基于綜合性能試驗的混凝土早期開裂行為研究

王 騫, 鄭 忠 良, 尤 博, 張 兆 彪, 李 宇 翔, 曹 明 莉*

(1.大連理工大學 建設工程學院, 遼寧 大連 116024;2.中國二十二冶集團有限公司, 河北 唐山 064000 )

0 引 言

隨著國家可持續發展戰略的進行,各種交通要道已成為戰略目標實施的重要體系．而混凝土結構又是組成橋梁、隧道、公路等交通要道的核心,使得人們對混凝土力學性能和耐久性能的重視程度越來越高[1]．造成混凝土長期性能劣化的原因不僅是服役環境、人為因素等,其結構早期穩定性也不容忽視．一般混凝土結構的早期穩定性主要指開裂行為,其早期開裂主要由混凝土的內外溫差和材料固有屬性決定[2]．

目前,關于混凝土的收縮開裂調控手段主要有外加劑調控、膠凝材料調控、水膠比調控、收縮補償調控、骨料調控、微納米纖維調控等[3-4]．研究表明,采用外加劑系列對抑制混凝土材料收縮和開裂具有顯著的優越性．例如減縮劑可以降低水泥和輔助膠凝材料顆粒表面張力,保持混凝土基體內部結構相對濕度[5];膨脹劑能很好地抑制自收縮、抵抗干燥收縮,但對后期收縮約束作用較小[6]．礦物摻合料對混凝土早期開裂行為也有顯著影響,其主要取決于材料本身的性能和復摻配合比,一些單一摻量的輔助膠凝材料(硅灰等)不能限制早期收縮,反而會加劇混凝土的早期開裂[7-8]．Güneyisi等[9]發現將硅灰、偏高嶺土、礦粉和粉煤灰構成多元體不僅能消除單摻硅灰帶來的不利影響,而且很大程度上會降低混凝土早期干燥收縮．骨料對混凝土收縮開裂影響因素主要包括骨料的種類、形狀、大小(級配性)以及與水泥基材料的界面特性[10]．此外,關于混凝土開裂問題,國內外研究者致力于通過試驗對混凝土的開裂行為進行分析和評價,其抗裂評價主要有綜合性能試驗、單/雙項性能試驗[11-12]．綜合性能試驗通過抗裂能力與開裂驅動力間的比值進行評價[11]．而單項性能試驗通過極限拉伸值、抗拉強度、絕熱溫度對混凝土結構早期收縮開裂進行評價[2]．

從上述的眾多研究來看,通過將單一/復摻礦物摻合料、外加劑等分別摻入混凝土基體中作為早期穩定性調控手段,從而各自發揮自身的特性降低塑性收縮、化學收縮和干燥收縮的目的,主要體現在單/雙項性能試驗分析．但對綜合性能試驗構成的多元體因素對混凝土早期抗裂行為的分析和研究較少．基于此,本研究采用不同比例的復合礦物摻合料、不同的骨料摻量與粒徑、不同的水膠比以及自制外加劑4種調控手段,分析不同調控手段對混凝土早期收縮開裂行為的影響,從而得出最優配合比以期為實際工程提供參考和借鑒．

1 試 驗

1.1 原材料與外加劑優化設計

為保證研發成果的適用性,本研究所用試驗材料均為工程現場原材料,包括P?O 52.5水泥、I級粉煤灰、S95礦渣粉、天然河砂、碎石、聚羧酸減水劑和外加劑．其中河砂細度模數為2.8,表觀密度為2 760 kg/m3,緊密堆積密度為1 630 kg/m3,松散堆積密度為1 560 kg/m3;碎石劃分為3級(5～10 mm、10～16 mm和16～20 mm);試驗用水采用本地生活用水．另外,為增加拌和物的和易性和考慮成型后混凝土的體積穩定性,本文采用自制的高效穩定型減水劑(AM,穩泡劑、引氣劑和聚羧酸減水劑的復合型外加劑)．圖1將不摻任何外加劑(O)、單摻聚羧酸減水劑(AO)和AM拌和物的擴展度進行了對比,發現AM對拌和物擴展度的影響顯著,主要表現為擴展度、均質性、保水性和黏聚性的提升;三者28 d抗壓強度、劈拉強度基本持平,但是O和AM拌和物的抗折強度相比AO拌和物有較明顯提升,如圖2所示．分析認為,這是因為穩泡劑、引氣劑和聚羧酸減水劑的協同作用有效提高了拌和物的均質性,進而均化水化產物分布,一定程度上減少了結構內部缺陷,提高了硬化物強度．

(a) O拌和物

(b) AO拌和物

(c) AM拌和物

圖2 高效穩定型聚羧酸減水劑對混凝土力學性能(歸一化后的數據)的影響

1.2 試件制備與方案設計

本文設計3個配合比,見表1,分別改變膠凝材料用量、不同粒徑的碎石摻比和水膠比,以得出不同摻量的材料和配合比對混凝土早期開裂行為的影響規律．

1.2.1 膠凝材料水化熱試驗 采用TAM Air水泥水化熱測量儀對每個配合比中的膠凝材料以適當比例與水混合均勻測試其水化放熱速率和累計放熱量．

1.2.2 混凝土早期收縮試驗 參照《水泥砂漿和混凝土干燥收縮開裂性能試驗方法》(GB/T 29417—2012)進行早期收縮試驗．采用非接觸式全自動混凝土早齡期收縮變形測定儀,考察混凝土無約束條件下的早期收縮性能．試件成型尺寸為100 mm×100 mm×515 mm;環境溫度為(20±2)℃,相對濕度不大于60%±5%,測量時長為72 h(4 320 min)以上．

表1 混凝土配合比

1.2.3 混凝土抗壓強度試驗 試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,每組設計3個試件,共15組,澆筑成型后24 h脫模,搬運至標準養護室分別養護3、5、7、14、28 d,采用電液伺服萬能試驗機WAW-2000D分別對設計齡期試件以0.6 MPa/s進行抗壓強度測試．

1.2.4 混凝土大板試驗 目前關于混凝土早期抗裂性能的測試方法較多,常用的方法包括單軸約束法、大板法和圓環法,本文選用大板法模擬混凝土底部和四周受到的約束．試驗參考《用于混凝土中的防裂抗滲復合材料》(T/CECS 10001—2017)進行早期抗裂性能試驗,采用600 mm×600 mm×63 mm的鋼制模具,內設一根裂縫誘導器,如圖3(a)所示．大板澆筑成型后開始加速開裂試驗,采用照物燈輻照、電風扇(功率不小于100 W)吹風失水,控制風向與試件表面平行,試件表面中部風速不小于4 m/s,環境溫度為(20±5)℃,相對濕度不大于60%,試驗過程如圖3(b)所示．試驗數據采集從加速設備運行時開始,首先使用5F04型高速攝像機(最大分辨率為2 320×1 720)確定大板的初裂時間,之后每隔15 min分別采用鋼尺測量裂縫長度、ZBL-F800裂縫綜合測試儀測量裂縫寬度．

(a) 大板模具示意圖

(b) 加速開裂試驗

2 結果與分析

2.1 膠凝材料水化熱

膠凝材料的水化放熱速率q和累計放熱量Q對混凝土早期開裂行為也存在顯著的影響．圖4對試件A、B和C中分別摻入水泥質量的66.7%、25.8%和26.4%的礦物摻合料組成的膠凝材料體系進行了水化熱分析．從曲線的經時變化可以看出,調整后試件A的膠凝材料最大放熱速率顯著低于試件B和C的,且放熱速率達到峰值時有一定程度上的延遲．另外,從累計放熱量的經時變化曲線也可以看出試件B和C的累計放熱量大于試件A的．主要是因為試件A摻入粉煤灰和礦渣粉替代部分水泥的比例均大于試件B和C,由摻合料的活性程度可知,粉煤灰和礦渣粉在水泥水化前期幾乎很少參與反應[13-14]．所以各試件中的膠凝材料在同體積下,試件A前期參與水化反應的水泥顆粒相對較少．因此,調整后的膠凝材料體系,有利于降低水化熱引起的溫度應力,進而從根本上降低了混凝土結構早期裂縫產生的可能性．

圖4 不同配合比膠凝材料水化放熱曲線

2.2 混凝土早期收縮行為

圖5為3個試件混凝土早期收縮曲線,可以看出試件A在30 h時收縮量只達到400×10-6,30～140 h時穩定維持在400×10-6～500×10-6．而試件B和C均在10 h時幾乎達到600×10-6,隨后分別相繼維持在600×10-6～1 100×10-6和600×10-6～900×10-6．其中,試件B在24 h后的收縮量相對試件A和C明顯加速升高;試件A在10、24、36、48、72 h各關鍵時間節點的收縮量分別為試件C和B的48%～52%和44%～62%．主要是因為試件A中的水泥摻量相對較少(表現為混凝土受到溫度應力的影響較低),而礦物摻合料較多,所以在早期水化過程中所消耗的水分和產生的毛細孔隙較少,導致收縮量相對較低．因此,經過膠凝材料組分及配合比綜合優化后的試件A具有顯著優越的體積穩定性,可明顯提升混凝土早期抗裂性能．

2.3 混凝土抗壓強度

圖6展示了試件A、B和C在不同養護齡期下的抗壓強度．可以看出,養護3 d時,試件B和C的抗壓強度大于試件A的．當養護至7 d時,試件A的抗壓強度反而大于試件B和C的．主要是因為試件A摻入大量的粉煤灰和礦渣粉,前期火山灰反應速率極低,對試件的抗壓強度貢獻較小,但有利于降低混凝土內部溫度應力而導致的開裂行為．7 d之后,粉煤灰和礦渣粉的火山灰效應逐漸被激發并與水泥水化產物反應生成水化硅酸鈣凝膠、硫酸鹽水化物、硅酸鈣晶體和氫氧化鈣等化合物,這些產物不僅能改善混凝土的內部結構,而且可以提高其抗壓強度,這與文獻[1,15]得出的結論相一致．此外,試件A的水膠比略小于試件B和C的,這在一定程度上降低了大孔隙出現的概率．對于試件B而言,28 d抗壓強度相對較低,除了摻合料摻量較低之外,小粒徑的碎石占比較低也是導致抗壓強度略低的原因．

圖5 混凝土早期收縮曲線

圖6 不同養護齡期下混凝土的抗壓強度

2.4 混凝土早期抗裂行為

表2總結了混凝土大板早期開裂行為的試驗結果,可以看出,試件A、B和C的初裂時間分別為28、18、23 min．隨后對3個試件進行為期60 min的裂縫測試,試件A、B和C的最大裂縫寬度和長度分別為0.385、0.539、0.486 mm和43、115、79 mm,說明試件A的早期抗裂性能優于試件B和C的．這與各試件膠凝材料水化放熱量有較大的相關性,即混凝土內部溫度過高產生了溫度應力[16],進而導致混凝土產生開裂現象,這也是試件A裂縫寬度小于試件B和C的原因之一,試件A的裂縫長度和寬度隨時間變化的形貌如圖7所示,為了清楚地觀察到裂縫隨時間的演化規律,該圖進行了二值化處理．另外,將本文研究的混凝土早期收縮和抗裂行為與文獻[17]報道中的相關數據結合發現,適量的礦物摻合料、良好的骨料級配和較低的水膠比是提高混凝土早期抗裂性能的主要因素．

表2 混凝土早期開裂行為及擬合Weibull分布參數

(a) 加速28 min

(b) 加速50 min

(c) 加速85 min

2.5 裂縫寬度演化概率模型

普通混凝土的開裂行為一直備受行業內研究者關注,其配合比設計、養護方式和周圍環境都是混凝土早期開裂的關鍵因素[18]．因此,為普通混凝土的可靠性設計和應用,本文引入了基于Weibull分布的建模方法[19]來描述混凝土早期開裂的概率性質．根據雙參數Weibull分布,混凝土早期開裂的累積分布函數為

Pf(w)=1-exp[-(w/λ)k]

(1)

式中：Pf(w)為失效概率,w為最大裂縫寬度,λ為Weibull分布的尺度參數,k為Weibull分布的形狀參數．

令f=1-Pf(w),得下式：

f=exp[-(w/λ)k]

(2)

對式(2)兩邊取兩次自然對數得

ln[ln(1/f)]=klnw-klnλ

(3)

整理式(3)得

(4)

令y=lnw,x=ln[ln(1/f)],a=1/k,b=lnλ,得y=ax+b,y與x可能存在線性關系,通過線性回歸分析計算出λ、k和相關系數r的值,見表2．根據上述方法,分別以x和y為橫縱坐標,通過最小二乘法對混凝土大板試件A、B、C的試驗數據進行線性回歸分析,得到回歸關系圖,如圖8所示,可以看出,各組試件的相關系數r均大于0.9,說明y與x呈一次線性關系,因而雙參數Weibull分布可以合理地描述混凝土早期開裂寬度．從各組圖中能明顯觀察到摻入級配較好的碎石、適量的礦物摻合料、高效穩定型減水劑的試件裂縫寬度在初裂后隨著失效概率的增加而增加,符合混凝土材料開裂的物理特性,即通過調整混凝土配合比開裂性能得到不同程度改善的客觀規律．由圖8可知：試件A、B和C在失效概率一定的情況下,試件B和C相較于試件A裂縫寬度提升最大,反而使得試件B和C配合比設計的增益作用最?。?/p>

(a) 試件A

(b) 試件B

(c) 試件C

圖9為混凝土早期開裂的Weibull分布(橫坐標N為裂縫數量),從圖中可以觀察到,隨著加速時間的增加裂縫寬度隨之增大．其中,試件A的裂縫寬度發展速率隨著加速時間的增加增長較緩慢,最大裂縫寬度到達600 μm左右時Weibull分布曲線達到平緩階段,即為試件A進入裂縫穩定擴展期．而試件B和C的裂縫寬度發展速率隨著加速時間的增加略有變快,尤其是試件C,這可能是由于高效穩定型減水劑摻量過多而導致拌和物出現泌水現象,所以在試驗加速前期大量的水分從試件表面快速蒸發,增大了其表面收縮開裂的速率．另外,從試件B和C的概率分布曲線來看,(900±50)μm和(800±50)μm兩者裂縫繼續大幅度擴展的概率較小,可視為最大裂縫擴展穩定期．

(a) 試件A

(b) 試件B

(c) 試件C

3 結 論

(1)試件A、B和C中分別摻入水泥質量的66.7%、25.8%和26.4%的礦物摻合料,由于水泥水化前期,粉煤灰和礦渣粉的活性較低,單位體積下各膠凝材料體系的水化放熱速率和累計放熱量從小到大依次為試件A、試件C、試件B．

(2)養護3 d時,試件B和C的抗壓強度大于試件A的,不同配合比的礦物摻合料對抗壓強度影響較大;7 d之后,試件B和C的抗壓強度小于試件A的,因為礦物摻合料的火山灰效應開始被激發,而且試件A的水膠比小于試件B和C的,使得試件A的抗壓強度反而大于試件B和C的．

(3)試件A、B和C的初裂時間分別為28、18、23 min,隨后在相同時間點下測試其最大裂縫寬度從小到達依次為試件A、試件C、試件B,說明試件A的早期抗裂性能好于試件B和C的,即適量的礦物摻合料、良好的骨料級配和較低的水膠比是調控混凝土早期抗裂性能的有效手段．

(4)混凝土早期開裂寬度隨時間變化的概率分布很好地服從雙參數Weibull分布．試件A、B和C穩定期的最大裂縫寬度分別維持在600、900、800 μm左右,說明在失效概率一定的情況下,試件B和C相較于試件A裂縫寬度提升,反而使試件B和C配合比設計的增益作用減?。?/p>