C50大体积混凝土温度应力测试及抗裂性能研究

杨鹰，盛兴旺，马昆林

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

在桥梁建设中，强度设计等级C50及以上的大体积混凝土承台、桥墩、塔等结构大量出现。由于目前所生产的水泥由于细度较大，放热速度较过去大为提高，这使大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题[1−2]。大体积混凝土在硬化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素，影响了结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构隐患[3]。针对大体积混凝土早期开裂的问题，已经有很多学者进行了理论计算[4−6]，我国也形成了相关的规范[7−8]，但是实践证明，这些计算方法比较复杂，现场工程师不宜掌握，且目前很多大体积混凝土的设计强度已经达到C50，超过了规范提出的大体积混凝土设计强度等级宜在C25~C40之间的规定，很多现场温度监测也发现，大部分高强度大体积混凝土早期的内外温度差大于 25 ℃，但通过养护和配合比设计等方法，混凝土也未出现开裂[9]。本文通过对采用不同配合比条件下某工程桥墩C50大体积混凝土早期内部温度和应力的监测，分析了配合比设计参数对大体积混凝土早期温度、应变的发展及其分布的影响，探讨了C50大体积混凝土开裂的机理以及提高强度大体积混凝土抗裂的有效方法，以期为现场施工提供切实可行的控制开裂的技术方法。

1 大体积混凝土早期开裂

混凝土早期开裂的原因是诸多因素共同作用的结果，但混凝土的早期变形是造成其开裂的最主要原因。研究表明[10−13]，混凝土早期的变形主要包括温度变形、自收缩变形、干燥收缩变形、碳化变形以及约束条件下的徐变变形。在混凝土浇筑早期，碳化收缩很小可以忽略，通过合理的养护可以降低干燥收缩值。对于大体积混凝土，在内部水泥早期水化过程中，将释放大量水化热，而大体积混凝土内部各部位的温度场不一致。一般规律为，内部温度高，越靠近表面，温度越低，从而导致了混凝土外部和内部有较大的变形差，产生了较大相互约束，造成了混凝土内部产生早期应力。

同时，混凝土是一种时变材料，其强度 f(t)和弹性模量 E(t)在早期随着时间的增加将有较大的变化，在有约束的条件下混凝土内部各部位产生的拉应力计算公式如式(1)所示：

式中：σ(t)为龄期为 t时混凝土内部某点受到的应力；E(t)为混凝土早期t时刻的弹性模量，GPa；ε1(t)为 t时刻混凝土由于自收缩产生的应变；ε2(t)为 t时刻混凝土的温度应变；ε3(t)为约束边界条件下变形引起的应变；ε4(t)为混凝土在边界约束条件下的徐变应变；ε5(t)为高度为 h的混凝土受到的自重应力。

混凝土的抗拉强度 fc(t)和弹性模量 E(t)的计算可以参考式(2)和(3)计算[14]：

式中：ft(t)为混凝土龄期为t时的抗压强度MPa，由试验测试得到; fc(t)为龄期为 t时混凝土抗拉强度MPa；E(t)为混凝土龄期为t时，混凝土的弹性模量GPa；

很显然，当混凝土内部的应力 σ ( t) ≥ ft( t)时，混凝土就可能开裂。通过适当提高混凝土抗拉强度可以有效降低开裂的风险。

2 现场实验测试

2.1 原材料及配合比

本研究采用的原材料参数如下：水泥(Cement，简称C)，湖南省石门霸道牌PO42.5普通硅酸盐水泥，密度3.13 g/cm3，烧失量2.2%，比表面积362 m2/kg，3 d抗压强度32.8 MPa，28 d抗压强度52.6 MPa；粉煤灰(Fly ash，简称FA)，F类粉煤灰，比表面积465 m2/kg，45 μm方孔筛的筛余为8.6%，烧失量为3.48%，密度2.45 g/cm3。矿渣(Slag，简称SL)：等级S95，比表面积435 m2/kg，45 μm方孔筛的筛余为14.4%，烧失量为2.98%，密度2.82 g/cm3；细骨料：河砂，表观密度2.66 g/cm3，含泥量0.6%，泥块含量为0.1%，细度模数2.7，Ⅱ区级配合格；粗骨料：4.75~31.5 mm石灰石碎石，压碎指标10.7%，堆积密度1.54 g/cm3，表观密度2.72 g/cm3，堆积密度1.43 g/m3孔隙率 42.5%，针片状总含量4.9%，含泥量0.4%，泥块含量0.2%。外加剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率大于30%。

2.2 试验测试方案

按照试验配合比，分别制作 2个尺寸为 6.5 m×2.0 m×4.5 m，混凝土强度等级为C50的桥墩混凝土，按照C1和C2配合比分别进行混凝土进行浇筑，并测试7 d内的温度和应变。实验测试时间为冬季，气温为−1~12 ℃，平均气温6 ℃，混凝土浇筑用水温度为 10 ℃左右。实验设计中，混凝土浇筑后侧面采用带模养护 7 d，顶面铺设塑料薄膜养护，7 d拆模后，侧面采用塑料薄膜加草垫养护至14 d。

表1 现场混凝土配合比设计Table 1 Mixture design of concrete

1) 温度应力传感器埋设

该桥墩为规则矩形，温度应力传感器布置采用1/4面积布置，每个平面布置9个温度应力传感器，纵向布置2个温度应力传感器，合计11个。现场混凝土温度和应力监控所用的温度应力传感器埋设布置1所示。现场测试了图1所示1~11号测试点从入模开始至7 d时混凝土内部的温度，有针对性的测试混凝土中部和边缘的应变。

图1 温度应力传感器测试布置点Fig. 1 Arrangement sketch of temperature and stress sensor

2) 温度应力传感器埋设

温度应力传感器(湖南凯邦电子科技有限公司生产，型号为BK-1015)在桥墩中沿竖向埋设好并验收合格后，开始浇筑混凝土。混凝土浇筑完毕后，开始测试混凝土温度和应力，每0.5 h测试读数1次，直到第7 d。数据接收采用GPS无线传输系统。

3 试验结果

3.1 混凝土性能测试

在实验室对表1所列配合比首先进行了性能测试。表2为2组混凝土性能测试结果。由表2可知，混凝土成型后3 d内抗压强度增长较快，到3 d龄期时，粉煤灰混凝土抗压强度已经达到设计强度的85.6%，粉煤灰和矿粉双掺混凝土抗压强度已经达到设计值的81.0%，到7 d龄期时各组混凝土抗压强度已经达到设计强度的89.8%和93.6%。

由于混凝土的抗拉强度不宜直接测试，本文采用测试劈裂抗拉强度的方法测试混凝土的抗拉强度，并通过式(2)计算得到混凝土的理论抗拉强度。图3为计算得到的混凝土在不同龄期的抗拉强度，由表2和图2可知，在混凝土浇筑后3 d内，混凝土的劈拉强度与理论计算的抗拉强度较为接近，同龄期劈拉强度略低于理论计算的抗拉强度，同时由表2和图2还可知，3 d以后混凝土劈拉强度和抗拉强度的增加已经不明显。根据式(3)计算得到混凝土弹性模量的变化如图3所示。由图3可知，混凝土弹性模量随混凝土抗压强度的增加而显著增大，且在混凝土成型后3 d内，弹性模量增加最快，计算得到第 3 d时，各组混凝土弹性模量大约为 31 GPa，7 d时各组混凝土弹性模量大约为32 GPa，3 d后随着龄期的增大，混凝土弹性模量的增加不显著。

3.2 混凝土温度测试

3.2.1 粉煤灰混凝土

粉煤灰混凝土(粉煤灰掺量 15%)内部温度测试结果见图4所示。由图4(a)可知，粉煤灰混凝土的入模温度为24.8 ℃。混凝土浇筑后约38 h左右，混凝土内部1，2，4，5，10和11号点温度达到最大，最高温度达到71.5 ℃，然后随着时间的增加，混凝土内部各点温度缓慢降低；混凝土内部的3，6，7，8和9号点在浇筑约17 h时温度达到最大，最高温度约50.6 ℃左右，然后随着时间的增加，混凝土各测试点温度显著减低，到168 h时，1号测点温度为46.2 ℃，9号测点温度为20.9 ℃。

表2 混凝土性能测试结果Table 2 Results of concrete properties

图2 抗拉强度随龄期变化Fig. 2 Development of tensile strength with age

图3 弹性模量随龄期变化Fig. 3 Development of elastic modulus with age

图4 (b)为粉煤灰混凝土内部温度最高的1号点和温度较低的9号点的温度测试和内外温差。由图4(b)可知，随着水泥水化的进行，混凝土内部和外部的最大温度差显著增大然后降低，内外温差最大值出现在浇筑后第71 h，最大温差为38.0 ℃，且在23~168 h内，混凝土内部最大温度差均大于30 ℃。3.2.3 粉煤灰和矿渣双掺混凝土

图4 粉煤灰混凝土内部温度变化Fig. 4 Inner temperature change of fly ash concrete with

粉煤灰与矿渣双掺混凝土(粉煤灰掺量15%，矿渣掺量18%)内部温度变化测试结果见图5所示。由图5(a)可知，粉煤灰与矿渣双掺混凝土的入模温度为23.9 ℃。混凝土浇筑后约27 h左右，混凝土内部1，2，4，5，10和11号点温度达到最大，最高温度达到67.8 ℃，然后随着时间的增加，混凝土内部各点温度缓慢降低；混凝土外部的 3，6，7，8和9号点在浇筑约14 h时温度达到最大，最高温度约50.4 ℃左右，然后随着时间的增加，混凝土内部各测试点温度显著减低。

图5(b)为粉煤灰和矿粉双掺混凝土内部温度最高的1号点和温度较低的9号点的温度测试和内外温差。由图5(b)可知，随着水泥水化的进行，混凝土内部和外部的最大温度差显著增大然后降低，内外温差最大值出现在浇筑后第 85 h，最大温差为32.8 ℃，且在25~145 h内，混凝土内部最大温度差均大于25 ℃。

图5 粉煤灰与矿渣双掺混凝土内部温度变化Fig. 5 Inner temperature change of concrete with fly ash and slag

3.3 混凝土内部应力

现场测试得到不同时期混凝土内部竖向的应变，根据式(3)和图3的计算结果，带入弹性模量计算得到不同时期混凝土内部竖向应力变化。现场测试不同配合比混凝土内部应力结果见图5和图6所示。由图5可知，在所测试龄期内，粉煤灰混凝土内部的 1，2，4，5，6，7，8，10和 11号均受到的压应力，且压应力随着龄期逐渐增大，在大约20~40 h内，各点受到的压应力达到最大，此后，随着龄期的增加，各点受到的压应力逐渐降低。测试中发现，该大体积混凝土仅有9号点出现了拉应力，且最大拉应力为2.6 MPa，出现在第70 h即浇筑后第3 d，大约在第80 h以后，拉应力逐渐降低，在大约 138 h时，9号点受力由拉应力转变为压应力。

由图6可知，粉煤灰与矿粉双掺的混凝土，在所测龄期内，仅有9号点受到拉应力，且最大拉应力出现在浇筑后第78 h左右，最大拉应力为0.85 MPa，大约在第110 h后，9号点的受力由拉应力转变为压应力。

图6 混凝土内部应力测试结果Fig. 6 Results of stress tested

现场测试数据表明，该大体积混凝土内部大部分测点均受到压应力，仅仅9号测点受到拉应力，该点位于混凝土墩的棱角处，且随着龄期的增大，该点的拉应力逐渐转化为了压应力。粉煤灰混凝土在3 d时，内外温差达到最大为38 ℃，且在测试期间内外温差均大于 30 ℃，粉煤灰与矿粉双掺的混凝土内外温差最大是在大约3.5 d时，最大温差为32.8 ℃, 且在25~145 h内，混凝土内部最大温度差均大于 25 ℃。以上对两组混凝土内部温度的测试及最大温度差计算表明，矿物掺合料掺量增加，降低了混凝土内部最高温度，降低了最大温度差，但是混凝土内外温差均大于规范规定的 25 ℃。经过对拆模后的混凝土进行检查，均未发现混凝土表面出现裂纹。其主要原因应该是该两组混凝土中，早期强度增长较快，实际测试表明粉煤灰混凝土 3 d劈拉强度已经达到2.8 MPa，而该混凝土内部同期最大拉应力为2.6 MPa，粉煤灰和矿粉双掺的混凝土3 d强度为2.6 MPa，而同期该混凝土内部最大拉应力为0.85 MPa，同时对该混凝土采取了相应的保温措施，减小了内外温度差。由于温度产生的拉应力均小于混凝土的抗拉强度，因此未见混凝土开裂。

4 结论

1) 本实验测试的 C50大体积混凝土内外最大温差出现在3~4 d左右，最大拉应力也出现在大约3~4 d左右，提高早期混凝土的抗拉强度对于提高抗裂性能有积极作用。

2) 采用粉煤灰和矿渣双掺的混凝土，掺合料掺量占胶凝材料30%以上，能够有效降低混凝土早期内外温差且3 d抗拉强度并未显著降低，改善了混凝土的抗裂性。

3) 对于 C50及以上的大体积混凝土，由于胶凝材料掺量较大，早期抗拉强度较中低强度混凝土高，当混凝土内外温差大于 25 ℃时，保温措施适合条件下，混凝土开裂的风险可控。

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