碱激发超高性能混凝土早龄期约束收缩特性研究

2023-12-28郑书元尤伟杰刘慧宁杨国涛

青岛理工大学学报 2023年6期

郑书元,尤伟杰,刘慧宁,刘宪,杨国涛,*

(1.青岛理工大学土木工程学院,青岛 266525;2.山东高速工程建设集团有限公司,济南 250014)

钢-UHPC组合结构作为一种新型结构形式发展迅速,其中,钢-UHPC组合桥面板是桥梁工程中常用的一种结构形式,由正交异性板、剪力连接件、钢筋网和UHPC组成[1],可以充分发挥UHPC的受压性能和钢材的受拉性能。鉴于其良好的受力机理,钢-UHPC组合桥面板具有承载力高、刚度大和自重轻等优点,在桥梁建设领域得到广泛应用[2-3]。

尽管将UHPC应用到组合桥面板上可以充分发挥钢、UHPC二者的优势,但UHPC的主要成分是水泥,在生产与服役过程中过度消耗自然资源,排放大量的CO2气体,严重加剧了全球气候变暖,低碳节能材料愈受关注。碱激发胶凝材料是一种利用工业废渣制成的新型胶凝材料,主要包括磨细的矿粉、优质粉煤灰、硅灰等矿物掺合料[4]。用碱激发胶凝材料代替UHPC中的水泥不仅可以制备出强度高、凝结硬化快、耐腐蚀性强的碱激发超高性能混凝土(AAUHPC)[5],还可以降低工程成本,减少CO2的排放量,改善环境。但是,众多研究表明,碱激发混凝土早龄期收缩变形较大,因此对AAUHPC的收缩性能展开研究显得尤为重要。顾亚敏等[6]通过和普通硅酸盐水泥进行对比,综合论述了碱矿渣水泥浆体的收缩特性、开裂特性和收缩原因,并且针对这一性质提出了有关减缩与防裂的建议、办法。LI等[7]对碱矿渣/粉煤灰混凝土在约束条件下的收缩行为进行了试验研究,并且与普通硅酸盐水泥混凝土进行对比,发现碱矿渣/粉煤灰混凝土的自收缩相对较大。

为了探究各因素对碱激发混凝土收缩的影响,前人做了大量研究。王维才等[8]以矿渣为胶凝材料,使用水玻璃与氢氧化钠作为碱激发剂制备出碱矿渣混凝土,对碱矿渣混凝土的力学强度、工作性能及干燥收缩性能开展研究,研究发现碱矿渣混凝土早期收缩较大,干燥收缩应变随矿渣掺量的增加而增大,并提出了碱矿渣混凝土的干燥收缩预测模型。HOJATI等[9]以粉煤灰和矿渣作为胶凝材料,研究胶凝材料掺入比例对混凝土强度和收缩的影响,研究表明,混凝土收缩随着粉煤灰掺量的增加而减小。根据许多试验研究发现,不同胶凝材料和养护条件对碱激发混凝土的收缩性能有显著影响。当AAUHPC的早期收缩变形受外部约束影响时,极有可能引起结构的早期变形和开裂。

若将AAUHPC应用到钢-UHPC组合桥面板上,AAUHPC早龄期收缩受到内部钢筋、焊钉及外部钢板的约束,会引起较大的收缩应力和变形,从而导致桥面板结构变形增加、表面产生裂缝、内力重分布和预应力损失等工程问题。针对上述问题,研究人员开展了一系列约束收缩试验,以分析约束与收缩的相互影响。赵辛玮等[10]设计了钢-常温养护型UHPC组合桥面板模型,通过足尺收缩试验和有限元模拟,研究常温养护型UHPC的收缩对栓钉、钢筋网及钢板的影响,试验结果表明边侧栓钉在垂直于钢板的方向上一侧受压,受力情况最为不利,钢板与钢筋网整体均表现出受压的状态。韩方玉等[11]通过设计约束收缩试验研究了UHPC钢桥面铺装的约束收缩应力发展变化规律,并提出了约束收缩应力的计算方法,研究发现对UHPC收缩起主要约束作用的是钢桥面,配筋率过高(≥3%)虽然可以提高结构刚度,但是会显著增加铺装层的开裂风险。对于UHPC的约束收缩性能,已有大量的研究,但对AAUHPC约束收缩性能还未开展研究,因此,对AAUHPC的约束收缩性能进行相关研究具有重要意义。

综上所述,AAUHPC作为一种具有超高力学性能、良好耐久性和环保型的工程材料,是替代现有UHPC材料的选择之一,但其在约束条件下的早龄期变形和开裂问题的研究仍然不足。本文在研究AAUHPC流动性及基础力学性能的基础上,进一步研究在不同约束条件下AAUHPC的早龄期收缩性能,主要探究U形加劲肋、焊钉约束度、钢筋约束度以及养护环境温湿度对AAUHPC收缩性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验中AAUHPC所用的材料包括:S95级矿粉、98硅灰、石英砂、镀铜钢纤维、水玻璃、NaOH、水、减水剂和缓凝剂。石英砂采用3种不同粒径的级配,占比分别为:8～16目占60%,40～70目占25%,70～120目占15%。镀铜钢纤维的直径为0.18～0.23 mm,长度为12～14 mm。水玻璃中SiO2与Na2O的含量分别为27.3%和8.54%,模数为3.30。NaOH的纯度为98.6%。水为青岛市自来水。减水剂为聚羧酸减水剂。缓凝剂为葡萄糖酸钙缓凝剂。

1.2 配合比设计

AAUHPC是由多种材料构成的复合材料,因此各组分的比例及掺量会对其力学性能、耐久性等产生至关重要的影响。本研究的配合比设计在参考相关学者研究[12]的基础上进行改进,AAUHPC的配合比如表1所示。在试验开始前,需提前在水玻璃中掺入氢氧化钠,充分搅拌后静置24 h,使水玻璃模数降低至1.3。

表1 AAUHPC配合比

为验证配合比的可行性,提前进行预试验,测试其流动性、初凝时间及7 d抗压强度。预试验结果:流动度为180 mm,初凝时间为19 min,7 d抗压强度为99 MPa。因此该配合比制得的AAUHPC的强度与流动度均满足正式试验要求。

1.3 试件设计及监测方案

组合板模型采用正交异性组合桥面板节段模型(图1)。底部钢板和U形加劲肋为Q355B钢材,焊钉的材质为ML15,尺寸为13 mm×35 mm,由直径10 mm的HRB400螺纹钢筋构成钢筋网,U形加劲肋厚度为8 mm,上开口宽度为100 mm,肋高70 mm,下翼板宽度为70 mm。图2为试件A1的尺寸示意图。分别考虑钢板刚度、焊钉约束度、钢筋约束度以及养护环境温湿度对于钢-AAUHPC组合板收缩的影响,共设计5个钢-AAUHPC组合板和1个无约束的AAUHPC板,构件主要设计参数如表2所示。

图1 钢-AAUHPC组合板模型

图2 钢-AAUHPC组合板尺寸示意(单位:mm)

表2 构件主要设计参数

分别采用振弦式应变计及温湿度传感器监测AAUHPC上表面应变和内部温湿度变化。试件测点布设位置如图2所示:①在AAUHPC上表面,板面中心的位置,沿纵向布置1个振弦式应变计,测量AAUHPC收缩应变;②温湿度传感器竖向布置于板面中心右侧10 cm处的位置,监测AAUHPC内部的温湿度变化。构件浇筑完成后,分别在收缩实验室与自然条件下养护24 h后拆除模板。其中收缩实验室温度为(20±2) ℃,湿度为(60±5)%RH,监测3～28 d龄期内各测点应变及温湿度随时间变化情况,各测点数据采用人工读取的方式进行记录,3～7 d龄期内,每隔12 h监测1次;7～28 d龄期内,每隔24 h监测1次。

2 试验结果与讨论

2.1 AAUHPC基础力学性能

试块制作完成后,放于混凝土标准养护室进行养护,待试块养护到试验龄期后,测量AAUHPC 3个龄期(7,14,28 d)的抗压强度fc、劈裂抗拉强度fts和静弹性模量Ec,基础力学性能试验结果如表3所示。

表3 各龄期AAUHPC基础力学性能试验结果

2.2 AAUHPC收缩性能

2.2.1 不同约束条件对AAUHPC收缩的影响

如图3(a)所示,在AAUHPC收缩过程中,内部温度早期变化较为显著,随着龄期的增长,变化趋势逐渐趋于稳定。早期内部温度逐渐降低是由于AAUHPC浇筑完成后,其内部发生剧烈的水化反应产生水化热,导致监测的内部初始温度较高,初始温度在22 ℃左右。随着龄期增长,水化热逐渐散失,温度逐渐降低,最终趋近于收缩实验室的环境温度20 ℃。通过对比A6与组合板A1,A2,A3的内部温度可以发现,A1,A2,A3的内部温度均低于A6,这是由于组合板构件内部设置了钢筋、焊钉,导致AAUHPC的相对体积减小,因此在水化反应过程中产生的水化热较低。通过对比A4与其他组合板构件的内部温度可以发现,减少焊钉数量,相对增大了AAUHPC的体积,因此其内部温度偏高于其他组合板构件。

如图3(b)所示,所有构件的内部相对湿度变化趋势基本一致,均表现出早期相对湿度较高,随着龄期的增长,相对湿度逐渐降低,最终趋于稳定。在早期构件刚浇筑完成时,AAUHPC凝结硬化还未完成,各熟料成分的空隙之间存在水分,因此内部相对湿度较高,早期组合板构件内部相对湿度在75%～85%之间。后期随着AAUHPC水化反应消耗水分,并且内部水分可以通过表面不断向环境中挥发外逸,因此相对湿度随着龄期逐渐降低,后期组合板构件内部相对湿度在70%～78%之间。通过对比A6与组合板构件的内部相对湿度可以发现,组合板构件的内部相对湿度均高于A6,这是由于在A6中,未设置钢筋、焊钉和钢板这些约束,在拆模后AAUHPC层上下表面均直接与外界环境接触,水分挥发的速率加快,因此内部相对湿度偏低。

如图4所示,在3～28 d龄期之间,A6收缩应变不断发展增大,这是AAUHPC自生收缩与干燥收缩共同作用的结果。在自生收缩过程中,胶凝材料矿粉和硅灰与水发生反应,不断消耗水分,使得各熟料之间水分空隙减小,并且在干燥收缩过程中,内部水分不断与环境进行交换,因此在这2种收缩的共同作用下,收缩应变随龄期不断增大。在7,28 d时,A6的收缩应变分别为-97.2,-258.9 με。通过对比组合板构件与A6的收缩应变可以发现,在设置了焊钉、钢筋和钢板这些约束后,AAUHPC在收缩过程中会受到来自焊钉、钢筋和钢板的约束作用,约束会对AAUHPC产生约束拉应力,因此收缩应变表现出拉应变。通过对比图4中组合板的收缩应变可以发现,4组构件的收缩应变发展趋势基本一致,以A1为例,可将收缩过程分为2个阶段:阶段1,3～7 d收缩快速发展阶段,在该阶段收缩增长速率较大,收缩值较高,在7 d龄期的收缩应变为66.6 με,约为28 d龄期收缩应变的62.9%;阶段2,7～28 d收缩缓慢发展阶段,在该阶段收缩增长速率较小,收缩值较低,在28 d龄期的收缩应变为105 με。当改变焊钉、钢筋的约束度及钢板刚度后,不改变收缩的发展模式,会影响收缩应变大小。与A1相比:①A2的钢板底部焊有U形加劲肋,钢板刚度增大,钢板对于收缩的约束作用也会随之增强,在7,28 d龄期的收缩应变分别为37.1,67.1 με,相比A1分别降低了44.3%,36.1%;②A3增加了AAUHPC层厚度,配筋率由2.61%降低为2.24%,相关研究[13]表明降低配筋率会减小约束对混凝土的收缩抑制作用,因此钢筋对于收缩的抑制作用降低,在7,28 d龄期的收缩应变分别为82,128.1 με,相比A1分别增加了23.1%,22%。③A4降低了焊钉的约束度,焊钉对于收缩的约束作用主要分为2种,一种是通过焊钉与AAUHPC之间的黏结力来发挥约束作用,另一种是处于同一轴线上的焊钉所形成的约束带,这种约束带也会对收缩产生约束作用。焊钉数量减少,导致焊钉与AAUHPC的接触面积减小,并且焊钉由双排布置变为单排布置后,处于同一纵轴上的焊钉形成的约束带减少,因此焊钉对收缩的约束作用降低,在7,28 d龄期的收缩应变分别为84.1,112.2 με,相比A1分别增加了26.3%,6.8%。因此,当降低焊钉、钢筋的约束度及钢板的刚度后,相应的约束作用也会减小,从而导致AAUHPC的收缩应变增大。为了尽量减少早龄期收缩变形造成的开裂,在满足工程安全及最小配筋率的前提下,应尽量减少配制约束。

2.2.2 养护环境对AAUHPC收缩的影响

如图5所示,自然环境的温湿度度受到昼夜温差及天气的影响,变化较为显著。A5内部温度变化受环境温度的影响较大,与环境温度的变化趋势基本相同,由于自然环境相较于收缩实验室的湿度较低,因此A5内部相对湿度相较于A1更低。

如图6所示,A5的收缩应变发展趋势与A1基本相同,但是收缩应变大小有所不同。这主要是由于收缩实验室相较于自然环境下的温度及湿度更高,AAUHPC内部水分的扩散速度更快,水化反应程度相较于A5更大,因此在高温高湿的环境下会增大AAUHPC的收缩应变,这与相关研究[14]发现的规律一致。在7 d龄期时的收缩应变为65.7 με,在28 d龄期时的收缩应变为93.3 με,相比A1减小了11.1%。较高的环境温湿度会促进AAUHPC的水化反应,加剧内部水分的散失,因此在夏季施工时应加强对AAUHPC的保水工作。试验过程中构件表面均未出现裂缝,这说明掺入钢纤维的AAUHPC具有优异的受拉性能及韧性,在不同约束条件下受到的收缩应力未超过其抗拉强度。