一年龄期内超高泵送SCC力学性能时变研究

2022-12-16陈宗平唐际宇陈宇良

西南交通大学学报 2022年6期

周济，陈宗平,2，唐际宇,3，陈宇良

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004；2.南宁学院土木与建筑工程学院，广西南宁 530200；3.中建八局广西分公司，广西南宁 530004；4.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006）

自密实混凝土（self-compacting concrete，SCC）作为一种高流动性能混凝土，在浇筑过程中无需振捣，依靠混凝土自身重力就可将支护模具填满，防止混凝土由于振捣引起的离析和泌水[1]，这是近几十年来混凝土材料最具有革命性的发展[2].随着建筑高度的不断攀升以及现代施工的不断需求，混凝土泵送技术应运而生，为高层建筑的高效快速施工提供了保障[3].据世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）统计，目前，全球范围内在建及已建成超400 m的高层建筑为54座，已设计尚未施工的达到了59座且数量仍在不断增加，工程材料与施工技术的共同革新为建筑行业的发展提供了不竭的动力.一方面，超高层建筑泵送SCC解决了高层建筑因配筋复杂且配筋量大导致的工程施工时振捣困难、施工质量难以保证等问题；另一方面，泵送可连续不断地供应混凝土拌合物，提高施工效率，缩短施工时间[4].

SCC因其工作性要求具有较低的水胶比及较高的浆体含量，因此，硬化后SCC的性能与普通混凝土表现出明显差异.对于SCC的抗压强度、弹性模量和收缩徐变性能，文献[5]的研究结果表明：随着SCC浆体含量的增多，其抗压强度、弹性模量以及抗裂阻力均有所增长，混凝土的收缩变形量也随之增大，且混凝土脆性增大，开裂龄期提前.Zhao等[6]针对SCC的断裂力学性能进行了试验研究，结果表明：SCC的断裂韧度明显小于振捣混凝土的.近年来，一些学者[7-8]针对再生骨料SCC力学性能的研究结果表明，再生骨料的含量限制在50%内可以配制具有良好性能的再生骨料SCC.此外，由于SCC作为一种高性能混凝土，往往会加入多种掺合料，导致其拥有比普通混凝土更加优良的抗渗性能[9].为了满足泵送要求，混凝土往往要具备易于流动、均质性、不离析、不泌水、阻力小[10]的特点.泵送SCC亦是如此，这些特征使得泵送SCC在原材料以及配合比设计上与普通混凝土存在明显差异，而且超高层建筑泵送SCC在泵送过程中性能的变化也将对其未来的工作性能产生一定程度的影响.

综上所述，超高层建筑泵送SCC在工作性能、力学性能以及耐久性能方面均与普通混凝土存在较大差别.由于混凝土的性能直接影响到工程质量及后期服役状态，因此，有必要开展关于超高层建筑泵送SCC短期内力学性能时变规律的研究，特别是施工期内的性能变化规律，揭示其内在本质将会为超高层建筑的施工阶段力学分析理论的建立提供重要支撑和基础数据，具有十分重要的研究意义.对于泵送高度超400 m的短龄期泵送自密实混凝土的力学性能时变规律研究目前尚属空白.鉴于此，本文依托中建某局某超高层写字楼项目（403 m），采用泵送高度超400 m的工程实用SCC制作了96个圆柱体件和24个立方体试件，在短龄期下进行了轴心抗压、弹性模量以及劈裂抗拉试验，研究了不同强度等级超高层建筑泵送SCC各力学性能指标随龄期增长的变化规律，并提出了相应的计算公式，为该类超高层建筑施工阶段的安全评估以及长期监测提供参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

试验采用工程同期实用超高泵送高性能SCC，设计强度为C30和C60，其中，胶凝材料为海螺牌P•O42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料为优质天然碎石（C30混凝土粒径为5 ～ 25 mm，C60混凝土粒径为5 ～ 20 mm），细骨料为优质河砂和碎石机制砂，掺合料包括矿粉、粉煤灰和硅灰，外加剂选用聚羧酸（PCA），拌合用水采用城市自来水.该批次混凝土施工现场实测坍落度为270 mm，扩展度大于550 mm，混凝土具体配合详见表1.

表1 泵送SCC配合比Tab.1 Mix proportion of the pumped SCC

1.2 试件设计与制作

为达到揭示超高层建筑泵送SCC力学性能随时间推移变化规律的目的，本研究以混凝土龄期为主要试验参数，对该类型混凝土一年龄期内（包括3、7、14、28、60、90、180、360 d）的基本力学性能进行了系列试验测试.由于本研究所使用的SCC为工程实用混凝土，根据工程浇筑实况，所有试件分两批制作完成.其中，第一批试件采用强度等级为C30的高性能SCC，制作了48个圆柱体试件（150 mm ×300 mm），第二批试件采用强度等级为C60的高性能SCC，制作了48个圆柱体试件（150 mm × 300 mm）以及24个立方体试件（150 mm × 150 mm × 150 mm），所有试件在施工现场同批次免振制作完成.浇筑完成放置24 h后进行脱模，脱模后试件采用与工程实际一样的养护方式（露天养护），到达设定的龄期后搬入试验室进行加载.

1.3 试验方法

考虑到国内外采用不同的标准对混凝土力学性能进行测定，为了消除差异，本研究参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]附录中的相关规定对设计试件进行基本力学性能测试，采用尺寸为150 mm ×300 mm的圆柱体试件进行混凝土轴心抗压试验和弹性模量试验，采用尺寸为150 mm × 150 mm ×150 mm的立方体试件进行混凝土劈裂抗拉试验，每组试验试件数量均为3个.试验采用中科院与SIMENS公司联合生产的RMT-301进行加载，为获取混凝土试件的轴压荷载-位移曲线，对混凝土进行轴心抗压试验时采用位移控制的加载制度，加载速率为0.01 mm/s；混凝土弹性模量试验和劈裂抗拉试验采用力控制加载制度，加载速率分别为0.50 MPa/s和0.05 MPa/s，详细规定见文献[11].

2 试验结果及分析

2.1 轴压应力-应变曲线

依据圆柱体轴压试验获取的荷载-位移曲线数据，采用式（1）、（2）转化为应力-应变曲线，各龄期（T）超高层建筑泵送SCC的轴压应力-应变曲线如图1所示.

图1 轴压试件应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of specimens under axial compression

式中：σ、ε分别为应力和应变；F为压荷载；A为试件截面面积；ΔL和L分别为轴压位移和试件高度.

由于本文混凝土强度等级定义依据的是立方体试件的相关规定，而图1中呈现的是圆柱体试件实测的应力-应变曲线，按照公式fc1= 0.8fcu转换后的立方体抗压强度值见表2.表中：fcu、fc1、Ec和ft分别为混凝土立方体轴心抗压强度、圆柱体轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度.

表2 各试件力学性能指标Tab.2 Mechanical property indexes of each specimen

混凝土的实测强度均达到了设计强度，且C30试件的强度远远超过了设计值.图1中的应力-应变曲线是将每组3个试件的数据取平均值后绘制的代表曲线，由图可见：随着龄期的增长，超高层建筑泵送SCC的峰值应力逐渐增大，由于本研究设计的是圆柱体试件，破坏时相较于棱柱体试件表面应变分布更为均匀，且本研究使用的是高性能混凝土，因此，超高层建筑泵送SCC的峰值应变值明显大于0.002，这一点与已有相关研究结论相同[12].此外，试件轴压应力-应变曲线上升段的斜率随龄期的增长逐渐增大，表明混凝土的轴压刚度逐渐增大.而曲线的下降段随着龄期的增长呈现出更加陡峭的下降趋势，表明混凝土的脆性随着龄期的增长而变大.强度等级较高试件的曲线形态表现更为明显且龄期更加靠前.

2.2 轴心抗压强度

结合表2中的数据，绘制超高层建筑泵送SCC轴心抗压强度随龄期的变化趋势如图2（a）所示.

国内外相关研究文献中均提出了混凝土抗压强度随龄期增长的计算公式，其中，朱伯芳[13]提出的混凝土轴心抗压强度计算式为

式中：fcu,28为28 d龄期混凝土抗压强度；λ为与水泥品种有关的系数，对于普通硅酸盐水泥，λ= 0.172 7.

Taerwe[14]提出的混凝土轴心抗压强度计算式为

式中：s的取值与混凝土的种类有关，对于32.5R级普通硅酸盐水泥，s= 0.25，对于42.5R级普通硅酸盐水泥，s= 0.20.

利用式（3）、（4）算得的超高层建筑送SCC轴压强度结果与实测结果的对比如图2（b）所示.

由图2（a）可见：随着龄期的增长，混凝土轴压强度的增大趋势逐渐降低.通过分析可知，超高层建筑泵送SCC的早期强度发展较快，14 d时的强度已能达到28 d强度的80%左右甚至更高，这为超高层建筑的快速施工提供了保证.同时，超高层建筑泵送SCC在360 d时的强度约为28 d强度的1.2倍，后期强度也表现出良好的发展趋势，这些优良的性能均得益于混凝土中多种掺合料的引入.此外，各组试件轴压强度的误差分析表明混凝土的轴压强度指标较为稳定.

图2 轴心抗压强度随龄期的变化Fig.2 Variations of axial compressive strength with age

由图2（b）可见：当T> 28 d时，式（3）的计算结果普遍大于实测结果，且强度等级越高、龄期越长的试件两种结果差异越明显；式（4）的计算结果则可以较好地反映超高层建筑泵送SCC短龄期的强度变化，但当T≤ 28 d时，计算结果大于实测结果，在两种强度等级下均较为明显，不能很好地反映短龄期内超高层建筑泵送SCC的强度变化规律.因此，上述两种计算方式均存在一定的不适用性，这是由于加入的多种掺和料对超高层建筑泵送SCC的各龄期轴压强度产生了影响.

为此，本文基于实测结果并结合已有公式进行拟合，相对轴压强度（各龄期下强度与28 d强度的比值）随龄期变化规律的拟合结果与实测结果对比情况如图3所示，得到超高层建筑泵送SCC抗压强度平均值随龄期增长的计算式为

图3 相对轴压强度随龄期变化的拟合结果Fig.3 Fitting results of relative axial compression strength changing with age

由图3可见：拟合结果较好地反映了各龄期下超高层建筑泵送SCC相对轴压强度随龄期的变化规律，这表明式（5）具有良好的适用性；当T≤ 28 d时，轴压强度处于快速增长阶段；当28 d

2.3 静力弹性模量

弹性模量作为混凝土一个重要的力学性能指标，对评价混凝土结构、构件的变形能力有着重要意义，然而，混凝土的弹性模量随着水泥的水化作用也产生变化，静力受压弹性模量依我国试验规范中方法测得.

结合表2中的数据，绘制超高层建筑泵送SCC弹性模量随龄期的变化趋势如图4（a）所示.

国内外相关研究文献中均提出了混凝土弹性模量随龄期增长的计算公式，其中，朱伯芳[13]提出的混凝土弹性模量计算式为

式中：E0为混凝土的最终弹性模量，E0可以取1.05倍的360 d弹性模量值.

文献[14]中提出的混凝土弹性模量随龄期增长的计算式为

式中：Ec,28为28 d龄期混凝土的弹性模量.

运用式（6）、（7）算得的超高层建筑泵送SCC弹性模量结果与实测结果的对比如图4（b）所示.

图4 弹性模量随龄期的变化Fig.4 Variations of elastic modulus with age

由图4（a）可见：随着龄期的增长，混凝土弹性模量的增大趋势逐渐降低；当T≥ 90 d时，各强度等级下混凝土的弹性模量趋于稳定，变化幅度较小；超高层建筑泵送SCC龄期在14 d时的弹性模量已能达到28 d的80%以上，且强度等级越高，弹性模量随龄期增长越快；超高层建筑泵送SCC在360 d时的弹性模量较28 d时的增长在15%以内，因此，混凝土后期弹性模量发展较为稳定.此外，各组试件弹性模量的误差分析表明超高层建筑泵送SCC的压缩变形能力较为稳定.

由图4（b）可见：式（6）的计算结果普遍小于实测结果，且强度等级越高、龄期越短试件两种结果差异越明显，式（7）的计算结果可以较好地反映高强度等级超高层建筑泵送SCC弹性模量随龄期的变化，但对于低强度等级、短龄期试件弹性模量随龄期的变化规律则不适用.因此，上述两种计算方式均存在一定的局限性，不能准确地反映超高层建筑泵送SCC弹性模量随龄期增长的变化规律.

本文基于实测结果并结合已有公式进行拟合，相对弹性模量（各龄期下弹性模量与28 d弹性模量的比值）随龄期变化规律的拟合结果与实测结果对比情况如图5所示，得到超高层建筑泵送SCC弹性模量平均值随龄期增长的计算式为

图5 相对弹性模量随龄期变化的拟合结果Fig.5 Fitting results of relative elastic modulus changing with age

由图5可见，拟合结果较好地反映了各龄期下超高层建筑泵送SCC相对弹性模量随龄期的变化规律，这表明式（8）具有良好的适用性.

2.4 劈裂抗拉强度

结合表2中的数据绘制C60超高层建筑泵送SCC劈裂抗拉强度随龄期的变化趋势如图6（a）所示.本文基于实测结果进行回归分析，相对劈裂抗拉强度（各龄期下劈裂抗拉强度与28 d劈裂抗拉强度（ft,28）的比值）随龄期变化规律的拟合结果与实测结果对比情况如图6（b）所示，得到超高层建筑泵送SCC劈裂抗拉强度平均值随龄期增长的计算式为

由图6（a）可知：随着龄期的增长，混凝土的劈裂抗拉强度逐渐增大；当T≤ 28 d时，混凝土的劈裂抗拉强度增幅较小，而28 d

由图6（b）可知：拟合结果较好地反映了各龄期下超高层建筑泵送SCC相对劈裂抗拉强度随龄期的变化规律，这表明式（9）具有良好的适用性.

图6 C60劈裂抗拉强度随龄期的变化Fig.6 Variations of splitting tensile strength with age

2.5 轴压刚度及变形性能

本文分析了超高层建筑泵送SCC轴压刚度和变形性能随龄期增长的变化规律.轴压刚度表征了材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，取应力-应变（σ-ε）曲线上升段0.4σ点处的割线模量Es与试件截面面积A的乘积作为试件的轴压刚度（K=EsA），如表3所示.而应变变形能表征了材料吸收能量的能力，通常用材料丧失承载力前的应力-应变曲线下覆盖的面积来量度，以单位体积混凝土极限应力时单位强度所消耗的应变能作为比较参数[15]，即

式中：Γ为相对韧性；U为应变能（N•m）；σ0和V分别为试件的极限应力和体积；ε0.85为应力下降为极限应力的85%时对应的应变值.

由表3可知：随着龄期的增长，超高层建筑泵送SCC的轴压刚度基本上呈增大趋势，而相对韧性呈减小趋势，其中，90 d龄期强度等级C60试件试验过程中存在操作不当导致数据采集有误，但不影响总体规律；当T≤ 60 d时，超高层建筑泵送SCC的轴压刚度随龄期增幅显著且相对韧性下降也较显著；当60 d 60 d后超高层建筑泵送SCC的抵抗变形以及变形后的韧性都已趋于稳定.此外，强度等级为C60的超高层建筑泵送SCC的轴压刚度与相对韧性均明显大于强度等级为C60的，这说明随着强度的增大，超高层建筑泵送SCC的抵抗变形能力以及开裂后的韧性均提高.