摻MgO膨脹劑的面板混凝土早齡期熱膨脹系數

鐘 可,趙志方,朱敏敏,方 博,王建東,施 韜

(1.浙江工業大學 土木工程學院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江建設職業技術學院, 浙江 杭州 311231; 3.武漢三源特種建材有限責任公司, 湖北 武漢 430083)

1 前 言

面板堆石壩近年來廣泛運用在水電工程建設中,混凝土面板在施工期間因溫度變化等引起的開裂問題,成為不容忽視的工程難題。為此,國內外諸多學者對堆石壩面板混凝土的溫度開裂開展了大量研究。徐海燕等[1]發現溫度應力和收縮應力是混凝土面板早期微細裂縫產生的主要原因,面板混凝土的裂縫80%以上是非結構性裂縫。李炎隆等[2]基于熱傳導理論和彈性徐變理論,引入了水化度和等效齡期概念,編制了溫度場及溫度應力計算程序,研究結果表明僅考慮水化度影響的模型溫度場及溫度應力的計算值偏低,若同時考慮等效齡期的影響可有效解決此問題。為了能夠實現面板混凝土的防裂和止裂,有科研工作者在混凝土中加入外加劑來改善混凝土的溫度開裂[3-4]。有關MgO外加劑對混凝土溫度開裂的影響,學者們持有不同的意見[5-7]。一些學者認為混凝土熱膨脹系數主要取決于混凝土骨料,外摻MgO膨脹劑對水泥水化熱和混凝土的絕熱溫升值影響較小,并且對混凝土的導熱、比熱及熱膨脹系數等熱學性能參數的影響不大。而一些學者認為在大壩混凝土中摻入適量特制的MgO,可利用其延遲微膨脹性來補償混凝土的收縮,降低溫度變形,從而改善混凝土開裂。劉猛等[8]對自然養護條件下摻加不同活性MgO膨脹劑混凝土的膨脹性能進行了研究,發現摻MgO混凝土的收縮值明顯小于基準混凝土。

熱膨脹系數(CTE)作為影響早期混凝土體積變化的重要參數,越發引起國內外學者的關注[9]。錢文勛等[10]采用非接觸位移傳感器結合循環式恒溫水浴裝置的方式,測試了不同配合比的大壩混凝土早期熱膨脹系數,認為大壩混凝土在72 h內的熱膨脹系數變化顯著,72 h后至7 d內的熱膨脹系數相對穩定。姚武等[11]測試了混凝土熱膨脹系數隨齡期的變化關系,研究發現混凝土在早期(1～7 d)的熱膨脹系數主要受相對濕度及水泥漿體內部孔隙結構的影響。然而,由于目前學者所采用的測試早期混凝土熱膨脹系數的試驗方法不盡相同,在準確測量和預測早期熱膨脹系數及相關機理的解釋方面所做的工作仍十分有限,還需不斷地進行深入探索。趙志方等[12]通過采用溫度-應力試驗機(TSTM)的方法測定了粉煤灰混凝土的早齡期熱膨脹系數,本實驗也采用溫度-應力試驗機法進行面板混凝土早齡期熱膨脹系數的測定。

本研究參考某新建堆石壩面板混凝土的配合比,配制基準面板混凝土(JC)以及摻入5 wt%的MgO膨脹劑的面板混凝土(PC)。采用溫度-應力試驗機法在恒溫養護和溫度匹配養護兩種模式下進行了面板混凝土早齡期熱膨脹系數的確定,同時探究了MgO膨脹劑對面板混凝土早齡期熱膨脹系數的影響機理。

2 面板混凝土早齡期CTE的測定方法

對于堆石壩面板混凝土,早齡期變形主要有溫度變形和自收縮變形[13]。

本研究分別采用溫度匹配養護(TMC)模式和20 ℃恒溫養護(CTC)模式進行各混凝土的溫度-應力試驗?；炷翝仓r,TSTM即開始記錄混凝土的自由應變值,混凝土的自由應變由兩個獨立的應變分量構成,即溫度應變和自生體積變形,如式(1)所示：

ε(t)=εs(t)+εT(t)=εs(t)+∑αT(t)·ΔTi

(1)

式中：ε為混凝土的自由應變;εs為混凝土的自生體積變形;εT為混凝土的溫度應變;ΔTi為混凝土溫度發展的微增量,單位是℃;αT(t)為ΔTi對應時間段內的線膨脹系數。

采用等效齡期來表征混凝土的成熟度。Hansen[14]根據Arrhenius方程提出混凝土等效齡期成熟度方程,該方程適用于較大的溫度范圍(-10～80 ℃),見式(2)：

(2)

式中：te是混凝土的等效齡期,h;Ea是混凝土活化能,J/mol;R是理想氣體常數,8.314 J·mol-1·K-1;T為混凝土養護溫度,℃;t為混凝土養護時間,h。其中不同溫度下混凝土的活化能計算,采用式(3)：

(3)

Turcry[15]的研究表明,在一定溫度養護范圍(10～40 ℃)內,混凝土的自生體積變形和早齡期CTE的發展僅與其成熟度有關。采用等效齡期聯系不同溫度養護模式下的自生體積變形和CTE,如式(4)和式(5)所示：

εS1(te)=εS2(te)

(4)

αT1(te)=αT2(te)

(5)

式中：εS1和εS2分別表示面板混凝土在TMC模式和CTC模式下的自生體積變形;αT1和αT2分別為混凝土在兩種養護模式下的線膨脹系數,10-6/℃。

在ΔTi所對應時間段Δt內,CTE可以看作常量,對式(1)取微增量得：

Δε(t)=αT(t)·ΔT(t)+ΔεS(t)

(6)

可得在Δte時間段內混凝土的CTE：

(7)

式中：Δε2(te)和Δε1(te)為某等效齡期微段內,兩種不同溫度養護模式TSTM試驗得到的面板混凝土的自由應變的變化;ΔT2(te)和ΔT1(te)為某等效齡期微段內,兩種不同溫度養護模式試驗得到的溫度變化。

由式(7)可知,通過TSTM測試面板混凝土在兩種溫度歷程養護模式下對應的自由應變差和溫度差,就可確定早齡期不同齡期段的混凝土的CTE。

3 試驗研究和數據

3.1 材料及配合比

本試驗使用普通波特蘭水泥P·O 42.5,其密度為3 100 kg/m3。宣城雙樂F類I級粉煤灰,密度為2 100 kg/m3,細度為10.8%。細骨料采用人工砂石系統生產的人工砂,其細度模數為2.97。粗骨料采用人工砂石系統生產的人工碎石,分5～20 mm、20～40 mm兩級,表觀密度為2 620 kg/m3。使用長安育才生產的聚羧酸高性能減水劑和M型氧化鎂膨脹劑[13]。兩種面板混凝土JC和PC具有相同的工作性能,配合比見表1。

表1 面板混凝土配合比

3.2 溫度-應力試驗

采用航源平洋公司生產的HYPY-TSTM-I型溫度-應力試驗機,試驗原理及過程詳見文獻[16]。該設備由約束變形和自由變形試驗裝置、溫度控制和數據采集系統組成,具體見圖1。測試試件的規格尺寸見圖2,形狀為狗骨棒形,中部截面是尺寸為150 mm×150 mm的正方形,試件的有效長度為1 500 mm。

圖1 溫度-應力試驗機

圖2 溫度-應力試驗試件尺寸圖(單位：mm)

本研究的溫度-應力試驗采用CTC模式和TMC模式兩種溫度歷程養護面板混凝土[13],兩種養護模式對應的輸入溫度歷程曲線見圖3。

圖3 兩種溫度養護模式下TSTM的溫度歷程輸入曲線 (a) 溫度匹配模式;(b) 恒溫模式

3.3 試驗結果

采用TSTM在CTC模式和TMC模式下,對JC和PC兩組面板混凝土試件的溫度發展歷程和自由應變歷程進行了測試,獲得了在等效齡期下的溫度和自由應變曲線,數據分別如圖4和圖5所示。

圖4 兩種面板混凝土在等效齡期下的溫度歷程曲線 (a) JC;(b) PC

圖5 兩種面板混凝土在等效齡期下的自由應變 (a) JC;(b) PC

4.1 CTE的確定

根據JC和PC混凝土在兩種養護模式下得到的溫度和自由應變值隨等效齡期變化的曲線圖,從而可以得到兩種面板混凝土的自由應變差-溫度差關系圖,如圖6所示。隨著溫度的升高,JC和PC兩種混凝土的自由應變均隨著溫度的升高而逐漸增大。與JC混凝土相比,相同溫差下PC混凝土的自由應變較小,這是因為氧化鎂的摻入降低了PC混凝土的自由應變。如圖7所示,取若干等效齡期區段內,通過分段線性擬合應變差-溫度差曲線,便可以確定擬合線的斜率為該齡期區段內的CTE。由于面板混凝土早齡期的應變差-溫度差擬合線的斜率并不是一個常數,表明早齡期CTE具有時變性。由于論文篇幅所限,圖7僅給出了9.3～11.3 h以及14.4～16.6 h兩個等效齡期時間段PC的CTE曲線擬合。由此方法確定的兩種面板混凝土的CTE分別見表2和表3。

圖6 混凝土的應變差-溫度差曲線 (a) JC;(b) PC

圖7 PC混凝土在不同齡期時間段的CTE擬合 (a) 等效齡期 9.3 ～11.3 h ;(b) 等效齡期14.4 ～16.6 h

表2 JC混凝土時變熱的CTE

表3 PC混凝土時變的CTE

圖8為兩種面板混凝土的CTE-等效齡期曲線,該圖由表2和表3中羅列的數據獲得。由圖8可見,面板混凝土的早齡期CTE具有時變性,7天后的CTE逐漸趨于穩定。JC和PC面板混凝土CTE隨等效齡期的總體變化趨勢相同。兩者的差異主要表現在早齡期PC的CTE相比JC明顯更小,7天穩定后,PC的CTE相較JC略微偏大。

圖8 兩種面板混凝土的CTE隨等效齡期的變化曲線

4.2 MgO膨脹劑對面板混凝土早齡期CTE的影響機理

本課題組已對兩種面板混凝土在20 ℃恒溫(等效齡期)下的初、終凝時間進行測試,結果見文獻[13]。初凝時間：JC, 10.3 h; PC, 10.9 h。終凝時間：JC, 13.4 h; PC, 14.4 h。

結果表明：①面板混凝土的CTE在終凝之前具有很大的值,終凝或終凝附近的幾小時后,混凝土的CTE會快速地降低至一個最小值。水在20 ℃時的CTE極高(207×10-6/℃),這可能歸于混凝土在很早齡期時有大量的自由水[14],隨著混凝土的凝結硬化,CTE開始降低。②混凝土的CTE從持續下降至最低點后,略有上升,直至7 d才趨于穩定?；炷恋臒崤蛎浻蓛煞N機理耦合所致：(a)混凝土的基本熱膨脹系數,即混凝土的純熱膨脹,隨著溫度的升高固體骨架立即膨脹;(b)附加熱膨脹系數,由濕熱效應而導致,溫度的升高會導致混凝土內部相對濕度升高,造成與純熱膨脹同向的額外膨脹,使整體的CTE增加[17-19]。通常采用ΔRH/ΔT系數來表示濕熱效應,隨ΔRH/ΔT的降低,CTE降低。Wyrzykowski等[18]發現水泥基材料的相對濕度從100%降低到50%左右,ΔRH/ΔT的系數顯著增加。因此,可能由于面板混凝土的自干燥效應,即混凝土繼續水化降低了其內部相對濕度,由此增加了混凝土因濕熱效應導致的附加熱膨脹系數,從而下降至最低點后,CTE略有上升,然后趨于穩定。

MgO膨脹劑對面板混凝土早齡期CTE的影響規律和機理可歸納如下：

①初凝至終凝附近的齡期段：與JC相比,MgO膨脹劑對CTE的發展影響不大,此時CTE降低的主要原因是混凝土凝結硬化失去大量自由水。②CTE在最小值至穩定階段：MgO膨脹劑使面板混凝土的CTE值略有增加,額外摻入的MgO膨脹劑略微增加了混凝土的膠凝材料占比,使混凝土水化消耗的水分增加,加快內部相對濕度的降低。通常結構緊密的物質其熱膨脹系數較大,因為孔隙能消容一部分膨脹量[16]。MgO膨脹劑的膨脹產物,也就是Mg(OH)2的填充作用有利于降低孔隙率,使混凝土變得密實,不利于膨脹量的消容。MgO膨脹劑降低面板混凝土孔隙率由研究[7]中的壓汞試驗得到進一步證實。與JC相比,摻入MgO膨脹劑有增大面板混凝土CTE的趨勢。

5 結 論

1．基于溫度-應力試驗,采用CTC模式和TMC模式兩種溫度歷程養護面板混凝土,確定其早齡期的CTE。

2．兩種面板混凝土的CTE在早齡期都具有時變性。在終凝前,面板混凝土的CTE值會快速降低至一個最小值,隨后CTE在一定齡期內略微上升,到7 d左右趨于穩定。

3．MgO膨脹劑對早齡期CTE的發展影響不大,其摻入會略微增大面板混凝土的CTE。MgO的水化加快了內部相對濕度的降低及膨脹產物氫氧化鎂的填充作用,共同影響了面板混凝土的CTE。