基于成熟度理论掺氧化镁混凝土开裂敏感性的评价

秦哲焕，朱国军，刘杰胜，纪宪坤，刘拼

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430070；2.武汉轻工大学，湖北 武汉 430070）

0 引言

混凝土作为建筑行业中的重要材料，其裂缝控制是衡量工程质量的重要指标[1-2]。从材料本身的角度考虑，混凝土在约束状态下的收缩会使结构内部产生拉应力，当拉应力超过极限抗拉强度时，混凝土开裂[3-4]。混凝土裂缝控制的手段很多，掺入适量膨胀剂，利用其在水化过程中增大固相体积来补偿收缩，被认为是最经济有效的控制方法之一[5]。

目前，混凝土抗裂性能评价是众多学者的研究热点，常见的评价方法包括圆环法、平板法[6]，圆环法敏感性较差，只能处于恒温环境，平板法仅考虑早期塑性收缩和干燥收缩引起的开裂，2种方法均存在一定的局限性，并不能真实反映实际条件下的混凝土抗裂性能[7]。温度应力试验机（TSTM）综合考虑温度、约束、应力和应变多个因素的影响，是目前定量评价混凝土抗裂性能最准确的装置之一[8]。TSTM通过测得的14个性能参数，定量评价混凝土的抗裂性能，室温应力、开裂应力、应力储备是核心评价指标，开裂温度为综合评价指标，但采用不同的指标进行抗裂评价时，也会出现评价结果不同的情况。混凝土的抗裂评价应综合考虑温度和极限抗拉强度的发展[9]。

养护温度和龄期是混凝土强度增长的关键，成熟度理论综合考虑了两者的影响，已广泛应用于建筑行业中评价混凝土的实时强度[10-12]。本文通过配制不同掺量的氧化镁混凝土，基于成熟度理论分析标养环境下的劈裂抗拉强度以及TSTM中温度、应力的发展规律，以开裂敏感度（约束应力与极限抗拉强度的比值）评价混凝土的抗裂性能。

1 成熟度理论

1.1 成熟度计算

养护温度和龄期是混凝土强度发展的最主要原因，20世纪初，已有学者开始研究温度与龄期的综合效应，并定义混凝土成熟度为养护时间和等效养护温度的乘积[13]。Freiesleben和Pedersen[14]建立了等效龄期成熟度模型，等效龄期是指同一混凝土在变温养护下达到一定成熟度的水化时间等效为20℃标养条件下的时间，等效龄期被国际预应力协会列入了混凝土模式规范。等效龄期的公式图见式（1），经离散化近似处理后为式（2）：

式中：te——等效龄期，h；

T（t）——混凝土养护温度历程，℃；

Ti——i时刻对应的养护温度，℃；

△ti——时间间隔，h；

R——普适气体常数，R=8.315 J/（mol·K）；

Ea——水化反应的特征活化能，T≥20℃时，Ea（T）=33.5 kJ/mol；T＜20℃时，Ea（T）=33.5+1.47×（20-T）kJ/mol。

1.2 成熟度-强度关系

成熟度间接反应了混凝土的强度变化，但两者间并无理论化的公式图关系[15]，要得到变温环境下混凝土的强度数据，可通过标养环境下不同龄期的实测强度，拟合得到强度-龄期关系，结合式（2）换算变温历程下等效龄期，最后通过拟合公式图计算混凝土强度，拟合结果的可靠性以决定系数R2做定量判断，R2值在0～1之间变化，若R2接近1，表明拟合效果好；否则拟合效果差。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

水泥：华新水泥股份有限公司产，P·O42.5水泥，主要技术性能见表1；粉煤灰：武汉青山电厂产，Ⅱ级；矿粉：武新新型建材有限公司产，S95级；轻烧氧化镁：武汉三源特种建材有限责任公司产，主要技术性能见表2，胶凝材料的主要化学成分见表3；聚羧酸减水剂：武汉三源特种建材有限责任公司产，固含量13%，减水率20%；细骨料：河砂，细度模数2.71；粗骨料：5～25 mm连续级配花岗岩碎石；水：自来水。

表1 水泥的主要技术性能

表2 轻烧氧化镁的主要技术性能

表3 胶凝材料的主要化学成分 %

2.2 试验方法

参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土的3、7、28、60、90 d劈裂抗拉强度。采用北京某公司生产的TSTM测试混凝土的温度、应力发展历程，TSTM采用绝热模式，混凝土以（20±1）℃入模，达到温峰后维持温峰48 h，后以1℃/h降温至-15℃左右，若试件中途断裂则以降温终点为开裂温度。其中，TSTM约束试件的理论约束程度接近100%，为较好地匹配约束状态下的强度发展，劈裂抗拉强度试件采用带模养护至相应龄期。

2.3 试验配合比

以某实际工程中的C30混凝土配合比为基准，以内掺等质量取代粉煤灰的方式分别掺入4%、6%、8%轻烧氧化镁，试验配合比见表4。为保证混凝土的初始流动状态与成型温度接近，通过改变减水剂掺量控制混凝土出机坍落度为（180±20）mm，控制原材料的温度使混凝土成型温度为（20±1）℃。

表4 试验配合比 kg/m3

3 试验结果及分析

3.1 氧化镁对混凝土劈裂抗拉强度的影响（见表5）

表5 氧化镁对混凝土劈裂抗拉强度的影响

由表5可见，氧化镁掺量为4%或6%时，掺氧化镁混凝土各龄期的劈裂抗拉强度均高于基准组，且M-6组各龄期的劈裂抗拉强度均高于M-4组。这是因为氧化镁水化生成了氢氧化镁晶体，试件的带模养护使氢氧化镁晶体较好地填充于混凝土孔隙中，浆体结构的整体密实性提高，有利于强度的发展。当氧化镁掺量达到8%时，混凝土的3、7、28 d劈裂抗拉强度高于基准组，但60、90 d劈裂抗拉强度略低于基准组，这说明过高的氧化镁掺量不利于混凝土后期强度的发展。氧化镁掺量为6%时，混凝土的劈裂抗拉强度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉强度较基准组分别提高了13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。由此可见，劈裂抗拉强度的增幅随龄期的延长先增大后减小，这是因为28 d之前氧化镁的持续水化逐渐提高了混凝土结构密实性，但28 d以后，粉煤灰更多的基准组具有更高的火山灰效应，二次水化程度更高。

3.2 TSTM试验结果

TSTM约束试件的温度发展见图1，应力发展见图2。

图1 约束试件的温度发展

由图1可见，在升温阶段，M-0、M-4、M-6、M-8的最大温升分别为27.0、27.2、27.9、29.2℃，相比于M-0基准组，M-4、M-6、M-8的温升分别提高了0.2、0.9、2.2℃。这是因为氧化镁的早期活性比粉煤灰高，并且随着温度的升高，活性逐渐提高，采用氧化镁取代粉煤灰，增加了升温阶段胶凝材料的水化速率，因此温升值增大。在降温阶段，M-0、M-4、M-6、M-8的开裂温度分别为8.6、3.7、-3.0、-1.1℃，这说明掺入氧化镁可以降低混凝土的开裂温度。以开裂温度为评价指标，抗裂性能由高到低依次为：M-6＞M-8＞M-4＞M-0。掺6%氧化镁的混凝土开裂温度较基准组降低了11.6℃。

图2 约束试件的应力发展

由图2可见，在升温阶段，混凝土压应力的增长速率随氧化镁掺量的增加而提高，在保温阶段，各组的压应力达到最大值，M-0、M-4、M-6、M-8的最大压应力分别为0.68、1.00、1.47、1.60MPa。这是因为氧化镁水化增大了固相体积，在100%约束条件下，膨胀变形越大，压应力越大。降温阶段，试件压应力逐渐降低并转为拉应力，最终断裂。降至20℃室温时，M-0、M-4、M-6、M-8的约束应力（即室温应力）分别为1.46、1.27、1.10、1.10MPa；试件断裂时，各组的开裂应力分别为2.18、2.37、2.47、2.31 MPa。定义应力储备为混凝土开裂应力和室温应力的差值与开裂应力的比值，各组的应力储备分别为33.0%、46.4%、55.5%、52.4%。

相比于M-0基准组，M-4、M-6、M-8的室温应力分别降低了13.0%、24.7%、24.7%，开裂应力分别提高了8.7%、13.3%、6.0%，应力储备分别提高了40.6%、68.2%、58.8%。室温应力是试件对温度、变形以及约束程度的反应，以室温应力为开裂指标，抗裂性能顺序为：M-6=M-8＞M-4＞M-0；以开裂应力为评价指标，抗裂性能顺序为：M-6＞M-4＞M-8＞M-0；应力储备反映混凝土降温至环境温度时储备应力的大小，以应力储备为评价指标，抗裂性能顺序为：M-6＞M-8＞M-4＞M-0。

综上，掺入氧化镁可以提高混凝土的抗裂性能，但采用不同的指标，抗裂评价结果存在差异。这些指标可以在一定程度上反应混凝土的抗裂性能，但并未考虑温度历程和抗拉强度对混凝土的影响。

3.3 等效龄期与开裂敏感度

各组TSTM的温度历程可分为升温-保温-降温3个阶段，保温和降温阶段呈线性变化，升温阶段数据较为复杂，为方便计算，以每小时的平均温度（△ti）为该时间段内养护温度（Ti），根据式（2）计算各组开裂时的等效龄期。实际龄期与等效龄期对应关系见图3。

图3 实际龄期-等效龄期关系

由图3可见，TSTM温度历程下的实际龄期较20℃标养下的等效龄期要短得多，说明在TSTM中混凝土试件的强度增长高于标准养护。M-0、M-4、M-6、M-8断裂时的等效龄期分别为322.7 h（13.45 d）、340.8 h（14.20 d）、337.8 h（14.08 d）、354.6 h（14.78 d）。

采用Origin 2019按照Allometricl模型对各组实测劈裂抗拉强度进行拟合，拟合曲线及拟合公式图分别见图4、表6。

图4 混凝土劈裂抗拉强度的拟合曲线

表6 混凝土劈裂抗拉强度的拟合公式图和决定系数

由图4和表6可见，各组的拟合决定系数R2均接近1，表明拟合效果较为理想。根据各组试件断裂的等效龄期分别代入表6中的抗拉强度拟合公式图，得到M-0、M-4、M-6、M-8断裂时的劈裂抗拉强度。定义开裂敏感度为开裂应力与劈裂抗拉强度的比值，其反映混凝土约束状态下的开裂概率，考虑了混凝土约束应力与劈裂抗拉强度的发展，是评价混凝土抗开裂性能的重要指标。各组混凝土的开裂敏感度见表7。

由表7可见，相比于基准组，M-4、M-6、M-8组的开裂应力有所提高，且开裂敏感度分别降低了4.6、5.0、1.8个百分点，这说明混凝土中掺入氧化镁，开裂概率变低，即抗裂性能提高，抗裂性能评价结果与TSTM开裂应力评价指标结果一致。混凝土的开裂敏感度随氧化镁掺量的增加先减小后增大，说明氧化镁对混凝土抗裂性的提高存在最佳掺量。本研究中，氧化镁掺量为6%时混凝土的抗裂性能最优。

表7 混凝土的开裂敏感度

4 结论

（1）掺4%或6%的氧化镁可以提高混凝土约束状态下的劈裂抗拉强度，掺8%的氧化镁不利于混凝土后期劈裂抗拉强度的发展。其中，6%掺量时混凝土的劈裂抗拉强度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉强度较基准组分别提高了13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。

（2）TSTM评价体系中，采用不同的指标，评价结果存在差异。以开裂温度为评价指标，混凝土抗裂性能依次为M-6＞M-8＞M-4＞M-0；以室温应力为开裂指标，抗裂性能依次为M-6=M-8＞M-4＞M-0；以开裂应力为评价指标，抗裂性能依次为M-6＞M-4＞M-8＞M-0；以应力储备为评价指标，抗裂性能依次为M-6＞M-8＞M-4＞M-0。

（3）相比于基准组，M-4、M-6、M-8的开裂敏感度分别降低了4.6、5.0、1.8个百分点，混凝土中掺入氧化镁可以提高混凝土的抗裂性能，6%的掺量效果最好。

（4）成熟度理论考虑了混凝土的温度场变化，开裂敏感度考虑了抗拉强度的发展，两者相结合可以更加准确地评价混凝土的抗裂性能。