粉煤灰掺量对高水胶比混凝土抗裂能力的影响

2021-07-14辛建达

水力发电 2021年4期

高鹏，胡筱，辛建达，汪娟

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引言

大体积混凝土由于胶凝材料的水化进程会产生可观的水化热[1]。随着混凝土温度的升高，混凝土压应力出现并在接近温峰时达到最大值；随后，混凝土压应力由于应力松弛和温度下降逐渐减小，并逐渐转为拉应力。由于混凝土后期弹模的增长和徐变的减弱，拉应力增幅明显，一旦混凝土拉应力超过同龄期混凝土抗拉强度，混凝土便会发生开裂。

为了降低大体积混凝土温度开裂的风险，科研人员采取了多种有效的方式[1]。降低早龄期混凝土温升就是一种有效的措施，目前多采用粉煤灰替代水泥的方式。粉煤灰由于自身的火山灰反应，延缓了混凝土浇筑后的水化温升速率，有效削弱混凝土的温升幅值。对于粉煤灰替代率达50%以上的混凝土，通常称为高掺量粉煤灰混凝土(HVFA)[2]。Zhang[2]研究了不同粉煤灰替代率混凝土的微观结构、裂缝扩展以及强度变化规律，分析了粉煤灰提高混凝土长期强度的机理；孙玉齐[3]研究了大坝用高掺量粉煤灰碾压混凝土的强度规律，发现当粉煤灰替代率为80%时，长期强度最好；周玲珠等[4]研究了粉煤灰替代率与混凝土抗压强度的关系，发现随着粉煤灰替代率的增加，混凝土7～56 d龄期抗压强度下降，粉煤灰替代率与抗压强度基本呈线性关系；Ji[5]研究了粉煤灰替代率对高强混凝土(基准组混凝土28 d龄期抗压强度为78 MPa)开裂风险的影响，发现当粉煤灰替代率为60%时，混凝土的抗裂能力最优。

通过查阅文献可以发现，目前高掺量粉煤灰主要应用于高强混凝土，其对高水胶比普通混凝土的性能，特别是抵抗温度开裂的影响尚无研究。虽然掺加粉煤灰可以降低混凝土温升，进而降低混凝土的约束应力，但水化进程的延缓也会同时降低混凝土强度的增速。混凝土的开裂是应力和抗力交织的结果，粉煤灰替代率对高水胶比混凝土开裂行为的“净”作用需要进一步分析。

本文的主要研究内容是考查不同粉煤灰替代率(0、20%、50%和80%)对高水胶比混凝土(本文混凝土材料的水胶比为0.45)材料参数和开裂风险的影响，采用混凝土温度应力试验机(Temperature stress testing machine)测量不同粉煤灰替代率混凝土的温度应力历程并评价混凝土开裂风险，为大体积混凝土工程合理利用粉煤灰提供科研数据。

1 试验项目

1.1 原材料

表1给出了混凝土的配合比。所有混凝土的水胶比(w/b)均为0.45。混凝土拌和采用普通硅酸盐水泥，矿物成分(以质量计)为58.4% C3S、21.3% C2S、8.5% C4AF和7.4% C3A。粉煤灰表观密度为2.34 g/cm3，化学成分(以质量计)为51.86% SiO2、25.98% Al2O3、8.02% Fe2O3、3.44% CaO、1.16% MgO、0.60% SO3、1.20% K2O、0.46% Na2O和1.25% R2O。细骨料和粗骨料最大粒径分别为4 mm和20 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 试验设备和步骤

1.2.1 材料参数测试

根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[6]的相关要求，测量3、7 d和28 d龄期混凝土的弹性模量、劈拉强度和抗压强度。

1.2.2 温度应力测试

混凝土温度应力试验机原理如图1所示。当位移传感器(LVDT)监测的混凝土试件因温变产生的变形到达设定阈值时，试验机的电机便会启动，对试件施加荷载将试件压/拉回原长，使试件处于近似100%约束状态，每次循环产生一个应力增量，随着循环次数的累加，混凝土的温度应力不断增长，当混凝土拉应力超过当时龄期抗拉强度时，混凝土发生开裂，监测的应力曲线的突降表示裂缝的产生。

图1 温度应力试验机原理示意[7]

温度应力试验步骤如下：

(1)采用试验机温度模板对试件进行温度控制，本文条件下，混凝土试件在前2 d龄期近似绝热；随后，混凝土开始缓慢温降，模拟大体积混凝土温降阶段的温度历程。

(2)设定混凝土的约束度，本文条件下，约束度取1.0，保证混凝土处于完全约束状态。

(3)试验机模板内部刷油，铺设一层塑料薄膜，保证试件处于密封状态，阻止水分蒸发，同时防止由于模板接触部分不够紧密发生漏浆。

(4)混凝土各原材料按比例拌和后，用温度计测量搅拌好的混凝土温度，保证各试件具有相同的入模温度，本文条件下，入模温度统一取20 ℃。

(5)将拌和好的混凝土浇入模板内部，分两层浇筑，采用振捣棒振捣密实，抹平试件表面，覆盖薄膜；将空心铜管埋于试件中点处，插入温度传感器。

(6)终凝前，将位移传感器固定于试件中部，所有传感器数据清零，启动电机开始试验，直至试件破坏。

典型的混凝土温度应力变化历程如图2所示。

图2 典型混凝土温度应力试件变形和累积应力历程曲线

2 试验结果及讨论

2.1 材料参数

表2给出了不同配合比混凝土的弹性模量、劈拉强度和抗压强度。从表2可以看出，随着粉煤灰替代率的增加，混凝土的力学性能逐渐减弱，变形性能逐渐增强。例如，FA0、FA20、FA50和FA80在28 d龄期时的抗压强度分别为43.8、33.3、21.0 MPa和10.9 MPa，随着粉煤灰替代率由0提高至20%、50%、80%，混凝土28 d龄期抗压强度分别下降了24%、52.1%、75.1%。上述现象产生的原因是混凝土内部较弱的氢氧化钙环境，使得粉煤灰的火山灰反应导致C-S-H凝胶推迟产生[8]。

表2 混凝土弹性模量、劈拉强度和抗压强度

混凝土相对弹性模量、劈拉强度和抗压强度的变化曲线如图3～5所示。随着粉煤灰替代率的增加，混凝土性能前期增速放缓，后期增速提高。以弹性模量发展为例，由图3可以看出，FA0、FA20、FA50和FA80在7 d龄期的弹性模量分别达到了28 d龄期弹性模量的77%、73%、65.8%和50%。

图3 混凝土相对弹性模量历程曲线

图4 混凝土相对抗压强度历程曲线

图5 混凝土相对劈拉强度历程曲线

2.2 温度应力

采用混凝土温度应力试验机获取的混凝土温度应力发展历程曲线如图6所示。

图6 混凝土温度应力历程曲线

温度方面，混凝土的温升ΔT采用式(1)计算

ΔT=Tmax-T0

(1)

式中，Tmax为混凝土的最高温度；T0为混凝土的浇筑温度。

FA0、FA20、FA50、FA80混凝土的温升分别为31.4、22.9、14.7、8.6°C。随着粉煤灰替代率由0提高至20%、50%和80%，混凝土的温升分别降低了7.1%、53.6%和72.6%。与预期一致，粉煤灰替代率的提高降低了混凝土早期水化热，有效削弱了早期温升。

应力方面，随着混凝土温度的逐渐升高，混凝土压应力随之增大，FA0、FA20、FA50、FA80的最大压应力分别为-2.05、-1.31、-0.57、-0.11 MPa；随着粉煤灰替代率的增加，最大压应力分别降低了36.1%、72.2%、94.6%；温峰过后，混凝土压应力随着温度的下降和松弛作用逐渐减小，并在第二零应力点时刻[9]完全消散，随后开始产生拉应力，应力曲线的突降标志混凝土发生了开裂，应力释放。FA0、FA20、FA50、FA80开裂时刻的应力分别为1.78、1.63、0.95、0.33 MPa，混凝土开裂时刻的应力与标准养护件获取的劈拉强度的比值分别为0.62、0.75、0.74、0.64，平均值为0.69。

2.3 开裂风险

对于由温度作用导致的混凝土开裂，通常采用开裂时刻的温度(Tc)评价开裂风险[9]。一般而言，开裂时刻的温度越低，混凝土开裂风险越小。图7给出了FA0、FA20、FA50、FA80的开裂温度和粉煤灰替代率的关系。从图7可以看出，FA0、FA20、FA50、FA80的开裂温度分别为36.9、30.6、21.8、21.6 ℃。随着粉煤灰替代率的增加，混凝土的温度开裂风险逐渐减小，但当粉煤灰替代率增到80%时，温度开裂风险较FA50没有明显改观。

图7 混凝土开裂温度与粉煤灰替代率关系曲线

混凝土的开裂与约束应力和抗力的幅值密切相关。尽管FA80的最高温度最低，但FA80的抗拉强度降低更为明显(见表2)，使得最高温度下降带来的约束应力下降的优势无法充分体现。因此，从防止温度开裂的角度，对于高水胶比混凝土，粉煤灰替代率在50%是合理的，这一结果与Ji[5]对高强混凝土的研究结果接近(高强混凝土的粉煤灰最优替代率为60%)。

图8给出了混凝土第二零应力点温度与最高温度的比值关系。从图8可以看出，该比值维持在88%～93%，并随粉煤灰替代率的增加轻微增长。该值也与Schindler等人[10]的研究成果(92%～94%)接近。混凝土的约束应力受温度历程、弹模以及徐变等多种因素共同作用，当监测的混凝土温度低于第二零应力点温度后，混凝土开始产生拉应力，工程技术人员可根据该系数并结合现场实测温度，简单评估混凝土的应力状态。