高性能混凝土早期热膨胀系数的测定方法

彭 颢

（中核混凝土股份有限公司昌江分公司，海南 昌江 572700）

0 引言

热应力是造成混凝土结构早期开裂的主要原因，如果施工过程中由于水化反应放热导致的混凝土温度升高得不到控制，对于高性能混凝土（High performance concrete, 简称HPC）而言，早期开裂问题会更加严重。水泥水化过程中，混凝土内部微观结构快速变化，混凝土的热膨胀与早期温度变化不成正比，这使得很难准确预测混凝土早期的热应变情况[1-4]。混凝土的热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion，简称CTE）主要受骨料类型的影响，然而，关于新拌混凝土CTE随时间变化情况的数据非常有限[5,6]。新拌混凝土的CTE 初始值相对较高（高于20×10-6/℃），在硬化过程中迅速降低至10×10-6/℃左右。由于液相中非结合水占主导地位，新拌混凝土的CTE 值较高，约为硬化混凝土的7 倍。随后，混凝土的微观结构开始形成，导致CTE持续降低到一稳定值[7,8]。

由于混凝土是一种非均质、多孔的材料，CTE 的测量并不简单。为了可靠地预测混凝土结构早期性能，本文假设热变形和自变形不耦合，提出了一种确定混凝土早期热膨胀系数的试验方法，同时提供了两种不同类型高性能混凝土的测试结果，以验证本文提出的试验方法的有效性。同时，本文还提出一种新的热膨胀系数计算方法，在根据随时间变化的热变形确定热膨胀系数之前，从实际测量数据中消除混凝土自收缩的影响，使用热膨胀系数预测公式计算出CTE。

1 试验装置和校准方法

将一组（3 个）密封混凝土棱柱试件置于室内环境中，使其从凝结到凝结后7d里每天经历3次25~30℃的全温度循环。试验装置示意图如图1 所示。模具由9.5mm厚的冷轧钢板制成，内部尺寸为75mm×75mm×295mm。每个模具都放置在钢模板上，位移传感器（LVDT）也连接在该模板上。钢模具之间短的垂直间隔件用来确保模具的侧面都暴露在相同的环境温度下。放置在地板和试验设备之间的泡沫橡胶垫可将室内的振动降至最低。在钢模具内壁涂有一层石油凝胶和一层薄塑料膜以减少钢模具内壁和混凝土之间的摩擦。钢模具的端板（75mm×75mm×9.5mm）内衬1.5mm厚的闭孔泡沫橡胶垫，以允许混凝土试件在纵向方向上自由移动，特别是在热膨胀期间。使用钢模具两端的位移传感器测量每个混凝土棱柱体的纵向变形。这些传感器固定在试验设备的结构钢底座上，通过不锈钢延伸轴连接到直径为20mm的金属盘上。在混凝土浇筑过程中，圆盘嵌入混凝土棱柱体的端部。延伸轴由安装在钢模具端板上小孔中的油浸青铜轴承连接，以消除混凝土浇筑期间和混凝土凝结之前圆盘的横向位移。通过在每个混凝土棱柱体中心和表面嵌入热电偶来测量混凝土的温度。本文使用电阻温度检测器（RTD）监测室内的环境温度。在混凝土凝结硬化早期，CTE 值快速变化，为了保证读数的准确性，减少CTE测定中的误差，在试验设备组装过程中，必须确保以下几点：（1）混凝土无变形；（2）防止外部干燥；（3）混凝土试件中的温度是均匀的。

图1 测试仪器示意图

试验中，除了减小混凝土的热膨胀外，还必须减少温度效应的影响，以确保准确测定出混凝土CTE。温度效应的影响体现在很多方面，包括对测量仪器和试验设备的影响。理论上，可以使用传感器制造商提供的温度校准曲线、钢的理论CTE和试验设备的几何结构来估计这些温度效应的影响。然而，理论计算是基于一些不确定的假设前提下才成立的，降低了测量结果的准确性。因此，本文通过在受控环境中的试验测试来确定给定试验设备的校准曲线。

建立3 个相同的测试装置，并进行校准，校准程序包括用3种不同的金属块交替测试。所选的3种金属包括：（1）科瓦合金，测得的CTE 为7.2×10-6/℃；（2）17-4PH不锈钢（SS17），测得的CTE为10.7×10-6/℃；（3）316不锈钢（SS316），测得的CTE为16.4×10-6/℃。这3种金属拥有相对较宽的CTE范围，能够包含由不同类型骨料制成的混凝土预期的CTE 范围。金属块的尺寸为275mm×75mm×25mm，与混凝土试件的尺寸相似，但是金属块的厚度是25mm。带有金属块的3个试验装置在20~30℃之间进行温度循环，中间步骤为25℃，同时，金属块的温度循环要略大于混凝土试件的温度循环。每个金属块的热变形由2个位移传感器测量，位移传感器的轴拧入金属块中，通过在金属块下涂上一层薄薄的塑料膜和石油凝胶，将位移传感器与金属块之间的摩擦降到最低。

使用3种金属块进行仪器校准试验时测得的平均应变和平均温度如图2所示。为了清楚比较三者的差异，此图仅显示了两个完整的温度循环。由表2可知，由于CTE 不同，科瓦合金金属块对温度变化的响应最显著，而316不锈钢的响应最不明显。通过这些应变和温度校准数据确定在3个测试设备上每个金属块的平均CTE。

图2 仪器校准时测量的应变和温度

通过绘制金属块已知的CTE 曲线与试验设备中测量的CTE 曲线来获得3 种试验设备的平均校准曲线，如图3 所示。每个数据点是在3 种设备中试验测出数据的平均值。图3 中线性回归线的纵坐标为试验装置的平均CTE（17.1×10-6/℃）。还可以观察到，CTE 的所有测量值都是负值，这是因为试验设备的CTE 是高于金属块的CTE 的。

图3 试验仪器的平均校准曲线

2 高性能混凝土的热膨胀试验

该研究使用的水胶比为0.35，用于密封固化条件下的典型高性能混凝土和内部养护高性能混凝土的2种混凝土设计[9-11]。内部养护技术包括向水泥中提供内部养护水，通过用预浸多孔轻质（LW）砂代替正常重量（NW）砂，改善水化并减少内部干燥，这种LW砂的含水量接近22%。2种高性能混凝土的配合比设计见表1所示，性能指标见表2所示。由表2可以看出，2种高性能混凝土7d抗压强度相近（50MPa左右），但空隙率略有不同。

表1 2种高性能混凝土配合比设计

表2 2种高性能混凝土实测性能

2.1 典型高性能混凝土的热膨胀试验

混凝土放置在3个钢模具中，顶部表面用塑料板密封，以防止干燥收缩，然后将模具放置在初始环境温度为25℃的室内环境中。混凝土浇筑后2h，开始温度循环，从25~30℃。每个目标温度保持恒定的3h45min，每个温度步骤之间有15min 的间隔。3h45min 的持续时间足以在每个步骤结束时在混凝土试件中达到稳定均匀的温度。混凝土试件很快达到热平衡，因此温度循环级差（5℃）应当足够小，以在早期获得大量的CTE值。在小幅度的温度循环下，随着时间的推移，温度对CTE 发展速度的影响非常小。图4 显示了室内的环境温度下，3个温度循环下测量的混凝土平均温度和平均应变。

图4 典型高性能混凝土中测量的温度和应变

根据测量的混凝土位移计算混凝土总应变，然后根据温度效应进行校正，如下式所示：

式中：εtot——校正后的混凝土凝结后的总温度应变；

εtest——测得的未校正的混凝土凝固后的应变；

αa——设备的CTE（17.1×10-6/℃，如图3所示）；

Tc——混凝土的实测温度；

Tci——混凝土凝结时的初始温度。

每个温度步骤结束时测得的混凝土中的总应变（3次试验的平均值）、收缩应变和热应变如图5所示。混凝土收缩应变曲线通过将移动平均曲线拟合到总应变曲线来确定，然后通过从给定时间的总应变中减去收缩应变来计算热应变，如下式所示：

图5 典型高性能混凝土中的总应变、收缩应变和热应变

2.2 内部养护高性能混凝土CTE的测试

测试内部养护高性能混凝土的原因：一是验证高性能混凝土中水分含量的增加对CTE的影响；二是验证所提出方法在低收缩混凝土中测量CTE的有效性（由于热应变的确定取决于收缩和总应变之间的差异，因此有必要验证使用低收缩混凝土是否可以提高测试CTE 值的准确性）。

对于内部养护高性能混凝土，环境温度、测量的混凝土平均温度和混凝土平均应变与时间的函数关系，如图6所示。测量的混凝土试件的中心（实线）和表面（虚线）温度，从这两条曲线可以看出，混凝土样品具有良好的温度均匀性，在任何给定的温度循环结束时，混凝土样品的内外温度差从未超过0.4℃。

图6 内部养护高性能混凝土中测量的温度和应变

每个温度循环步骤结束时测得的混凝土总应变（3次试验的平均值）、收缩应变和热应变如图7所示。内部养护为混凝土提供了近55kg/m3的内部养护水，使混凝土的自收缩在7d内从-225με显著降低到-30με。

图7 内部养护高性能混凝土中的总应变、收缩应变和热应变

3 热膨胀系数的计算

基于以上试验结果，本文提出一种新的热膨胀系数计算方法，使用热膨胀系数预测公式计算出两种高性能混凝土的CTE，从而使得任何给定时间高性能混凝土的CTE都可以通过以下预测公式计算得出：

式中：αc——给定时间高性能混凝土的CTE；

∆εtℎ——2个温度循环步骤之间的热应变增量变化；

∆εtot和∆Tc——分别为2个温度循环步骤之间总应变和收缩应变的增量变化。

2 种不同高性能混凝土的CTE 值如图8 所示，其中每条曲线是3个试验数据的平均值。可以看出，内部养护增加了高性能混凝土的含水量，但不会影响CTE的时间演变。一般而言，两种高性能混凝土的CTE在凝结后1d达到最小值（8×10-6/℃），在凝结后3d增加稍快并在7d 龄期时逐渐增加至10.5×10-6/℃。高性能混凝土CTE在早期时增加是由多种因素综合影响的，主要包括水泥水化和自干燥。图8表明，本文提出的试验方法的准确性不受混凝土收缩量的影响，对于每种高性能混凝土类型，在7d时间内，3个混凝土棱柱试件之间的标准偏差为0.5×10-6/℃，变异系数为5%。同时，通过以上试验及预测结果的对比，验证了本文提出的试验方法及CTE预测公式是准确且有效的。

图8 高性能混凝土CTE随时间的变化

4 结束语

为了准确预测混凝土结构早期性能，本文在假设热变形和自变形不耦合的前提下，提出一种确定混凝土早期热膨胀系数的试验方法，对两种高性能混凝土进行了试验测试，同时，提出一种新的热膨胀系数计算方法，使用热膨胀系数预测公式计算出两种高性能混凝土的CTE，得出以下结论：

（1）本文提出的试验和分析方法允许在混凝土凝结后仅12h内准确测定CTE，试验样品之间的平均变异系数为5%。

（2）在高性能混凝土凝结24h 后，CTE 达到最小值（8×10-6/℃），在凝结3d后的CTE增加稍快并在7d龄期时逐渐增加至10.5×10-6/℃。

（3）内部养护增加了高性能混凝土的含水量，但不会影响CTE的时间演变。

通过以上试验及预测结果的对比，验证了本文提出的试验方法及CTE预测公式的有效性。