等强度条件下大掺量掺合料混凝土早龄期收缩和准绝热温升实验研究

2019-02-22王章夫谭凯华朱雨磊宋维乾

浙江建筑 2019年1期

凌金,王章夫,谭凯华,朱雨磊,宋维乾

(1.浙江华威混凝土有限公司,浙江杭州 310018；2.杭州华力建材有限公司,浙江杭州 310018)

混凝土是现今应用最为广泛的建筑材料之一,但是其抗拉能力较差,容易发生开裂。裂缝的存在通常会对混凝土结构产生各种危害,降低混凝土结构的服役性能和耐久性能。混凝土的早龄期变形是引发混凝土结构开裂的主要原因之一[1]。在实际结构中,混凝土早龄期变形主要包括混凝土的早期收缩和温度变形,因此,研究混凝土的早龄期收缩和绝热温升对于混凝土材料的抗裂性能评价尤为重要。

近十几年来,为减少水泥用量,改善混凝土性能,矿物掺合料(如矿渣和粉煤灰)在混凝土中的应用越发广泛,在某些特定工程中,矿物掺合料可取代70%的水泥用量[2]。矿物掺合料也会影响混凝土的早龄期变形和抗裂性能,已有较多研究关注于大掺量粉煤灰和矿渣对混凝土早期收缩和绝热温升的影响[3-5]。但是,上述研究中,含不同掺量矿物掺合料的混凝土强度也是不同的,这与实际工程中按一定强度等级进行混凝土结构设计存在较大差别,从而导致研究成果缺乏针对性,不能有效指导工程实际。在等强度条件下的大掺量掺合料混凝土早龄期收缩和准绝热温升的相关研究仍较少。

本文旨在通过实验研究,考察在等强度条件下掺50%粉煤灰和复掺30%粉煤灰20%矿渣的大掺量掺合料混凝土的早龄期收缩和准绝热温升特性,分析并探讨粉煤灰和矿渣对大掺量掺合料混凝土早期抗裂性能的影响。

1 实验概况

1.1 原材料及配合比

本实验采用42.5级普通硅酸盐水泥,P·O 42.5水泥的化学成分及物理性能分别见表1和表2。

表1 P·O 42.5水泥化学成分 %

表2 P·O 42.5水泥物理性能

掺合料为Ⅱ级粉煤灰和S95级矿渣。粉煤灰与矿渣化学成分及物理性能分别见表3和表4。

粗骨料为连续级配的碎石,粒径5～31.5 mm,表观密度2 700 kg/m3；细骨料为机制砂和天然砂。机制砂细度模数3.3,天然砂细度模数0.8,表观密度2 630 kg/m3。外加剂为科之杰Point-400G型高效减水剂,混凝土中减水率为33%。

表3 粉煤灰与矿渣化学成分 %

表4 粉煤灰与矿渣物理性能

混凝土配合比见表5。配制的混凝土强度等级为C30,胶凝材料用量为380 kg/m3, 矿物掺合料掺量为50%。为配制等强度大掺量掺合料混凝土,粉煤灰单掺时水胶比为0.42,30%粉煤灰和20%矿渣双掺时水胶比为0.46。同时,为了保证一定的工作性,配制过程中加入了高效减水剂,以控制其坍落扩展度在(560±20) mm。

表5 混凝土配合比 kg/m3

1.2 实验方法

1.2.1 力学性能测试

力学性能实验包括抗压强度和抗折强度,试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm,养护条件为标准养护：温度(20±2)℃,湿度95%以上,测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》进行。力学性能的测试龄期为3 d,7 d,28 d和60 d。

1.2.2 自由收缩和自收缩测试

本文中自由收缩是指在暴露条件混凝土的收缩变形,主要包括混凝土的干燥收缩变形和自收缩变形。自由收缩和自收缩的测试方法参照文献[3,6]进行。测试环境为：温度(20±2)℃,相对湿度(60±5)%。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件浇筑后立即在表面覆盖保鲜膜,以防止水分散失。试件养护至混凝土终凝时拆模,终凝时间测试方法按《普通混凝土拌合物性能方法试验标准(GB/T 50080—2016)》规定进行。自由收缩测试的试件在拆模后表面直接暴露在空气中,见图1。自收缩测试的试件拆模后立即用保鲜膜和铝箔纸进行密封,以避免混凝土试件与外界的水分交换,见图2。试件底部垫有特氟龙片,以降低试件与底板间的摩擦。收缩值采用高精度位移传感器测量,并通过数据采集仪进行数据的采集与记录。起测龄期约为混凝土终凝后0.5 h,测定频率为每0.5 h测一次。

图1 自由收缩测试图2 自收缩测试

1.2.3 准绝热温升测试

混凝土的准绝热温升利用绝热泡沫箱测定。为降低水化热散失,泡沫箱放置于室外,测试期间平均气温约为30 ℃。绝热泡沫箱分上下两部分,尺寸皆为1 000 mm×1 000 mm×500 mm,两部分叠在一起为边长1 000 mm的立方体。在下部分中心挖出410 mm×280 mm×130 mm的空洞,在空洞中灌入混凝土并在混凝土中埋入热电偶,利用无线测温系统采集及记录温度数据。

2 结果与讨论

2.1 混凝土基本力学性能

图3 混凝土抗压强度随时间变化

图4 混凝土抗折强度随时间变化

混凝土抗压强度和抗折强度的经时变化见图3、图4。对比图3中的两条强度发展曲线可知,在7 d 龄期之前,FA50-0.42和FA30SG20-0.46的抗压强度发展几乎一致。FA50-0.42虽然粉煤灰掺量高,但是其水胶比相对较低,因此在早龄期FA50-0.42的抗压强度发展与掺加了矿渣但水灰比较高的FA30SG20-0.46基本相同。而在后期,由于粉煤灰的火山灰效应开始发挥作用,FA50-0.42由于粉煤灰掺量高,其强度增长略高于FA30SG20-0.46。60 d龄期时,FA50-0.42和FA30SG20-0.46的抗压强度分别为44.2 MPa和40.3MPa,强度相差较小,且均达到C30设计要求。与抗压强度结果相同,在早龄期,FA50-0.42和FA30SG20-0.46的抗折强度发展相近,FA30SG20-0.46的抗折强度略高于FA50-0.42。而在后期,同样由于粉煤灰的火山灰效应,FA50-0.42的抗折强度高于FA30SG20-0.46。

2.2 混凝土自由收缩及自收缩

图5、图6分别为两种混凝土的自由收缩和自收缩应变。其中自由收缩包括自收缩和干燥收缩,因此其收缩值远大于自收缩。从图中可以发现,在早期,两种混凝土的自由收缩发展均极快,在较短时间内即可达到300 με以上,这也是造成混凝土结构早龄期开裂的主要原因之一。对比两种混凝土可知,FA30SG20-0.46的自由收缩和自收缩均高于FA50-0.42。这一方面是由于FA30SG20-0.46水灰比较高,在暴露条件下,其可挥发的水分更多,因此相较而言,其干燥收缩值较大；另一方面,矿渣的活性较粉煤灰高,在早期FA30SG20-0.46整体水化速率高于FA50-0.42,其内部的水分消耗也快于FA50-0.42,其自收缩值也较高。因此,从早期收缩角度考虑,在同等条件下,FA50-0.42应具备更优的早期抗裂性能。

图5 混凝土自由收缩

图6 混凝土自收缩

2.3 准绝热温升

图7为两种混凝土的准绝热温升曲线。由于测试装置放置于室外,因此测试结果受到外界环境条件的影响。图中曲线快速下降段均是由于夏季暴雨直接冲刷导致的温度下降,两组混凝土是先后开展的准绝热温升测试,因此其曲线快速下降段的时刻并不一致。从图7中对比可以发现,两种混凝土的初始温度均为31℃,FA30SG20-0.46在0. 5 d龄期时,温度开始快速上升,温峰达到48℃；FA50-0.42温度快速上升开始于约0.9 d龄期,较FA30SG20-0.46晚,且温峰仅为44℃,较FA30SG20-0.46低。这是由于大量粉煤灰的掺加,降低了混凝土早期的水化放热和水化速率。相较而言,矿渣活性更高,其反应速率高于粉煤灰,因此，FA30SG20-0.46早期温升较高。众所周知,混凝土的早期温升对于大体积混凝土结构的裂缝控制尤为重要,因此从早期温升角度考虑,FA50-0.42较FA30SG20-0.46更适用于大体积混凝土结构,更不易因温度应力而发生开裂。