不同养护温度下高强混凝土早龄期拉伸 徐变的试验研究

倪彤元， 杨 杨， 吴炎平， 顾春平， 刘金涛

(1.浙江工业大学 材料科学与工程学院， 浙江 杭州 310014； 2.浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 310014； 3.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； 4.江西省建筑材料工业科学研究设计院， 江西 南昌 330001)

高强混凝土(HSC)具有很多普通混凝土不具备的优点，如强度高、耐久性好，使用外加剂还能实现其高工作性等特点，使其得到了越来越多的应用.但由于其水胶比小，因此由水泥水化热引起的温度变形，尤其是自干燥所造成的自收缩较大.在约束条件下，这些变形产生的自身应力易导致高强混凝土早期开裂[1-3].徐变是混凝土固有的一种时变性能，混凝土结构在受荷载作用时，主要处于压应力状态，因此通常考虑其压缩徐变特性[4].但在非荷载作用下的变形导致混凝土处于拉应力状态，因此与压缩徐变相比，拉伸徐变在高强混凝土早期开裂预测和控制研究中更符合其实际应力状态.高强混凝土早龄期的拉伸徐变作为一项必须把握的重要材料特性，近年来开始得到关注，也取得了一些研究成果[5-8].

温度是影响混凝土徐变最主要的外部因素之一.一方面，徐变与水泥石中水的运动有关.Ruetz[9]认为水的运动对于混凝土徐变影响显著，温度升高时，由于胶体粒子聚合度的变化，较多的粒子能够进行滑移，也就是说，液体分子的定向运动受到温度干扰，在较高温度时就可能发生黏性流动，水的黏滞性降低，徐变增加.另一方面，温度的提高也间接促进了混凝土内部的水化反应，从而加快了混凝土强度的发展，在一定程度上减小了混凝土的徐变，使其徐变随着温度的升高而降低.Umehara等[10]的研究表明，当加载龄期为3.000d时，对于水灰比*文中涉及的水灰比、减水率等均为质量比或质量分数.为0.56的混凝土，养护温度越高，其拉伸徐变越大.因此研究温度对高强混凝土早龄期拉伸徐变的影响就更为重要，这对于正确评价混凝土早期开裂来说意义重大.然而涉及温度对高强混凝土早龄期拉伸徐变影响的研究近年来仅偶有报道[11-12]，研究有待加强和深入.

为进一步研究养护温度对高强混凝土早龄期拉伸徐变特性的影响，本文以高强混凝土与外界无湿度交换条件下的早龄期拉伸基本徐变(以下简称拉伸徐变)为研究对象，以养护温度和加载龄期为试验参数，通过试验研究在4种养护温度和5种加载龄期下高强混凝土的拉伸徐变特性，为研究高强混凝土拉伸徐变的温度依存性打下基础.

1 试验

1.1 原材料

本文所采用的混凝土强度等级为C60，水灰比(mW/mC)为0.30.采用52.5级普通硅酸盐水泥(C)；硅粉(SF)掺量为胶凝材料(B)总质量的10%；细骨料为中砂(S)；粗骨料为粒径范围为5～20mm的碎石(G)；减水剂为聚羧酸盐系高效减水剂(SP)，减水率在25%以上，用量以其占胶凝材料的质量分数计.所用混凝土配合比如表1所示，混凝土拌和物坍落扩展度控制为(500±20) mm.

表1 混凝土配合比

1.2 试验参数

考虑到实际混凝土在施工时常处于不同季节的环境温度下，并考虑试验的可操作性，混凝土养护温度设定为：10，20，28，35℃.加载龄期(即施加荷载时混凝土的龄期)设定时以养护温度20℃时的0.750，0.875，1.000，3.000，7.000 d为基准，考虑到温度对于水化反应速度的影响，加载龄期在养护温度10℃时为1.250，1.600，2.000，3.000， 7.000 d； 28℃时为0.540，0.750，1.000，3.000，7.000 d；35℃时为0.500，0.750，1.000，3.000，7.000 d.

1.3 试验方法

为实现养护温度的控制，本文试验在可控制环境温湿度的走入式多功能环境模拟箱(型号为ZHS-028)中进行.高强混凝土拉伸徐变的测试采用本团队设计开发的拉伸徐变加载装置[5,12](图1).

图1 拉伸徐变加载装置示意图Fig.1 Sketch map of loading device for tensile creep

为了使浇筑时的混凝土入模温度与养护目标温度接近，本文通过事先对原材料加热或(和)调节拌和水温的方法来控制混凝土拌和物的初始温度，4种养护温度下混凝土入模温度与目标温度的最大差值控制在2℃以内.

拉伸徐变试件包括荷载作用下的混凝土拉伸试件以及非荷载作用下的自由收缩试件，两者尺寸均为100mm×100mm×400mm.各试件在设定的养护温度下成型后静置于多功能环境模拟箱中保湿养护；拆模后，立即用保鲜膜、胶带纸包裹使之处于密封状态，保证拆模后的试件与外界没有水分交换，满足测定拉伸基本徐变的要求.在拉伸徐变试验的同时，进行自由变形(包括自收缩与温度变形)试验，其测定装置如图2所示.不同养护温度下自由变形试件的初始测试龄期如表2所示.

图2 自由变形的测定装置示意图Fig.2 Sketch map of measuring device for auto-shrinkage

Temperature/℃10202835Initial measuring age/d0.7500.6700.5400.390

高强混凝土的徐变变形通过在试件两侧设置的π型变位计测量获得，自由变形由试件两端设置的位移传感器进行采集.混凝土温度采用在试件中埋入的热电偶来测定，加载应力则采用荷载传感器进行测定.所有的数据均由数据采集仪和计算机在设定的龄期自动采集并储存记录.

2 结果与讨论

2.1 早龄期拉伸徐变试验基本参数与混凝土相关力学性能

本文采用的试验参数主要有5个加载龄期和4个养护温度，所施加荷载的应力比控制为0.4，每组试验持荷时间(施加荷载完成并保持荷载恒定所持续的时间)21d以上.拉伸徐变试验基本参数与混凝土相关力学性能如表3所示.其中，当养护温度为10℃时，由于较低的温度会使混凝土力学性能的发展较为缓慢，故特别测试了持荷时间为50d的试件拉伸徐变，其变化趋势与持荷时间21d时一致，表3不再列出.图3为养护温度20℃条件下试验全程拉伸荷载变化曲线.由图3可见，荷载在测试的全过程中基本保持不变，满足试验要求.其他温度条件下试验全程拉伸荷载变化也呈现同样的结果.

表3 拉伸徐变试验基本参数与混凝土相关力学性能

图3 养护温度20℃条件下试验全程拉伸荷载变化Fig.3 Variation curves of tensile load during whole experiment under 20℃

2.2 非荷载作用下的自由变形

在与外界无湿度交换条件下，持续荷载作用下的混凝土变形还包含自收缩和温度变形，因此需同时测定非荷载作用下的自由变形，并在荷载作用下的总变形中将其扣除才能获得徐变变形.

图4给出了不同养护温度下的混凝土内部温度.由图4可见：在10，20，28，35℃的养护温度下，混凝土内部温度达到峰值的龄期分别为0.800，0.710，0.620，0.440d；与混凝土入模时温度相比，温度变化量分别为3.5，4.8，5.0，5.4℃.由于本研究的混凝土试件断面较小，因此其内部温度上升不高.但是从图4中仍可发现，养护温度越高，混凝土内部温度变化量越大，达到峰值的龄期越早.

图4 不同养护温度下的混凝土内部温度Fig.4 Internal concrete temperature under different curing temperatures

图5为不同养护温度下高强混凝土自收缩随时间的变化.从图5中可以发现，在所测龄期范围内，高强混凝土自收缩在成型后的3.000d之内发展很快.在35℃下养护时，高强混凝土3.000d自收缩约占其28.000d自收缩的30%；在28℃下养护时，这一比值为25%；在20℃下为24%；在10℃下为22%.在3.000d龄期之后，高强混凝土自收缩增长的趋势逐渐减缓.由图5还可发现，在较高养护温度下，高强混凝土自收缩表现出较快的增长速度和较大的收缩值.

图5 不同养护温度下高强混凝土的自收缩Fig.5 Self-shrinkage of high strength concrete under different curing temperatures

2.3 加载龄期对拉伸徐变特性的影响

通常采用比徐变、徐变系数与徐变速度等基本特征参数对拉伸徐变特性进行评价.本文采用的比徐变定义为单位应力作用下的徐变应变，徐变系数定义为徐变应变与加载时刻瞬时弹性应变的比值，徐变速度定义为单位持荷时间内比徐变的增量.

不同养护温度下混凝土试件各加载龄期的拉伸比徐变与徐变系数分别如图6，7所示.

以养护温度为20℃为例，由图6，7可见，对于加载龄期为0.750d的混凝土在持荷21d后，其比徐变和徐变系数分别高达436μm/(m·MPa)和6.4，而加载龄期为7.000d时混凝土的比徐变和徐变系数分别只有54μm/(m·MPa)和1.7，由此可见，由于加载龄期不同造成的混凝土拉伸徐变特性差异很大，比徐变和徐变系数均随着加载龄期的增大而急速减小.在其他养护温度条件下混凝土拉伸徐变特性均表现出同样的变化规律.惠荣炎等[13]的试验表明，加载龄期为28.000d时混凝土拉伸徐变小于加载龄期为 7.000d 时，前者仅为后者的60%左右；Bissonnette等[14]认为加载龄期为7.000d的混凝土拉伸徐变小于加载龄期为1.000d时.本文在早龄期内进行的研究呈现与文献[13-14]相似的结果，而且本文研究结果表明加载龄期对早龄期混凝土拉伸徐变的影响更为显著.

不同养护温度下加载龄期对拉伸比徐变与徐变系数的影响如图8，9所示.由图8，9可见，高强混凝土的比徐变和徐变系数随着加载龄期的延长均呈现指数衰减的趋势.如在养护温度20℃下，加载龄期为0.750d的高强混凝土比徐变和徐变系数大约是加载龄期为7.000d时的8.00倍和3.75倍.

图6 不同养护温度下混凝土试件各加载龄期的拉伸比徐变Fig.6 Tensile specific creep of concrete specimens at different loading ages under different curing temperatures

图7 不同养护温度下混凝土试件各加载龄期的徐变系数Fig.7 Creep coefficient of concrete specimens at different loading ages under different curing temperatures

图8 加载龄期对于拉伸比徐变的影响Fig.8 Effect of loading age on tensile specific creep

图9 加载龄期对于徐变系数的影响Fig.9 Effect of loading age on creep coefficient

为了考察加载龄期在不同持荷时间段对徐变发展的影响规律，将持荷时间段分为3个阶段：0～3d(徐变快速发展期，stage 1)，3～7d(徐变衰减期，stage 2)和7～21d(徐变趋于稳定期，stage 3).图10给出了不同持荷时间段混凝土的徐变速度.由图10可见：加载龄期越晚，曲线越靠近横坐标轴，各条拟合曲线均呈指数函数线形；即高强混凝土的徐变速度越小；随着持荷龄期的增长，徐变速度呈现指数衰减的趋势；随着持荷时间段的延长，徐变速度急速减慢，在10.000d龄期之后(即加载龄期为7.000d并持荷3d)，加载龄期对徐变速度影响微弱.

图10 不同持荷时间段高强混凝土的徐变速度Fig.10 Creep speed of HSC in different holding load periods

2.4 养护温度对拉伸徐变的影响

由图8～10可知，高强混凝土早龄期拉伸徐变，无论是比徐变、徐变系数，还是徐变速度，均随养护温度的提高而减小.进一步比较同一加载龄期、不同养护温度下持荷时间分别为7，14，21d的高强混凝土比徐变，其结果如图11所示.由图11可以看出：在相同加载龄期下，高强混凝土拉伸比徐变总体上均随着温度的升高而降低；但是随着加载龄期的推迟，其降低幅度减小，至7.000d加载龄期时各温度下高强混凝土的比徐变基本持平.产生该现象的原因可能是：在早龄期加载，尤其是3.000d以前加载时，混凝土的内部结构尚未成熟、强度较低，此阶段对徐变发展起主要作用的是混凝土的强度因素，因此养护温度越高，混凝土强度发展越快，其比徐变越小；但随着水化反应的继续，不同养护温度下混凝土强度都有增长，强度差异对徐变造成的影响不再起主导作用，随着加载龄期推迟，影响混凝土拉伸徐变的主要因素变成了凝胶体中水的黏滞性，在强度差异和凝胶体中水的黏滞性共同作用下，随养护温度升高，比徐变降低幅度减小.因此，可以认为养护温度升高对高强混凝土比徐变的降低作用主要体现在早龄期(0～3d)，随着加载龄期的推迟，高强混凝土比徐变随温度升高而降低的幅度减小.上述早龄期拉伸徐变的温度效应特征与成熟混凝土徐变研究中所得到的温度提高会增大混凝土徐变的认知[15]不同，值得进一步关注.

由图11还可以看出，无论持荷时间是7，14d还是21d，在相同持荷时间下，不同加载龄期之间高强混凝土的比徐变差异随着养护温度的提高而减小.例如：在持荷时间为7d条件下，加载龄期为0.750d与7.000d时高强混凝土的比徐变差异在养护温度 20℃ 时为253μm/(m·MPa)，在养护温度 28℃ 时为 122μm/(m·MPa)，在养护温度 35℃ 时为116μm/(m·MPa)；在持荷时间为14d条件下，加载龄期为 0.750 d 与7.000d时高强混凝土的比徐变差异在养护温度 20℃ 时为 345μm/(m·MPa)，在养护温度 28℃ 时为155μm/(m·MPa)，在养护温度35℃时为113μm/(m·MPa)；在持荷时间为21d条件下，加载龄期为0.750 d与7.000 d时高强混凝土的比徐变差异在养护温度20，28,35℃时分别为399，180，109μm/(m·MPa).也就是说，在相同持荷时间下，养护温度越高，高强混凝土的比徐变随加载龄期延迟而减小的速率越慢.

图11 不同持荷时间下养护温度对高强混凝土拉伸比徐变的影响Fig.11 Effect of curing temperature on tensile specific creep of HSC under different holding times

3 结论

(1)无论是在何种养护温度条件下，高强混凝土自收缩在成型后的3d之内均发展较快，而3d后其自收缩增长趋势逐渐减缓；随着养护温度的提高，高强混凝土自收缩表现出更快的增长速度和更大的收缩值.

(2)由于加载龄期不同造成高强混凝土的徐变差异很大，随着加载龄期的延长，比徐变、徐变系数和徐变速度均呈指数衰减的趋势，并且随着持荷时间的延长，不同加载龄期之间高强混凝土徐变速度差异越来越小，不同养护温度条件下均表现出同样的倾向.

(3)与养护温度对成熟龄期混凝土徐变的影响不同，在相同加载龄期下，高强混凝土早龄期拉伸比徐变随着养护温度的升高而降低，但是随着加载龄期的推迟，其降低幅度减小，至加载龄期为7.000d时各养护温度下高强混凝土的拉伸比徐变基本持平.无论持荷时间是7，14d还是21d，在持荷时间相同时，不同加载龄期高强混凝土之间的比徐变差异随着养护温度的提高而减小.