养护环境对混凝土限制收缩开裂影响研究

2022-06-30王志华佟继有张海丽吴岗权曹尊毅

水资源与水工程学报 2022年3期

张雷，王志华，佟继有，张海丽，吴岗权，曹尊毅

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；2.河南省水电工程磨蚀测试与防护工程技术研究中心，河南郑州 450003；3.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098；4.兴安盟河海供水有限公司，内蒙古乌兰浩特 137400；5.河南智河工程技术有限公司，河南郑州 450003)

1 研究背景

收缩开裂一直是混凝土工程面临的一大难题，裂缝的存在降低了混凝土的抗渗性能，缩短了混凝土建筑物的使用寿命[1-2]。混凝土收缩开裂主要与原材料、养护环境以及约束有关[3]。目前，对于混凝土抗裂性的研究主要集中在原材料方面(水灰比、添加剂、配合比等)，对于养护环境和约束方面的研究较少。

我国西部高原地区恶劣的环境，如大温差、低湿度、低气压等，大幅降低了混凝土的力学性能、抗开裂性能以及抗渗性能[4]，增大了混凝土开裂的风险，导致西部地区混凝土工程的破坏程度远大于东部[5]。有研究发现[6]，在变温环境下混凝土的抗裂性将会大大降低，且正负变温对混凝土抗裂性的影响要大于正温变温；高温和低湿也会降低混凝土的抗裂性能[7-8]。从材料角度分析，西部地区极端环境会影响混凝土的水化反应，降低混凝土的强度[9-10]，导致混凝土抵抗外部荷载能力减弱；从结构角度分析，不合理的养护温度或养护湿度会造成混凝土出现温度应力或湿度应力，应力的不均匀分布可能会使混凝土的约束应力超过自身强度，导致混凝土结构发生破坏。

此外，混凝土在收缩变形的过程中不同程度地会受到约束，如内部骨料、相邻结构等，并不存在完全的自由收缩。有研究表明[11]，约束才是混凝土开裂的首要因素。相同收缩量下，约束程度越大，则混凝土的约束应力越大，开裂风险便越高。马丽娜[12]通过平板法研究混凝土在不同约束度下的抗裂性，发现四侧受约束的混凝土开裂风险要大于两侧受约束的混凝土。文献[13]、[14]通过数值模拟发现混凝土所受约束越大，则混凝土越容易开裂。所以，在研究混凝土抗裂性能时，应考虑约束带来的影响，才能更加符合实际情况。

本文以两河口水电站为依托，研究不同温度、湿度与早龄期受限混凝收缩变形之间的关系，为解决高原极端环境下的早龄期混凝土收缩开裂问题提供理论参考，为恶劣环境下混凝土的施工养护提供技术支撑，对保障混凝土工程在极端环境下的高质量施工，以及严峻环境下的安全高效运行有着重要意义。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验采用的水泥为诸城市阳春水泥有限公司生产的普通硅酸盐P·O 52.5水泥，烧失量为1.16%，其物理力学性能参数见表1；粉煤灰为河南铂润铸造材料有限公司生产的超细特级灰，其化学成分表见表2；粗集料为粒径5～13 mm的碎石；细集料为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂，细度模数为2.43，其级配详见表3；减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸减水剂；水为自来水。

表1 试验用水泥的力学性能

表2 试验用粉煤灰的化学成分

表3 试验用细集料的级配

2.2 配合比

试验混凝土配合比见表4，混凝土强度为C50。

表4 试验混凝土配合比 kg/m3

2.3 试验方案

2.3.1 力学性能试验混凝土的抗压强度试验根据《混凝土物理力学性能试验方法》(GB/T 50081—2019)进行。

将拌制的混凝土放在尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的模具里，每组制作3个试块，在室温下成型后移至不同的养护环境，不同试块组次的养护环境设置见表5。分别在1、3、7、14、28 d养护龄期进行抗压强度测定。

表5 各组试块养护环境

混凝土弹性模量试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行。试验中共制作3个尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的试块，待混凝土成型后移至相应的养护环境。分别在1、3、7、14、28 d养护龄期测试计算混凝土试块的动态弹性模量。混凝土动态弹性模量Ed的计算公式如下：

Ed=13.244×10-4W·L3·f2/a4

(1)

式中：Ed为混凝土动态弹性模量，GPa；W为试件的质量，kg；L为试件的长度，mm；f为测量频率，Hz；a为试件正方形截面的边长，mm。

2.3.2 圆环限制收缩试验混凝土限制收缩试验根据ASTM C1581M-18规范进行，试验装置如图1(a)所示。内钢环的内半径rsi=152.5 mm，外半径rse=165.0 mm，环厚hs=12.5 mm；混凝土环的内半径rci=165.0 mm，外径rce=202.5 mm，厚度hc=37.5 mm；外环由两个半钢环组成；试件高度H=150 mm。

混凝土浇筑前在内钢环中间高度位置粘贴4个应变片，应变片布置互成90°。圆环在室温环境中成型，脱模后，在上、下表面各覆一层铝箔，保证水分仅从混凝土圆环侧面散失，混凝土圆环试件如图1(b)所示。将圆环试件放置于养护环境中，用应变采集设备检测钢环的应变。应变采集设备由东华测试技术股份有限公司生产，主要由应变采集仪、信号传输线、信号处理软件组成。

图1 混凝土圆环限制收缩试验装置及试件

2.3.3 圆环试验原理混凝土收缩在径向会受到钢环的限制，在混凝土环与钢环之间产生内部压力p，钢环和混凝土环的相互作用如图2所示。

图2 混凝土环与钢环相互作用示意图

由于混凝土与内钢环两者之间构成的力学平衡比较复杂，为简化计算，根据文献[15]、[16]，做如下假设：(1)假设水分沿混凝土环侧面均匀散失，试验过程中假设钢环与混凝土环紧密接触，无相对移动；(2)钢环与混凝土环为各向同质的匀质体；(3)钢环与混凝土环变形同步发生。根据弹性力学理论，混凝土环向应力计算公式如下：

(2)

(3)

式中：σr为混凝土环任意一点的环向应力，Pa；rce、rci分别为混凝土环的外半径和内半径，mm；r为混凝土环上任意一点到混凝土环圆心的距离，mm；p为混凝土环与钢环之间的应力，Pa；Ec为混凝土的弹性模量，GPa；εθ为圆环试验实测的钢环应变；μ泊松比。

3 结果与分析

3.1 养护环境对混凝土抗压强度和弹性模量的影响

不同养护环境的各组次混凝土试块在不同养护龄期的抗压强度实测值见表6和图3。

表6 不同养护环境的各组次混凝土试块不同龄期的抗压强度 MPa

由表6和图3可以看出，混凝土早龄期抗压强度的增长主要集中于前14 d，其14 d龄期的抗压强度达到了28 d龄期的94%～95%；混凝土抗压强度随着养护温度的升高和养护湿度的增大而提高；随着龄期的增长，不同养护温度下混凝土的抗压强度差值越来越大，但养护温度相同时湿度的提高对混凝土抗压强度的提高作用并不明显。原因是温度和湿度越高，混凝土的水化作用越强，混凝土结构更加密实，从而使混凝土的强度越来越大，但在40 ℃养护温度下，混凝土的抗压强度发展几乎达到该养护龄期的最大值，所以随龄期增长，湿度对混凝土抗压强度的增长作用不如温度作用明显。

根据抗压强度实测值，对其与养护龄期(t)的关系进行拟合，各组次拟合公式见表7，拟合曲线见图3。结果表明，各组次拟合系数在0.985 3～0.989 9之间，拟合效果良好。

图3 不同养护环境的各组次混凝土试块抗压强度随养护龄期的变化曲线

表7 混凝土试块抗压强度-养护龄期关系拟合公式

不同养护环境的各组次混凝土试块在不同养护龄期的动态弹性模量实测值见表8和图4。

由表8和图4可以看出，混凝土动态弹性模量的变化规律与抗压强度相似，随着龄期的增长而增大，且主要集中在前14 d。其14 d龄期的的弹性模量达到了28 d龄期的99%。随着养护温度的升高和养护湿度的增大，混凝土的弹性模量逐渐增大，但龄期超过14 d后的弹性模量增长较缓慢，相比于1 d龄期，28 d龄期的弹性模量仅增大了7.9%。

表8 不同养护环境的各组次混凝土试块不同龄期的动态弹性模量 GPa

根据弹性模量实测值，对其与养护龄期(t)的关系进行拟合，各组次拟合公式见表9，拟合曲线见图4。结果表明，各组次拟合系数在0.9744～0.993 9之间，拟合效果良好。

图4 不同养护环境的各组次混凝土试块动态弹性模量随养护龄期的变化曲线

表9 混凝土试块弹性模量-养护龄期关系拟合公式

3.2 养护环境对混凝土限制收缩的影响

3.2.1 养护环境对混凝土应变的影响不同养护环境的各组次混凝土试块实测应变随养护龄期的变化曲线如图5所示。

由图5可以看出，养护温度越高，则混凝土应变速率越大(图5(a))；养护湿度越高，则混凝土应变速率越低(图5(b))。其主要原因是温度越高，一方面增加了混凝土的水化作用，提高了其自收缩性；另一方面，温度的升高，使混凝土的干燥收缩作用增强，在自收缩和干燥收缩共同的作用下，应变速率不断提高。湿度的增大，减小了混凝土的干燥收缩作用，并且还带有一定的湿胀作用，因此应变速率减小。从组次W1S1、W4S1、W4S2可以看出，温度升高导致的应变增大可以通过提高湿度来降低，从而降低混凝土的开裂风险。

图5 不同养护环境的各组次混凝土试块实测应变随养护龄期的变化曲线

由图5(b)还发现，不同养护湿度的混凝土应变均发生了突变，突变大小约为30～40 με，同时在试验中观察到混凝土已发生开裂，这与文献[17]、[18]中结果一致。混凝土试块开裂情况如图6所示，用裂缝观测仪观察到裂缝宽度约为0.06 mm。

图6 混凝土试块表面裂缝

通过拟合发现，混凝土应变与养护龄期呈现良好的指数关系，两者的拟合关系表达式为ε=a·exp(-t/b)+c。将a定义为混凝土应变速率，b为龄期影响系数，c为28 d龄期的最终应变。拟合曲线见图5，各组次拟合公式见表10。结果表明，各组次拟合系数在0.956 4～0.980 8之间，拟合效果良好。

表10 混凝土试块应变-养护龄期关系拟合公式

3.2.2 养护环境对混凝土环向应力的影响在混凝土开裂之前，混凝土与钢环共同作用，通过应力传递的原理，反映不同养护条件下的混凝土应力的变化情况。通过公式(2)、(3)可计算出混凝土的环向应力，其中混凝土应变取实测应变值，混凝土的泊松比取0.2，不同养护环境的各组次混凝土试块环向应力随养护龄期的变化曲线如图7所示。

由图7(a)可以看出，混凝土环向应力随着养护温度的升高而增大，主要是由于温度升高增强了混凝土的干燥收缩与自收缩性，导致其内部应力增大。养护温度从-5 ℃升高至10 ℃和从25 ℃升高至40 ℃时，混凝土环向应力增长速率均大于养护温度从10 ℃升高至25 ℃的增长速，造成这种现象的主要原因是：(1)当混凝土处于-5～10 ℃和25～40 ℃时，其干燥收缩作用随养护温度的升高而升高，并且混凝土的水化作用随着温度的升高而增强，导致混凝土自收缩增加，从而使单位时间混凝土内部温度升高变得更快，自干燥作用增强；(2)当混凝土处于10～25 ℃时，混凝土的干燥收缩、自收缩以及水化升温带来的自干燥随温度的变化较其他两个温度区间平缓。

由图7(b)可以看出，混凝土环向应力随养护湿度的增大而减小，主要是因为湿度的增大减弱了混凝土的干燥作用，并带来了一定的湿胀，从而降低了混凝土的收缩应变和内部应力。混凝土养护温度保持为40 ℃，当养护湿度为50%时，在第8 d发生开裂；当养护湿度为65%时，在15 d发生开裂；当养护湿度为80%时，在第25 d发生开裂。这说明湿度的增大能够提高混凝土的抗开裂性能。但是早龄期受限混凝土在养护时会出现高温情况，因而不能仅通过提高湿度来彻底防止其发生开裂，还需要采取其他措施，如降低环境温度等。

图7 不同养护环境的各组次混凝土试块环向应力随养护龄期的变化曲线

3.2.3 限制收缩开裂模型预测防止混凝土开裂一直是混凝土结构工程中的难点，早龄期混凝土开裂与养护环境、应变收缩速率、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、拉伸徐变、断裂性能等息息相关，众多因素的相互交织影响给早龄期混凝土开裂的预测造成了一定的难度。虽然现有混凝土收缩开裂模型已有很多，例如：Dong等[19]基于断裂力学，并通过引入虚拟温度场，提出了受限混凝土开裂预测模型；马丽娜[12]基于强度理论提出了两侧与四侧受约束混凝土的开裂预测模型，但是这些预测模型所涉及的徐变、断裂性能等参数不易获取。因此，有必要建立一种评估早龄期混凝土开裂的简便方法。本文通过养护温度和湿度、抗压强度、弹性模量、应变速率5个参数对早龄期受限混凝土的开裂时间进行预测。

根据养护环境对混凝土应变和应力的影响，得出开裂时间与养护湿度、抗压强度呈正比，与应变收缩速率、弹性模量以及养护温度的三次方成反比，所以早龄期混凝土开裂模型见函数式(4)、(5)：

(4)

(5)

式中：t为混凝土预测开裂时间，d；fc为混凝土28 d龄期的抗压强度，MPa；T为养护温度，℃；RH为养护湿度，%；Ec为混凝土28 d龄期的弹性模量，GPa；a为混凝土应变收缩速率，με/d；k1、t1、t2、t3为相应的系数。

经过计算，k1=50，t1=17.5，t2=7.5，t3=8，将相关系数代入函数式(4)、(5)，得出开裂时间的预测模型为：

(6)

不同参数值相应的预测开裂时间及实际开裂时间见表11。经过比较发现，预测开裂时间与实测开裂时间相近，预测结果良好。

表11 不同参数值的早龄期混凝土开裂时间及实际开裂时间

3.2.4 养护措施建议综合养护环境对混凝土应力、应变的影响，并结合文献[20]、[21]对早龄期混凝土的养护提出以下几点建议:

(1)应特别注意前15 d龄期的混凝土养护，养护温度应在20～25 ℃之间，养护湿度应在80%以上，使混凝土的力学性能能够较早地得以发展，以获得较高的抗裂能力。

(2)混凝土施工养护温度尽量控制在25 ℃左右，不宜超过25 ℃。在夏季温度较高的时段内最好不施工，否则应提高混凝土的养护湿度(如浇水养护)或者通过降温(如放冰块)来减小混凝土收缩应力；在冬季较低温度下施工时，为了获得较高的混凝土力学性能，可以加入抗冻剂降低混凝土内部自由水的冰点或者通过烧火提高环境温度。

(3)应尽可能提高混凝土的养护湿度，高湿度可以使早龄期混凝土更早地获得抗开裂能力。