低热水泥混凝土早龄期断裂性能发展特性研究

刘志洪 胡昱 邬昆 杨宁 谭尧升 高小峰

摘要：低热水泥混凝土在中国特高拱坝建设中已全面应用。为确定低热水泥混凝土早龄期断裂性能发展规律，设计10，20，40 ℃ 3种养护温度，3，7，14，28 d 4种龄期，开展了不同养护温度下低热水泥混凝土楔入劈拉断裂试验，并依据试验结果采用成熟度理论分析断裂参数与等效龄期间的关系。结果表明：在10～40 ℃范围内，相同龄期低热水泥混凝土的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能均随养护温度的增大而增大;基于成熟度理论的等效龄期计算公式和断裂参数-成熟度的对数函数形式均可较好地描述低热水泥混凝土早龄期断裂性能发展规律。研究成果可为大坝结构开裂风险分析与安全评定过程中可靠断裂参数的取值提供依据。

关 键 词：低热水泥; 混凝土; 断裂参数; 养护温度; 成熟度; 楔入劈拉断裂试验; 高拱坝

中图法分类号： TU528.44   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.027

0 引 言

低热水泥混凝土具有水化热低、综合抗裂性能好等特点[1]，可有效降低大体积混凝土温控防裂的难度，为中国无缝大坝的建设提供了可能。目前低热水泥混凝土已在乌东德和白鹤滩大坝得到了全面运用，为特高拱坝的建设与维护提供了相较于中热水泥混凝土更高的抗裂安全储备。然而，由于低热水泥混凝土早龄期的材料特性发展相对较慢，且易受养护温度的影响，可能存在一定的早龄期开裂风险，因此需特别关注其早龄期断裂性能的演化规律。

现有研究表明，混凝土早龄期材料特性与其温度历程密切相关[2]。近年来，国内外学者针对养护温度对混凝土强度性能的影响开展了大量研究[3-5]，而关于养护温度对混凝土断裂性能的影响研究则相对较少。Yu等[6]开展了养护温度为14，23，35 ℃的混凝土3点弯曲梁断裂试验，试验结果表明：相同龄期下，混凝土的断裂能随养护温度增大呈上涨趋势。李庆斌等[7]分别在夏季和冬季开展了中热水泥全级配混凝土楔入劈拉断裂试验，结果表明：相同龄期下，夏季浇筑混凝土的断裂参数大于冬季浇筑混凝土的断裂参数。李根[8]通过开展养护温度为5～30 ℃的碾压混凝土楔入劈拉试验发现，随着养护温度的增加，混凝土的起裂和失稳韧度均逐渐增大。黄煜镔等[9]开展了夏季高温养护条件和标准养护条件下的高强混凝土断裂试验，发现56 d后，标准养护的混凝土断裂能远大于夏季高温养护下的混凝土断裂能。米正祥[10]通过开展养护温度为5～60 ℃下的混凝土楔入劈拉试验发现，混凝土的断裂性能存在高温交叉效应，即较高的养护温度对应较小的极限断裂参数。以上研究表明：对于普通或中热水泥混凝土而言，在一定的温度范围内，混凝土断裂参数随养护温度的增大而增大，但对于不同的混凝土材料，温度对混凝土断裂性能的影响效应可能存在差异。因此，对于低热水泥混凝土，其不同养护温度条件下断裂性能的定性规律虽然可能与普通或中热混凝土一致，但其具体的定量关系仍需通过不同养护温度条件下的断裂性能试验确定。

为了定量分析养护温度和龄期对混凝土强度性能发展的综合影响，Nurse[11]和Saul[12]提出了成熟度的概念和相应的计算公式（本文称之为N-S成熟度公式）。基于上述研究，不同学者先后提出了多种改进的成熟度计算方法[13]。其中最著名的是Freiesleben等[14]基于Arrhenius理论提出的F-P等效龄期公式。它不但提高了混凝土强度预测精度，还为成熟度理论赋予了清晰的物理意义，因此成为目前应用较为广泛的成熟度模型之一。此外，中国DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》[15]亦给出了用于混凝土早龄期强度性能预测的等效龄期推荐公式，该公式与F-P等效龄期公式具有相似的表达形式，因此其本质是相同的。在成熟度理论的应用方面，管俊峰等[16]基于其提出的等效成熟度理论，建立了现场浇筑大坝混凝土断裂性能与等效成熟度的关系。米正祥[10]认为F-P等效龄期公式相较于N-S成熟度公式而言，对混凝土断裂参数的预测精度更高。李根[8]认为管俊峰等提出的等效成熟度公式能更好地反应碾压混凝土断裂参数随养护温度和龄期的变化规律。綜上所述，有必要在开展不同养护温度对低热水泥混凝土断裂性能影响试验的基础之上，采用合适的成熟度方法，建立任意养护温度和龄期条件下低热水泥混凝土的断裂性能发展曲线，进一步明确F-P等效龄期公式和N-S成熟度公式在混凝土断裂性能预测方面应用的适用性。

本文设计10，20，40 ℃共3种养护温度，3，7，14，28 d 4种龄期，开展不同养护温度下低热水泥混凝土楔入劈拉断裂试验。依据试验结果，采用成熟度理论分析断裂参数与等效龄期间的关系。研究成果可为大坝结构施工期开裂风险分析与安全评定提供必要材料参数。

1 试验方案

1.1 原材料及配合比

本次试验采用骨料最大粒径为20 mm的一级配混凝土，配合比如表1所列。混凝土水胶比为0.5，粉煤灰掺量为35%，与乌东德大坝混凝土一致。经测定，标准养护条件下该一级配混凝土强度性能的发展曲线，与施工现场设计强度为C18035的全级配混凝土经湿筛后得到的二级配混凝土强度性能发展曲线较为接近。本次试验所用混凝土原材料均取自乌东德大坝工程施工现场。其中水泥为P·LH 42.5嘉华低热硅酸盐水泥，粉煤灰为卓圣F类I级，粗骨料与人工砂均为石灰岩，减水剂为SBTJM-Ⅱ缓凝Ⅱ型高效减水剂，引气剂为GYQ-I混凝土高效引气剂。本次试验所有试件的养护相对湿度均设定为98%，从而消除养护湿度对混凝土断裂性能的影响。

1.2 试件制作与养护

本次试验的试件形式采用楔入劈拉试件，试件总高度为330 mm，有效高度和厚度分别为300 mm和120 mm。试件初始缝高比统一为0.4，即初始裂缝长度为120 mm，韧带高度为180 mm。为保证试件的成型质量，楔入劈拉试件全部采用钢模具浇筑。模板顶部预留有凹槽，并在凹槽处固定一根50 mm×30 mm的方管。试件的预制裂缝通过内嵌钢板生成，钢板厚度统一为3 mm，底端磨成刀口型，用于生成预制裂缝尖端。

所有试件在浇筑完成后连同模具放入设定好温湿度的环境箱中进行养护，48 h后取出拆模。拆模完毕后将试件放回原环境箱继续养护，直至达到试验龄期后取出、晾干后开展试验。

1.3 试验方法

混凝土楔入劈拉试验采用济南试金试验机厂生产的WDW-10微机控制电子式万能试验机加载，加载速率设定为0.05 mm/min。在试件预制缝左右两侧10 mm处分别对称布置两片应变片测定起裂荷载。裂缝口张开位移CMOD采用YYJ-4型电子夹式引伸仪测量，量程为4 mm，标距10 mm。试验数据采集使用DH3818Y东华动态应变采集箱，采集频率为5 Hz。试件底部支承形式采用双线支承，即将支座放置于试件底部四分点处，从而消除试件自重对试验结果的影响。启动试验机，在加载架、传力装置及试件即将接触时，开启数据采集系统并采集零点，直到试件破坏，停止加载和数据采集，整个过程大约持续20～90 min。试验加载装置如图1所示。

图3～5分别为不同养护温度下混凝土起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能随龄期的变化规律。可以看出：混凝土起裂韧度、失稳韧度和断裂能均随龄期的增大而逐渐增大。40 ℃养护条件下的混凝土断裂性能表现为14 d龄期内快速增长，14 d龄期后增长缓慢，其主要原因为较高的养护温度加快了早龄期水泥的水化速率，从而促进混凝土断裂性能的快速增长。然而随着龄期的继续增加，40 ℃养护混凝土中的水化反应已经接近完成，因此后期混凝土断裂性能的增长较为有限。另一方面，相同龄期、不同养护温度条件下混凝土的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能均随养护温度的增大而增大。以起裂断裂韧度为例，养护温度为10 ℃时不同龄期混凝土的起裂断裂韧度相较于20 ℃时分别减小9.6%（3 d），24.4%（7 d），22.9%（14 d），35.0%（28 d），40 ℃时相较于20 ℃增大18.5%（3 d），22.0%（7 d），31.3%（14 d），3.3%（28 d）。

2.3 成熟度理论分析

为定量分析环境因素对混凝土力学性能的影响，国内外学者开展了大量研究，并提出了多种成熟度计算公式以及强度与成熟度的关系方程。现有成熟度计算公式中较为著名的有N-S成熟度公式和F-P等效龄期模型，强度与成熟度的关系方程则主要有指数[18]、对数[19]和双曲线[20]3种形式。本文采用N-S成熟度公式和F-P等效龄期模型，分别计算了各养护温度工况下混凝土的等效龄期，并采用指数、对数和双曲线函数形式分别拟合了混凝土断裂性能与等效龄期的关系。经对比分析发现，3种函数形式中对数形式对于早龄期低热水泥混凝土断裂性能和等效龄期的关系拟合效果最佳。为简化分析流程，本文仅展示对数形式拟合结果。

2.3.2 成熟度计算结果与分析

将混凝土的养护温度和龄期代入式（9） 和式（10） 可分别计算得到N-S和F-P等效龄期，计算结果列于表5。

图6～11分别给出了混凝土起裂韧度、失稳韧度和断裂能与F-P和N-S等效龄期的拟合关系曲线。由图可知，N-S成熟度公式和F-P等效龄期模型均能较好地反映混凝土斷裂参数与等效龄期间关系。对于本文试验结果，基于F-P等效龄期模型的断裂参数与等效龄期的对数拟合形式精度更高。

3 结 论

本文通过开展不同养护温度和龄期条件下低热水泥混凝土楔入劈拉断裂试验，定量分析了养护温度对混凝土断裂参数的影响，并利用成熟度理论建立了早龄期低热水泥混凝土断裂参数与等效龄期之间的关系，得到如下主要结论。

（1） 低热水泥混凝土断裂性能随龄期的增大而增大，40 ℃养护利于14 d龄期内混凝土断裂性能的快速增长，但后期断裂性能增长较为有限。

（2） 在10～40 ℃范围内，相同龄期低热水泥混凝土断裂性能随养护温度的增大而增大。

（3） 由Freiesleben和Pedersen提出的等效龄期计算公式和断裂参数-成熟度的对数函数形式均能较好地描述低热水泥混凝土早龄期断裂性能发展特性。研究成果可为大坝结构开裂风险分析与安全评定过程中可靠断裂参数的取值提供依据。

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（編辑：胡旭东）