干寒大温差下早龄期混凝土收缩特性及防裂技术

2023-12-21李福海唐慧琪李继芸李学友

西南交通大学学报 2023年6期

李福海，文涛，唐慧琪，李继芸，李瑞，陈昭，李学友，李超

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.中铁二局集团有限公司中国建筑第四工程有限公司，四川成都 610031）

随着西部大开发深入有效的推进，高原铁路的建设步伐不断加快，然而，高原地区具有大温差、低气压、干燥、紫外线强等特点，极大影响了混凝土的基本性能.因此，保障混凝土的质量与安全是影响高原铁路正常运行的重要因素.赵文斌等[1]研究发现，在大温差、干寒、强风地区养护方式对混凝土的抗裂性有较大的影响.陈华鑫等[2]分别采用4 种养护条件，模拟分析了拉萨与西安两地标准养护和室外养护下混凝土的气孔结构及抗压强度，研究发现，混凝土气孔结构与力学性能劣化主要由干燥和低温环境造成.胡玉兵等[3]研究发现，高原地区混凝土表层有害孔增加较为明显，更容易受到有害物质侵蚀破坏.Al-Saleh 等[4]研究发现干燥环境对混凝土收缩影响巨大.Torrenti 等[5]研究指出，混凝土干缩变形与材料的相对湿度成正比.Emborg 等[6]阐述了高性能混凝土因温度和收缩产生的裂缝问题.因此，为保障混凝土的质量与安全，采用良好的防护技术显得尤为重要.Teng 等[7]将无机渗透结晶涂层应用在混凝土表面防护以提高混凝土的寿命；Salazar-Hernández 等[8]制备了SiO2-PDMS 复合涂层；Cervantes等[9]掺入200 nm 的硅溶胶制备SiO2-PDMS 复合涂层，用于石材防护，纳米二氧化硅的加入能提高复合凝胶的弹性和结构，使涂层更加致密；张戎令等[10]通过橡塑板-土工布组合保温材料的应用，把桥墩水化热内外温差控制在20.0 ℃范围内，保证了混凝土不会因内外温差过大而开裂.

综上所述，学者们针对高原环境下混凝土的强度、孔隙结构及收缩等性能展开了大量的研究，然而，试验基本是在恒定温度下进行，缺乏大温差条件下混凝土性能研究.本文针对高原铁路面临的恶劣环境，为降低混凝土开裂破坏的风险，提出一种新型防裂技术，即采用纳米保温保湿涂层对混凝土进行养护.首先，设置纳米涂层保温性能试验，探究其对混凝土保温隔热性能的影响；此外，另设薄膜养护与自然养护2 种养护方式，研究了在干燥（湿度50%）、大温差（-20.0～15.0 ℃）环境中早龄期混凝土的强度、自由收缩及约束收缩随龄期的变化规律；最后，以抗压强度、劈裂抗拉强度、最大自由收缩率与最大约束应力为研究对象，基于综合型多指标灰色关联法，分析3 种养护方式下混凝土的抗裂性能.

1 试验概况

1.1 试验环境

1.1.1 温度设计

高原铁路途经区域温差巨大，夏季最高气温35.0～40.0 ℃，冬季最低气温-15.0～20.0 ℃，昼夜温差可达30.0～35.0 ℃.混凝土在此类大温差、干寒的地区，长期受到温度梯度的作用，会使其局部达到疲劳断裂的温度应力，从而产生裂缝[11]，影响混凝土结构质量及安全.经统计，高原地区冬季的昼夜温差最大，故试验温度变化区间设定为-20.0～15.0 ℃.

1.1.2 湿度设计

环境相对湿度是影响混凝土干缩的最重要因素之一，在相对湿度较低的区域，混凝土内部水分损失较为严重，从而导致混凝土收缩开裂[12]，结合试验设备及高原环境，将试验湿度设定为50%.

1.1.3 模拟试验设计

试验装置采用步入式高低温湿热试验箱，可以自动调节装置内部的温度、湿度，试验中湿度保持不变，温度每天循环一次，如图1 所示.

图1 循环温度机制示意Fig.1 Schematic diagram of circulating temperature mechanism

1.2 养护工艺

试验选择自然养护、薄膜养护、涂层养护3 种养护方式，3 种养护方式均需将混凝土成型后放入标准养护箱24 h，然后，拆模并利用不同的方法对混凝土进行处理，具体操作如下：

1）自然养护.将拆模后的混凝土置于自然环境中，不给予任何保护措施.

2）薄膜养护.先在拆模后的混凝土表面洒水湿润，然后立即使用塑料薄膜完全包裹，保证薄膜紧贴混凝土表面，不漏缝、不透风.此养护方法为施工现场传统的保湿养护方式.

3）涂层养护.先在拆模后的混凝土表面洒水湿润，然后使用纳米保温保湿涂料涂刷，防止水分蒸发.

本试验所采用涂层材料全名为新型纳米陶瓷混凝土防护体系，此防护体系分为底涂层、中涂层和面涂层.3 个涂层特点如下：

1）底涂层.将混凝土与涂料结合在一起，其结合机理分为3 个层次，分别为粘接、根须渗入以及化和缔结.

2）中涂层.主要作用是隔热保温，其作用机理源于航天热控涂层，涂层中的气凝胶及复合纳米材料可以高效地阻断热传导.

3）面涂层.突出作用是防水自洁和具有高效耐候性.硅改性氟碳材料既具有耐紫外线破坏的特点，又具有良好的防水性能，不霉变，不吸尘，不产生静电.

1.3 试验设计

1.3.1 涂层保温性能试验

为探究新型纳米陶瓷混凝土防护体系的保温隔热效果，设计了混凝土试件的涂层保温性能试验.试件尺寸采用直径为150 mm，高为300 mm 的混凝土圆柱体（圆柱体温度分布较均匀），试验仪器采用多通路温度巡检仪和热电偶传感线，如图2 所示.

图2 保温性能试验试件及仪器照片Fig.2 Thermal insulation performance test specimens and instrument photo

试验共设置2 组：第1 组为涂层涂刷的试验组，第2 组为自然养护的对照组.混凝土浇筑分为2 步：先浇筑一半，振捣密实后将温度传感器探头置于混凝土中心及边缘1 cm 处；再将另一半混凝土浇筑完成，并放入标准养护室内养护1 d.养护完成后拆模，并对试验组均匀刷涂纳米保温涂层，待涂层干燥后与对照组一同放入高低温湿热控制箱进行试验.具体设计见表1.

表1 涂层保温性能试验设计表Tab.1 Test design table of coating thermal insulation performance

1.3.2 基本力学性能试验

为研究不同养护方式对干寒大温差下早龄期混凝土基本力学性能的影响，此次试验设置了3、7、28 d 3 组龄期，混凝土选择课题组针对高原地区特定环境研制的C35 混凝土，其标养28 d 的抗压强度与劈裂抗拉强度分别为45.57、2.70 MPa.抗压及劈裂抗拉强度根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[13]进行测试，待试件成型后，先标准养护1 d，然后采用3 种不同的养护方式并转入试验箱设定的干寒大温差环境中，每组龄期后测试混凝土抗压及劈裂抗拉强度.试件尺寸均为100 mm ×100 mm × 100 mm，养护方式如图3 所示.

图3 养护方式示意Fig.3 Schematic of curing methods

1.3.3 自由收缩试验

自由收缩试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[14]的规定，采用非接触式测试法，试件尺寸为100 mm ×100 mm × 515 mm，试件成型时须仔细插捣密实.每组试件置于标准养护箱内养护1 d，测量混凝土的收缩值，放入试验箱，采用3 种不同养护方式对混凝土进行养护，并实时监测其收缩值.

1.3.4 约束收缩试验

钢环约束收缩试验以美国ASTMC1581-04 为依据，内钢环内表面中部粘贴4 个电阻应变片，为防止应变片受潮，采用硅胶将应变片密封.试验时，将所有应变片与温度补偿片连接至数据采集仪，数据采集仪通过USB 接口与计算机相连，由计算机程序自动完成数据采集和存储.此试验全程在试验箱中进行，且在试验过程中需实时监测数据变化.出现以下3 种情况可停止试验：试件出现裂缝，钢环上2 个应变片的数值骤减不小于30 με时，测试时间达到14 d 时.每组试件置于标准养护箱养护1 d，然后放入试验箱采用3 种不同养护方式进行干燥大温差环境下混凝土约束收缩试验，如图4所示.

图4 约束收缩处理方式示意Fig.4 Schematic of restraint shrinkage processing

2 试验结果及分析

2.1 纳米涂层保温性能

图5 为纳米涂层保温性能测试结果.由图5 可知：随龄期发展，自然养护下混凝土的中心温度在-9.2～11.5 ℃循环，混凝土外层温度在-10.7～12.8 ℃循环；涂层养护的混凝土中心温度在-7.3～10.2 ℃循环，混凝土外层温度在-9.3～11.5 ℃循环；混凝土内部温度随环境温度变化而变化，最低温比环境温度高10.0 ℃左右，最高温则比环境温度低3.0～4.0 ℃，在恒温保持和负温保持时，混凝土内部温度持续上升和下降，增幅小于升降温，上述结果说明，混凝土内部温度对环境温度的响应是具有一定滞后性的导热过程；相比于自然养护，涂层养护下混凝土中心温差幅度整体降低3.2 ℃，混凝土外层温差幅度整体降低2.7 ℃；自然养护下混凝土外层到中心的平均温度梯度为1.5 ℃，涂层养护下混凝土外层到中心的温度梯度为1.4 ℃，说明涂层养护可降低混凝土内部整体温差，但是对温度梯度影响较小，由于涂层保温性能测试采用小尺寸试件，故其保温效果有所降低，但仍能起到减小温差效果.综上所述，在-20.0～15.0 ℃的循环温度环境下，对直径为150 mm，高为300 mm 的圆柱体试件采用保温保湿涂层，使得混凝土内部平均温差降低2.95 ℃.

图5 涂层保温性能试验结果Fig.5 Test results of coating thermal insulation performance

2.2 基本力学性能

干寒大温差环境下，3 种养护方式混凝土的抗压强度如图6 所示.由图可知：对于同种养护方式，3、7、28 d 的抗压强度均逐渐增长，但是均低于标准养护28 d 的抗压强度45.57 MPa；3 种养护方式下抗压强度能达到标准养护28 d 抗压强度的56.51%、65.37%、67.36%，这说明干寒大温差的养护环境不利于混凝土强度的发展，其中纳米保温隔热涂层养护的效果最佳，其次为薄膜养护，自然养护效果最差.

图6 不同龄期3 种养护方式下混凝土抗压强度Fig.6 Compressive strength of concrete under three curing methods at different ages

图7 为干寒大温差环境下3 种养护方式混凝土的劈裂抗拉强度.对于相同养护龄期，3 种不同养护方式的劈裂抗拉强度都呈现相同的规律，即涂层养护＞薄膜养护＞自然养护.自然养护下劈裂抗拉强度随龄期的增长率较小，7 d 混凝土劈裂抗拉强度与28 d 基本相同，说明干寒大温差下自然养护对混凝土劈裂抗拉强度的影响非常明显.相较于标准养护，自然养护使混凝土直接暴露在干燥、大温差等恶劣环境中，使得水泥水化减慢，从而造成混凝土劈裂抗拉强度发展较缓甚至不发展[12].3 种养护方式下混凝土28 d 劈裂抗拉强度能达到标准养护下（2.70 MPa）的34.07%、72.2%、77.78%，对于薄膜养护和涂层养护，劈裂抗拉强度在3、7 d 的增长率分别为23.26%、31.87%，在7、28 d 的增长率分别为83.96%、75.00%，两者强度均有明显增长.表明了两者均能在一定程度上保证劈裂抗拉强度的增长，且采用良好的保温保湿养护方式的必要性.

图7 不同龄期3 种养护方式下混凝土劈裂抗拉强度Fig.7 Splitting tensile strength of concrete under three curing methods at different ages

2.3 早龄期混凝土自由收缩

在干寒大温差环境下，通过采用非接触式自由收缩仪全程不间断采集3 种不同养护方式下混凝土的自由收缩值，分析得到14 d 内3 种养护方式下混凝土收缩率随龄期的发展规律，如图8 所示.其中，正值表现为收缩，负值表现为膨胀.由图8 可知：3 种养护方式下，混凝土收缩率随温度的变化规律大致相同，呈现出温度降低，收缩率增大；温度升高，收缩率减小，循环往复.值得注意的是，温度引起的混凝土变形速度比干燥收缩速度快约1 000 倍[15].因此，在温度骤升和突降时，混凝土收缩率剧烈变化主要是“热胀冷缩”效应导致，干燥收缩影响较小，尤其在温度升高时，冰融化使得持续干燥的混凝土失水难度增大，干燥收缩影响减小[15]；当混凝土处于-20.0 ℃或15.0 ℃时，干燥收缩对收缩率的影响逐渐凸显.一次温度循环内混凝土收缩变化幅度巨大，在不均匀温度场中，骨料与水泥浆体变形不协调会导致界面过渡区形成损伤，随着温度循环的次数增大，混凝土损伤不断积累，破坏的风险提高[16].因此，大温差对混凝土收缩变形的影响值得重视.

图8 不同龄期3 种不同养护方式下混凝土收缩率Fig.8 Shrinkage rate of concrete under three curing methods at different ages

2.4 早龄期混凝土约束收缩

2.4.1 约束应力计算方法

在钢环约束作用下,混凝土收缩对内环产生径向压应力，钢环的反作用力使得混凝土受到拉应力[17]，即约束应力.混凝土约束应力以文献[18]中的方法计算，如式（1）所示.

式中：σc为混凝土受到的约束应力，Es为钢环的弹性模量，hs为钢环厚度，hc为混凝土环厚度，εs为钢环的压应变.

2.4.2 约束应力

在干寒大温差环境下，应变箱采集得到因混凝土收缩而引起的钢环应变，利用式（1）计算混凝土受到的拉应力，即约束应力.探究干燥大温差环境下不同养护方式对混凝土约束应力的影响，具体结果如图9 所示.

图9 3 种养护方式下约束应力随龄期的变化曲线Fig.9 Curves of restraint stress with age under three curing methods

由图9 可知，约束应力随龄期呈现往复变化，每次循环均在温度最低时混凝土受到最大约束应力.1 d 内混凝土受到温度变化的影响，约束应力变化巨大，变化速率则受到养护方式的影响.自然养护下约束应力变化速率最大；薄膜养护与涂层养护下约束应力在前两天变化较为接近，而第3 d 后薄膜养护下约束应力变化速率增大并超过涂层养护.自然养护下约束应力的平均峰值为1.12 MPa，薄膜养护为0.83 MPa，涂层养护为0.72 MPa.这说明干寒大温差环境对混凝土受到的约束应力影响非常显著，采用良好的保温保湿养护方式可以有效改善混凝土的收缩变形，从而降低干寒大温差下约束应力的变化幅度.

每次温度循环混凝土的最大约束应力均不相同，为研究大温差环境下不同养护方式对混凝土最大约束应力的影响，提取出图9 中的最大约束应力值，按照不同养护方式，绘制出最大约束应力随龄期发展的曲线图，如图10 所示.由图10 可知，3 种养护方式下混凝土14 d 内最大约束应力基本表现为自然养护最大、薄膜养护次之、涂层养护最小，而干寒大温差环境中3 种养护方式下混凝土各龄期劈裂抗拉强度由大到小依次为涂层养护、薄膜养护、自然养护.当约束应力大于混凝土劈裂抗拉强度，混凝土收缩开裂[19-20].此外，在大表面温差作用下混凝土中不同组分之间热变形性能存在一定的差异性，可能导致其表面出现裂缝损伤[21].因此，采用具有保温保湿效果的涂层养护混凝土抗裂性能最优，薄膜养护次之，自然养护下最差.同时，自然养护与薄膜养护下混凝土约束应力随龄期发展而逐渐增长，而涂层养护则没有明显的增长趋势，整体发展较为平缓.14 d时三者的最大约束应力分别为1.17 MPa（自然养护）、0.87 MPa（薄膜养护）、0.76 MPa（涂层养护）.薄膜养护下混凝土的最大约束应力较自然养护降低25.6%.干燥环境中混凝土表面水分蒸发速度快，会造成混凝土内部的湿度降低，毛细孔压力增加，收缩增大，自然养护使得混凝土受到更大的约束应力[22].涂层养护下混凝土的最大约束应力较薄膜养护降低12.6%，主要是因为涂层养护一定程度地降低了混凝土内部的温度差值，从而降低了约束应力，使混凝土具有更好的抗裂性能.

图10 3 种养护方式下最大约束应力随龄期的变化曲线Fig.10 Curves of maximum restraint stress with age under three curing methods

3 基于综合型多指标的混凝土抗裂性能灰色关联分析

3.1 混凝土性能汇总

本文选取3 种养护方式下，混凝土7 d 的劈裂抗拉强度、抗压强度、最大自由收缩率、最大约束应力指标形成了3 组样本4 个指标参数的标准矩阵，数据样本如表2 所示.

表2 混凝土各项性能测试结果汇总Tab.2 Summary of concrete performance test results

3.2 确定指标权重

为量化分析混凝土各性能指标对其抗裂性能的影响，本文采用层次分析法，将决定混凝土抗裂性的各项指标按重要程度定量表示，然后建立指标的判断矩阵X，并计算各指标权重α.参照文献[23]的计算方法：首先，按表3 选取指标的判断矩阵X中的元素，如式（2），表中，Xai与Xjb分别为第i行与第j列所代表的性能指标；然后，计算得各指标权重α=(0.169 7，0.072 5，0.285 4，0.472 3)；最后，对判断矩阵取值的合理性进行检验，随机一致性比率CR=0.018 9＜0.100 0，判断矩阵满足一致性要求，即判断矩阵取值合理.