和水胶比四个掺量对混凝土自收缩性能的影响，分别设计以粉煤灰掺量为0%、18%、36%和54%的混凝土配合比、粉煤灰与矿渣复掺比例为4∶1、3∶2、2∶3和1∶4的混凝土配合比，胶结料用量为500、550和600 kg·m－3的混凝土配合比和水胶比为0．28、0．32、0．36和0．42的混凝土配合比进行自收缩试验研究．标准试块尺寸均为100 mm×100 mm×515 mm，每批试验成型11个试件，每组配合比成型3个标准试件，共浇注了42个试件，测量时间均为70 d．自密实混凝土配合比见表1．

表1 自密实混凝土配合比Tab．1 The mixture ratio of self－compacting concrete

1．2 试验设备

自收缩浇注装置为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试模，试模的四个侧板与底板用紧固螺栓连接，测定装置由金属测头、电涡流位移传感器、电热偶、IMP数据采集仪和普通计算机五个部分组成，如图1所示．采用的试验方法是在试件浇注完成后养护1 d拆模．实验室自收缩试验装置如图2所示．

图1 自收缩试验装置示意图Fig．1 The schematic diagram of the autogenous shrinkage test

图2 自收缩试验Fig．2 The autogenous shrinkage test

2 试验结果

通过自密实混凝土自收缩试验，研究粉煤灰单掺、粉煤灰与矿渣复掺、胶结料用量、水胶比四个配合比参数对自密实混凝土自收缩的影响．

2．1 粉煤灰掺量

图3给出考虑粉煤灰单掺影响对自密实混凝土自收缩应变随龄期的变化关系．从图3可以看出:自密实混凝土的自收缩呈持续增长的趋势，自收缩值在早期增长较快，之后发展平稳，其增长速度随龄期的增加而略有降低，直到龄期60 d时，自收缩值才趋于稳定．龄期为14 d的混凝土自收缩是其龄期为60 d时的35%左右;龄期为28 d时，这个比例为50%左右，这说明自密实混凝土自收缩的发展在整个龄期发展相对平稳．可见前60 d都是减少自密实混凝土自收缩的关键时期．

由试验结果可知，随着粉煤灰掺量的增加，同龄期下自密实混凝土的自收缩减小，60 d龄期时，粉煤灰掺量分别为0%、18%、36%、54%的SCC－1、SCC－2、SCC－3、SCC－4自收缩值分别为1．95×10－4、1．68×10－4、1．51 ×10－4、1．33 ×10－4，粉煤灰掺量为18%、36%和54%的自收缩较基准混凝土的自收缩值分别减少了13．8%、22．6%、31．8%，由此可见，粉煤灰对自密实混凝土的自收缩，有明显的改善作用．究其原因有如下2个因素:1)在保持早期用水量和水胶比不变的情况下，在混凝土中掺加粉煤灰，相当于降低水泥用量．而由于粉煤灰的火山灰效应，使得早期单位体积混凝土中水化产物的数量减少，改善了混凝土内部孔结构;2)粉煤灰掺量增加后，由于粉煤灰早期活性低、水化慢，粉煤灰颗粒对水化物的填充效果较好，起到支撑作用，从而减少了自密实混凝土的自收缩．

图3 不同粉煤灰掺量对混凝土自收缩的影响Fig．3 The influence of different fly ash volume on autogenous shrinkage

2．2 粉煤灰与矿渣复掺

图4给出考虑单掺粉煤灰和粉煤灰与矿渣复掺时对自密实混凝土自收缩应变随龄期影响的变化关系．由图4可知，混凝土的自收缩呈持续增长的趋势．在掺合料用量相同的条件下，龄期为28 d时，单掺粉煤灰和粉煤灰与矿渣复掺比例为2∶1的SCC－4和SCC－5自收缩值分别为7．7×10－5、5．3×10－5，在龄期为60 d时，其自收缩值分别为1．33×10－4、8．7×10－5，复掺的自收缩较单掺混凝土的自收缩分别降低了30%和35%，可见，粉煤灰与矿渣复掺可以显著降低混凝土的自收缩．究其原因有如下2个因素:①矿渣和粉煤灰的水化进程有互补作用和其协同效应．由于矿渣中的CaO含量较高，其析出的CaO可促进粉煤灰颗粒周围的C－S－H凝胶、AFt(有石膏存在时)的形成，从而促进粉煤灰颗粒中的铝、硅相的溶解，使水化液相中的铝、硅浓度增加，又可增加矿渣的水化过程．②矿物掺合料和水泥颗粒间的复合微集料效应可以进一步改善混凝土的性能，从而使得混凝土的自收缩值会随着粉煤灰与矿渣的复掺而降低．

图5为粉煤灰和矿渣不同复掺比例对自密实混凝土自收缩的影响曲线．由图5可知:粉煤灰与矿渣复掺时，自密实混凝土的自收缩呈持续增长的趋势，自收缩在早期增长较快，且其增长速度随龄期的增加而有所降低，在66 d龄期后，混凝土增长速度趋于平稳．

从图5中可以看出，在粉煤灰与矿渣复掺比例在4∶1、3∶2和2∶3时，混凝土自收缩随着复掺比例的减小而减小，而当复掺比例为1∶4时，混凝土自收缩反而增大．在28 d龄期时，粉煤灰与矿渣复掺比例分别为4∶1、3∶2、2∶3和1∶4的SCC－6、SCC－7、SCC－8、SCC－9自收缩值分别为1．35×10－4、1．14×10－4、9．3×10－5和6．0×10－5，复掺比例为2 ∶3的混凝土自收缩分别较复掺比例为4 ∶1和3 ∶2的混凝土降低了16%和67%，复掺比例为1∶4的混凝土较复掺比例为2∶3的自收缩增大了72%．究其原因有如下3个因素:①在粉煤灰与矿渣复掺比例不小于0．67时，由于矿渣粉和粉煤灰的水化进程有互补作用和协同效应，水化过程不断地进行，水化物的致密性较好，水化物较多，并且可以改善混凝土的颗粒级配，未水化的矿渣粉与粉煤灰颗粒，能够更有效地填充水泥颗粒水化产生的孔隙，有利于混凝土内部堆积密度的提高，使孔隙细化并减少孔隙率，这样混凝土的致密性更好，混凝土内部的相对湿度较高;②矿渣粉、粉煤灰与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应形成CSH凝胶，使界面区的Ca(OH)2晶粒变小，并降低了其在界面区的取向程度，使骨料界面区的粘结力增强，界面区的细观结构得到改善，使自密实混凝土抵抗收缩的能力得到加强;③矿渣粉和粉煤灰的存在，使得二次水化反应过程产生更多六方柱状的AFt，可以有效地补偿自密实混凝土的自收缩．此外，当粉煤灰与矿渣复掺比例降低到0．25时，由于矿渣具有比粉煤灰更高的潜在活性，促进水泥水化，导致混凝土内部自由水分迅速减少，反而导致了自收缩增加．

图4 SCC4、SCC5自收缩值发展曲线Fig．4 The autogenous shrinkage development curve with SCC4，SCC5

图5 粉煤灰与矿渣复掺对混凝土自收缩的影响Fig．5 The influence of fly ash and slag re － mixed on autogenous shrinkage

2．3 胶结料用量

考虑胶结料用量影响时，自密实混凝土自收缩应变随龄期的变化曲线如图6所示．

图6 不同胶结料用量对混凝土自收缩的影响Fig．6 The influence of different cementitious material consumption on autogenous shrinkage

从图6可以看出:自密实混凝土的自收缩呈持续增长的趋势且发展稳定，自收缩在早期增长较快，且增长速度随龄期的增加而有所降低，直到龄期60 d时，自收缩值才趋于稳定．胶结料用量分别为500、550和600 kg·m－3的 SCC－10、SCC－3、SCC－11试件在 3 d龄期时自收缩应变值分别是 3．0×10－5、1．7 ×10－5和4．4 ×10－5，在28 d龄期的自收缩应变值分别是1．35 ×10－4、9．9 ×10－5和1．71 ×10－4，胶结料用量为550 kg·m－3的混凝土自收缩较胶结料用量为500 kg·m－3的自收缩降低了27%，胶结料用量为600 kg·m－3的混凝土自收缩较胶结料用量为500和550 kg·m－3的自收缩增加了30%和72%．

由此可见，自密实混凝土自收缩随着胶结料的增加而减小，而当胶结料用量达到600 kg·m－3时，混凝土自收缩反而增大．①当胶结料用量增加时，胶结料包裹骨料的能力增强，两者的接触界面致密，混凝土密实性增强，降低了混凝土自收缩;②当混凝土胶结料用量增加到600 kg·m－3时，骨料的含量减少，使混凝土骨料对混凝土的约束力下降，导致了自收缩的增大．

2．4 水胶比

考虑水胶比影响时，自密实混凝土自收缩应变随龄期的变化曲线如图7所示．从图7可以看出:自密实混凝土的自收缩呈持续增长的趋势，自收缩在早期增长较快，且增长速度随龄期的增加而有所降低，直到龄期65 d时，自收缩值才趋于稳定．水胶比分别为0．28、0．32、0．36和0．42的 SCC－12、SCC－3、SCC－13、SCC－14试件自收缩随着龄期的增加相差增大，在3 d龄期时，水胶比为0．32、0．36和0．42的混凝土自收缩较水胶比为0．28自收缩减小了1．2 ×10－5、1．9 ×10－5和2．6 ×10－5，在60 d龄期时，水胶比为0．32、0．36 和0．42 的混凝土自收缩较水胶比为0．28 的混凝土自收缩减小了 2．3 ×10－5、4．2 ×10－5和6．6 ×10－5．

可见，自密实混凝土自收缩随着水胶比的增大而减少，并且在一定范围内水胶比增大，可显著减小混凝土早期自收缩的发展．这是由于:水胶比小的自密实混凝土中自由水量少，混凝土结构致密水分不能及时向表面迁移散失，同时水胶比小的混凝土浆体相对密度高，其固体颗粒数量越多，混凝土中的孔隙率大幅降低，毛细孔的最可几孔径(出现几率最大的孔径)减小，细毛细孔数量相对增多，引起收缩增大．

图7 水胶比对混凝土自收缩的影响Fig．7 The influence of different water cement ratio on autogenous shrinkage

3 预测模型

国内外许多学者经过研究已经达成到了一个共识，当掺加高效减水剂和矿物掺合料时，低水胶比混凝土早期自收缩是引起混凝土出现早期裂缝的主要原因之一．由此可知，研究混凝土的自收缩对于控制这类早期裂缝具有重要意义，而混凝土自收缩主要发生在早期，这给自收缩的测量带来了很大的困难，因此根据现有的实验数据和理论建立自收缩预测模型十分必要．

目前，对于混凝土自收缩的预测还没有得到统一认可的模型．本文在前文分析研究的基础上，考虑粉煤灰掺量、粉煤灰与矿渣复掺、胶结料用量、水胶比这四个因素对自密实混凝土自收缩计算模型影响，提出了自密实混凝土自收缩计算模型．

目前，常用的混凝土收缩表达式有双曲线函数式、指数式以及对数函数式．

双曲线函数形式:

对数函数形式:

指数函数形式:

式中:εsh，∞为拟合收缩最终值;a，b为试验拟合常数．

本文建立的自密实混凝土自收缩预测模型需要考虑粉煤灰掺量、粉煤灰与矿渣复掺、胶结料用量、水胶比这四个影响因子，引入的参数较多，因此本文以指数形式的收缩公式为基本模型，具体考虑粉煤灰掺量、粉煤灰与矿渣复掺、胶结料用量、水胶比对自收缩的影响规律，采用Origine多元非线性对试验结果进行拟合，重新建立一个适合自密实混凝土自收缩发展规律的实用预测模型．

式中:εas(t)是龄期为 t时混凝土的自收缩值(×10－6);εas(∞)是龄期为 ∞ 时混凝土的自收缩值(× 10－6);fcm28为28 d混凝土立方体抗压强度(MPa);γ1为水胶比影响因子，γ1= －1．98α1+1．08;γ2为胶结料影响因子，γ2=4．5α22－48．45α2+131．45;γ3为与矿物掺合料掺量有关的影响因子，单掺粉煤灰时，γ3=135(0．36 － 0．01α3)(1 － exp(－ 0．3t))，粉煤灰与矿渣复掺时，若 FA/SG ＞ 1，γ3=13．5α4(1 － exp(－ 0．08t))，若FA/SG≤1，γ3=13．5(－0．099α4+0．69)(1 －exp(－0．08t));α1为水胶比;α2为胶结料用量(×10－2);α3为粉煤灰掺量(%);α4为粉煤灰与矿渣复掺比例;t∶混凝土龄期(d)．

通过预测模型计算值与自密实混凝土自收缩实验结果对比分析，表明该模型的总体预测效果良好，其R2基本都在0．92以上，其预测残差绝对值基本在1．8×10－5之内，验证了此模型在预测自密实混凝土的自收缩时的准确性，为预测自密实混凝土自收缩提供了理论计算依据．