矿物掺合料对混凝土徐变影响研究进展

2021-01-11何智海詹培敏张晓翔WOLDERUFAELYirgalemFissiha

硅酸盐通报 2020年12期

韩超，何智海，詹培敏，张晓翔，WOLDERUFAEL Yirgalem Fissiha

(绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000)

0 引言

混凝土徐变是指在持续荷载作用下其变形随时间不断增加的现象[1]。徐变对混凝土以及钢筋混凝土结构的应力和形变状态有较大的影响。对于不同的混凝土工程，徐变会产生不同程度的影响：在桥梁等预应力工程中，徐变会增加桥梁下挠，导致预应力损失；在大体积混凝土工程中，徐变有利于降低温度应力，减少应力集中和收缩裂缝的产生[2]。有研究表明，我国已建成的大跨度预应力混凝土桥梁普遍存在梁体下挠过大、混凝土开裂等问题，其中一个重要原因就是混凝土徐变效应的长期作用，这给桥梁的运营造成了严重的危害[3]。因此，开展混凝土徐变性能的研究具有极其重要的价值。

随着我国经济增长，建筑行业得到快速发展，混凝土逐渐向高强和高性能的方向发展，矿物掺合料已经成为混凝土制备中不可或缺的组分[4]。研究表明，混凝土中掺入适量的矿物掺合料能够显著改善其工作性能，并提高其力学性能和耐久性[5]。目前矿物掺合料已广泛应用于我国的水利工程、港口及地下工程中，不仅降低了生产成本，表现出良好的经济效益，还能有效减少水泥生产所带来的污染，具有节能减废和显著的环境效益。然而，由于缺乏矿物掺合料对混凝土徐变性能影响规律、系统理论的认识和经验支持，矿物掺合料在工程上的应用主要采用经验主义和保守措施，这限制了矿物掺合料的应用和发展，因此有必要系统研究其对混凝土徐变的影响规律。

本文综述了近年来混凝土徐变作用机理和理论的研究进展，分析了矿物掺合料单掺和复掺条件下对混凝土徐变性能的影响，并进一步探讨了当前研究存在的问题，提出了矿物掺合料和混凝土徐变未来的发展趋势，为矿物掺合料在混凝土徐变中的应用研究提供依据。

1 混凝土徐变机理

美国混凝土学会第209委员会(ACI209)1972年的报告总结了徐变机理[6]，将其归纳为四个方面：(1)在应力作用下水泥胶凝体或水泥石的黏性滑移；(2)水泥胶凝体约束引起的骨料滞后弹性变形；(3)应力作用下水分的迁移；(4)局部破裂、重结晶导致的永久变形。有许多学者提出了其他的假设和理论[7]，如：黏弹性理论、渗出理论、黏性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论、内力平衡理论等。然而，普遍认为徐变的产生与混凝土中水分迁移、骨料变形、胶凝材料和混凝土的微裂缝扩展有关。表1对徐变理论进行了归纳和总结。但在混凝土徐变研究的过程中没有一种理论可以完整准确地解释混凝土的徐变机理，随着徐变发展阶段的不同，其作用机理和使用理论也发生着变化，如表2所示。

表1 不同徐变理论[7]Table 1 Different creep theories[7]

表2 徐变发展过程及适用理论[8]Table 2 Development process and applicable theory of creep[8]

2 单掺矿物掺合料的影响

除了上述各种混凝土徐变作用机理外，有研究表明矿物掺合料的掺入对材料体系中水化产物的数量及结构、混凝土的孔结构等均有不同程度的影响。现阶段，混凝土中使用的矿物掺合料主要有粉煤灰(FA)、磨细矿渣(GGBS)、硅灰(SF)等。

2.1 粉煤灰

大量研究表明，粉煤灰等质量取代水泥(下同)10%～30%对混凝土徐变均有不同程度的抑制作用[9-18]。叶建雄等[19]研究了10%～30%掺量粉煤灰混凝土早期加载时的徐变性能，结果表明，在30%掺量以下时，混凝土早期的受载变形随粉煤灰掺量增加而减小。Harinadha等[20]发现，45%掺量的粉煤灰降低了混凝土的孔隙率，从而改善了混凝土的徐变。然而，针对不同掺量粉煤灰对混凝土徐变性能的作用效果，不同学者的结果并不完全相似，如表3所示。这可能与粉煤灰的品质、水胶比、混凝土的类型以及养护龄期有关。由上述可知，粉煤灰的掺入改善了混凝土的徐变性能，这主要归因于粉煤灰颗粒二次水化和润滑填充作用使混凝土的孔结构高度细化，形成更加均匀密实的微观结构，有效降低混凝土的徐变[18]，如图1所示。

图1 粉煤灰试样SEM照片[11]Fig.1 SEM images of fly ash samples [11]

表3 粉煤灰对混凝土徐变的影响Table 3 Effect of fly ash on creep of concrete

但有研究发现[21-23]，当粉煤灰掺量过大时会对混凝土徐变产生不利的影响。李北星[24]和赵华耕[25]等发现，当粉煤灰掺量从14%增加至25%时，混凝土的徐变有所增加。赵志方等[26]发现超高掺量粉煤灰混凝土由于早期水化反应受到抑制，其早期徐变较基准值混凝土显得更高。此外，罗素蓉[27]和黄海生[28]等研究了不同掺量的粉煤灰对再生混凝土徐变的影响，结果表明，随着粉煤灰掺量的增加其抑制效果不断减弱，当掺量达到60%时，混凝土徐变反而逐渐增大。究其原因是粉煤灰密度低于水泥，当其等质量取代水泥时，胶凝材料浆体体积增大，粉煤灰活性反应减慢，水化程度下降使混凝土孔隙增大，最终导致混凝土抑制徐变能力降低[11]。

此外，粉煤灰混凝土的徐变性能与养护条件有着密切的关系。Bouzoubaa等[32]发现掺入粉煤灰的混凝土在蒸压养护条件下的徐变比基准混凝土略低，这与李益进等[33]的研究结果相似。余峰等[34]发现超细粉煤灰高性能混凝土在蒸养条件下后期徐变比标养条件下降低22%。Zhao等[35]的研究表明，20 ℃和50 ℃温度下，含20%粉煤灰混凝土的徐变比较接近，而90 ℃温度下其徐变明显减小。这种现象产生的原因在于：一方面蒸压养护影响了混凝土的水分迁移从而减小了其徐变，另一方面蒸压养护比标准养护更利于矿物掺合料活性的激发，加速了粉煤灰二次水化产生更多的C-S-H凝胶，并使水化产物产生结晶趋势，生成了少量水辉石水化产物，从而降低粉煤灰混凝土的徐变，如图2所示。关于养护条件对粉煤灰混凝土徐变的影响详见表4。

表4 养护条件对粉煤灰混凝土徐变的影响Table 4 Effect of curing conditions on creep of fly ash concrete

图2 不同养护条件粉煤灰混凝土XRD分析[35]Fig.2 XRD analyses of fly ash concrete with different curing conditions[35]

2.2 磨细矿渣

研究发现[30-31]，适量磨细矿渣的掺入对混凝土徐变具有抑制效果。Li等[36]研究发现，30%掺量(等质量取代水泥，下同)的超细磨细矿渣大幅度降低了混凝土的徐变，其混凝土180 d的徐变约为基准组50%，这与邓宗才等[18]的研究相一致。邹超英等[37]在再生混凝土的研究中得到相似的结论，含20%磨细矿渣再生混凝土90 d的徐变减少了8.7%。表5给出了磨细矿渣对混凝土徐变影响的汇总表。从表中可以发现磨细矿渣改善了混凝土徐变性能。究其作用机理：一定程度上是由于磨细矿渣本身较高的活性与水泥相接近，且其良好的减水效果改善了混凝土的和易性[18]，并且与CH结晶发生二次水化反应，产生更多的C-S-H使浆体的密实度得到显著提高[36-38]，导致混凝土收缩和徐变降低。

有学者给出了不同的结果，赵庆新等[38-40]提出磨细矿渣掺量存在临界值，为50%，并且发现当磨细矿渣掺量增加至80%时[21]，混凝土的徐变增加了74%。而Lee等[41]也发现50%掺量的磨细矿渣混凝土后期的徐变高于普通混凝土。蒙玮等[15]研究发现，当磨细矿渣掺量达到30%时，混凝土徐变比基准组的更高。这可能是因为当磨细矿渣掺量较大时，磨细矿渣与基体之间的界面结合情况才是决定徐变性能的主要因素。通过SEM微观分析可以发现混凝土出现了多孔和疏松的界面，对徐变产生极大的负面影响[38]，如图3所示。表5为磨细矿渣对混凝土徐变影响的汇总表。

表5 磨细矿渣对混凝土徐变的影响Table 5 Effect of ground slag on creep of concrete

图3 磨细矿渣试样SEM照片[38]Fig.3 SEM images of ground slag samples[38]

2.3 硅灰

有研究表明，硅灰掺量在10%(等质量取代水泥，下同)以内对混凝土徐变性能具有明显的改善作用。陈灿明等[44]研究发现硅灰能够显著降低混凝土的徐变。刘立等[13]发现5%硅灰的掺入使轻骨料混凝土360 d的徐变降低了33%，且其徐变稳定期比基准组有所提前。部分国外学者也得到相似的结论[45-46]，硅灰的掺入使混凝土的平均孔径减小，孔隙率降低，混凝土总徐变和基本徐变均随着硅灰掺量的增加而降低，但其干燥徐变的变化可以忽略[47-49]，研究者认为这是硅灰削弱了混凝土内部的水分传输导致的。其作用机理与硅灰提高混凝土强度的机理相似[50-54]，硅灰平均粒径比水泥小[55]，能够改善胶凝材料颗粒级配，同时硅灰具有极高的活性，可以和水泥水化产物CH发生“二次水化”生成大量水化产物填充混凝土的孔隙，提高了混凝土内部的密实度，从而改善了混凝土的徐变性能。

综上所述，根据图4粉煤灰、磨细矿渣及硅灰单掺时对混凝土徐变的影响可知，对于粉煤灰掺量的研究跨度较大，且不同研究者所用水灰比和粉煤灰种类的不同使其对徐变的影响存在较大波动，当粉煤灰的掺量在50%以下时对混凝土徐变能够产生抑制效果，并且20%～30%掺量范围内效果最佳；对于磨细矿渣可以看到，在50%掺量时出现了明显的徐变增大，在10%和30%附近也存在徐变增大的研究结果，而20%掺量对徐变的抑制效果较为稳定，因此可以认为磨细矿渣的最佳掺量约为20%；对于硅灰掺量的研究仅在10%掺量及以下，缺乏大掺量硅灰对混凝土徐变影响的研究，硅灰在现有研究下的最佳掺量约为5%。

图4 单掺粉煤灰、磨细矿渣及硅灰对混凝土徐变的影响Fig.4 Effects of single fly ash, ground slag and silica fume on creep of concrete

2.4 其他品种矿物掺合料

随着对混凝土性能的要求与日俱增，传统的矿物掺合料不足以满足各类工程需求，研究者正在寻找新的矿物掺合料。刘来宝[56]研究发现含12%锂渣(等质量取代水泥，下同)混凝土360 d的徐变降低了15.5%。张喜娥[57]研究发现10%～20%掺量锂渣对混凝土徐变均有降低效果，随着掺量的增加降低效果愈加显著。He等[58]也得到相似的结论，并认为锂渣的最佳掺量为20%。含锂渣混凝土徐变之所以降低是由于锂渣平均粒径小于水泥颗粒，并且通过火山灰活性可生成更多额外的C-S-H，填充混凝土内部孔隙形成更加密实的微观结构[58]，如图5所示。Brooks等[59]研究了偏高岭土对混凝土徐变性能的影响，结果表明，偏高岭土可以减少混凝土的总徐变和基本徐变，在15%偏高岭土掺量下，徐变减小了近一半。dos Santos等[60]也发现偏高岭土等体积替代水泥能够有效降低混凝土早期徐变。偏高岭土的作用机理与其他矿物掺合料相似，主要归因于其火山灰活性和微集料填充效应。

图5 锂渣试样90 d龄期SEM照片[58]Fig.5 SEM images of lithium slag samples at 90 d[58]

研究者还从其他新型材料中寻找目标。He等[61]发现稻壳灰具有粒径小、二氧化硅含量高的特性，部分稻壳灰能够与水泥水化产物发生二次火山灰反应生成C-S-H，从而改善混凝土孔结构，且稻壳灰具有强大的保湿作用，能够加速基体的水化反应并减小界面过渡区，从而减小混凝土徐变。同时还发现稻壳灰掺量大于15%(等质量取代水泥)以后进一步添加稻壳灰对混凝土徐变的减少有限，15%是稻壳灰减少混凝土徐变的最佳掺量。Adamu[62]研究表明含1%(等质量取代水泥，下同)纳米二氧化硅的橡胶混凝土365 d徐变下降了36.27%，纳米二氧化硅的填充效应和高火山灰活性提高了橡胶混凝土的刚度、弹性模量和抗压强度。He等[63]研究了玻璃粉对混凝土徐变的影响，研究结果表明，混凝土中掺入20%(等质量取代水泥)的玻璃粉对其徐变性能的改善效果最佳，混凝土180 d的徐变下降了33.6%。图6和图7分别是玻璃粉试样的SEM照片与纳米压痕分析结果。通过SEM(图6)和纳米压痕(图7)分析发现，混凝土徐变下降的原因在于玻璃粉二次水化产生了大量额外的高密度C-S-H并有效填充和细化毛细孔和气孔，形成致密的微观结构。关于其他矿物掺合料对混凝土徐变的影响详见表6。

图6 玻璃粉试样90 d龄期SEM照片[63]Fig.6 SEM images of glass powder samples at 90 d[63]

图7 玻璃粉试样纳米压痕弹性模量(E)分析[63]Fig.7 Analysis of nanoindentation elastic modulus (E) of glass frit samples[63]

表6 其他矿物掺合料对混凝土徐变的影响Table 6 Effects of other mineral admixtures on creep of concrete

3 复掺矿物掺合料的影响

随着现代建筑行业的发展，在混凝土中使用单一的矿物掺合料逐渐不能满足要求，而复掺是材料研究工作的主要途径之一。将不同细度的矿物掺合料以适当的比例复合掺入混凝土中能够使胶凝材料级配更加合理，水化时多组分共同作用产生的超叠加效应能够使矿物掺合料在发挥各自优点的同时也可以克服单掺条件下存在的缺陷和负面效应。已有实验和工程应用表明，合理复掺矿物掺合料的综合评价优于单掺[64-65]，在改善徐变性能方面也有显著的效果。

仲新华等[66]在相似的试验中发现含粉煤灰和磨细矿渣双掺混凝土185 d的徐变下降了67%。谢友均等[67]研究了粉煤灰和磨细矿渣按质量比3 ∶1混合制成复合超细粉煤灰对混凝土徐变的抑制效果，发现其混凝土干燥徐变显著降低，并且徐变稳定期有所提前。黄海生等[28]研究发现粉煤灰和磨细矿渣(质量比为1 ∶1)混合对再生混凝土徐变的抑制效果比单掺粉煤灰的效果更佳，并且认为再生混凝土中粉煤灰和磨细矿渣混合的最佳掺量为40%，其360 d的徐变降低了23.8%。胡红梅等[68]在相似的自密实混凝土研究中发现含20%粉煤灰和20%磨细矿渣试样90 d的徐变降低了69%。表7为粉煤灰和磨细矿渣双掺对混凝土徐变影响的汇总表。

表7 复掺粉煤灰和磨细矿渣对混凝土徐变的影响Table 7 Effect of compound fly ash and ground slag on creep of concrete

由上述可知，双掺粉煤灰和磨细矿渣对混凝土徐变具有更加显著的抑制作用[12-22,42,66-69]，可以认为在徐变问题上存在双掺优势。这是因为粉煤灰和磨细矿渣适量复掺在性能和结构上存在可互补性，使胶凝材料具有“超叠效应”。结构上，磨细矿渣的粗孔被粉煤灰微珠填充，进一步优化胶凝材料的颗粒级配，发挥了微集料效应，提高了混凝土密实度，对徐变产生更好的抑制效果；性能上，磨细矿渣弥补了粉煤灰前期水化速度较慢使混凝土强度较低的缺陷，两者同时水化产生叠加效果，使混凝土毛细孔孔隙率大幅度降低[67]，界面过渡区得到明显改善[70]，改善了微观结构，从而减小了混凝土徐变。

然而，两者不同的掺量产生的效果存在一定差异。Lee等[41]研究发现含15%粉煤灰和35%磨细矿渣混凝土长期的徐变高于普通混凝土。阎培渝等[71]发现在同一混凝土强度等级中，含25%粉煤灰和10%磨细矿渣自密实混凝土的徐变大于普通泵送混凝土。这表明粉煤灰和磨细矿渣的“超叠效应”仅在两者掺量合适的范围内才能够被有效激发。

Harinadha等[20]研究了不同类型混凝土的徐变，发现双掺10%硅灰和20%粉煤灰的自密实混凝土徐变低于单掺粉煤灰的混凝土，其原因在于复合掺合料使混凝土的微观结构更密实，导致其徐变发展缓慢。Li等[46]发现双掺硅灰和磨细矿渣的混凝土徐变低于单掺混凝土试样。Adamu等[62]研究表明，双掺1%纳米二氧化硅和38%粉煤灰后，混凝土365 d龄期时徐变下降了23.32%，其抑制效果归因于纳米二氧化硅的高火山灰反应提升了混凝土的抗压强度、弹性模量及刚度。硅灰和其他矿物掺合料双掺的作用机理主要在于两种掺合料均能够填充对混凝土结构有害的小孔和空隙，且硅灰可以促进水泥的水化，增加水泥浆中水化产物和C-S-H的含量[36]，提高混凝土强度，从而提高其抗变形的能力。

闫小虎等[73]研究发现双掺15%石灰石粉(等质量取代水泥，下同)和15%磨细粉煤灰的混凝土徐变低于相同比例双掺石灰石粉和Ⅱ级粉煤灰混凝土，这可能和细度更高的粉煤灰对混凝土的密实度提升效果更好、强度提升更高相关。何山青等[74]研究发现双掺10%石灰石粉和10%偏高岭土(等质量取代水泥，下同)可以显著提高混凝土保水性，延缓内部水分渗出,从而降低混凝土徐变度，其180 d龄期时降低了混凝土45%的徐变，但随着其中石灰石粉掺量的增加保水性下降，其混凝土徐变也不断增大。石灰石粉和其他矿物掺合料双掺的作用机理主要在于石灰石粉对于混凝土内部水分的吸纳作用能够延缓水分渗出，从而减小混凝土徐变。

掺入混凝土中的矿物掺合料种类越多，试验时所需要考虑的因素也越多，其徐变性能变化机理也更加复杂，进而导致试验量大大增加，因此当前三掺及以上矿物掺合料对混凝土其他性能的影响研究已有很多，但对于混凝土徐变性能的研究和机理分析依然较少。Bjegovic等[75]研究了三掺12%～18%粉煤灰、18%～32%磨细矿渣和5%石灰石粉对混凝土耐久性的影响，结果表明就抑制徐变方面，三种掺合料的混合物优于单独使用每种矿物掺合料。樊俊江等[76]研究了三掺10%粉煤灰、10%磨细矿渣和5%硅灰的C100高强混凝土的徐变特性，发现混凝土的徐变系数大幅度降低。