加掺合料高性能混凝土早龄期收缩特性

    混凝土收缩的研究一直受到国内外学术界和工程界的重视，因为实际工程中处于不同约束状态下的混凝土结构往往因收缩大而产生开裂，从而对结构安全性和耐久性构成威胁^{[ 1 ，2 ]}。 过去，人们都认为收缩是一个长期性能，国标中对收缩的测量一般都是从标养3 d 后开始的；近年来，水泥标号越来越高，混凝土强度和密实度大为提高，混凝土的后期收缩相对减小，更多的收缩发生在早期，从而引发了工程中越来越多的早期开裂现象。尤其对于低水胶比的高性能混凝土，因其自生收
缩大且主要发生在早期，对于早期收缩的研究可能比随后测到的收缩更为重要^{[3 ]}。

    加入矿物掺合料代替部分水泥是配制高性能混凝土最常用方法，而关于矿物掺合料对高性能混凝土早龄期收缩的影响研究还不多，一些研究结果之间还存在明显分歧。 本文将采用新研制的智能型非接触式微位移传感器法^[4] ，测量加入不同掺合料高性能混凝土从6 h(相当于初凝) 时开始到3 d 龄期内的自生收缩与单面干燥条件下的总收缩，以及在此干燥条件下混凝土试件的重量损失。

    牡丹江水泥厂生产的P. O42.5 普通硅酸盐水泥. 掺合料使用挪威埃肯公司生产硅灰，深圳第二电厂Ⅰ 级粉煤灰和鞍山钢铁集团产磨细矿渣粉. 粗骨料采用石灰岩质碎石， Dmax = 20 mm ， 连续级配，压碎指标为4.9 % ， 含泥量< 110 % ; 砂子为松花江江砂，细度模数为2182 ， 属中砂、Ⅱ 区级配. 减水剂采用萘系高效减水剂M100 ， 减水率为25 %～35 %.

    试验中仅考虑掺合料等质量取代部分水泥单一因素作用，所有配比的混凝土胶凝材料总用量固定为520 kg/m³，水胶比固定为0.3 ， 砂率固定为0.38 ， 通过减水剂用量使新拌混凝土坍落度控制在18～ 22 cm 范围内，共设计了基准混凝土(Control) 、掺入硅灰5 %(SF5) 和10 %(SF10) 、掺入粉煤灰20 %(FA20) 和40 %(FA40) 、掺入磨细矿渣粉20 %(SL20) 和40 %(SL40) 七个配比的混凝土，具体配合比及相对应的坍落度、抗压强度值见表1。

    对于混凝土早期收缩的测量，各国还没有统一标准可依，本文采用新研制的智能型非接触式微位移传感器法收缩测量仪，具体试验方法见文献^{[4 ]}。测量的初始龄期选为混凝土浇注成型6h(接近初凝)，这是由于低水胶比的混凝土在初凝后便开始产生自生收缩，而在此之前混凝土因收缩而产生的裂缝可通过二次抹面等措施消除，但在初凝后混凝土中如果出现宏观裂缝就很难消除，即初凝后的收缩为有害收缩。采用试件尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm， 每种混凝土同时成型6 个的试件，两个测量密封条件下的收缩(室温20 ±0.5 ℃，完全密封与外界无湿度交换) 、两个测量干燥环境下的收缩(只将试件成型面暴露于干燥环境中，即20 ±0.5 ℃， RH = 50 ±5 %) ；另外两个分别用来测量混凝土在密封、干燥环境中内部温度变化情况。假设混凝土温度膨胀系数为10 ×10^-6/ ℃，结合以上几个测量值即可换算出恒温条件下混凝土的早期自生收缩和总收缩值^{[6 ]。}同时还测量了混凝土在密封及单面干燥条件下的重量损失情况。

    各混凝土的自生收缩测量结果如图1 ， 可见， 掺硅灰对混凝土1 d 内自生收缩基本无影响，而1 d 后掺硅灰混凝土收缩开始加快，超过了基准混凝土，到3 d 时掺5 % 、10 % 硅灰使混凝土自生收缩分别增加了618 % 和10 %. 这是因为1 d 龄期内硅灰主要发挥细颗粒物理填充作用，化学活性并不显著；而1 d 之后这两种效应共同作用的结果。与基准混凝土相比，随着粉煤灰掺量的增多， 混凝土早期自生收缩明显减小。 粉煤灰掺量20 % 、40 % 使混凝土1d 时自生收缩分别减小了29.7 % 、45 % ；3 d 时自生收缩减小率分别为20.5 % 、38.1 %，可见掺入粉煤灰对早龄期内自生收缩的降低作用显著，这将有利于防止或减轻混凝土早期开裂。

                         

     通常认为细度大于4000 cm²/g 的磨细矿渣掺入后会增大混凝土自生收缩[5] ，但试验结果是从1 d 龄期开始测量得到的。从本试验结果看，由于矿渣的掺入对混凝土有一定的缓凝作用，在开始测量的几个小时里，掺矿渣混凝土自生收缩值小于基准混凝土，且掺量越多收缩越小；1 d 后掺量20 % 的混凝土自生收缩值开始超过基准混凝土，而掺量40 % 的混凝土由于产生泌水现象，开始时的收缩值非常小甚至有微膨胀现象^[6] ，其自生收缩在整个测量期间均远小于基准混凝土；到3 d 时掺入矿渣20 % 、40 % 的混凝土自生收缩值分别为基准混凝土的110.6 % 、54.6 %。

     由以上分析可见，各掺合料对混凝土早期自生收缩的影响比较复杂，与掺合料种类、掺量和龄期等因素相关. 而抗压强度能在一定程度上反映出胶凝材料的水化程度，Eurocode prEN 提议用混凝土抗压强度来预测混凝土自生收缩值[7 ] 。为了能用一个简单变量预测出掺合料对同水胶比混凝土自生收缩的影响，将同一龄期的加掺合料混凝土与基准混凝土的抗压强度比与自生收缩值比进行回归分析(如图2) ，发现两者之间有很好的线性关系： εa/εa0 = A ( f c/ f c0) + B [1 ]。 式中：εa 、εa0分别为加与不加掺合料时混凝土的自生收缩值(10- 6) ；f c 、f c0 分别为加与不加掺合料混凝土的抗压强度值(MPa) 。

               

 

    由于实际工程中早期养护不当的混凝土绝大多数只是处于单面干燥状态下，因而本试验中只是将混凝土试件成型面置于干燥环境中，其他侧面密封的条件下测量棱柱体试件沿中心轴向的收缩值. 从试验结果图3 可见，在整个试验期间，掺与不掺硅灰混凝土总收缩值相差仅在10 % 范围内，到3 d 时掺硅灰混凝土总收缩值比基准混凝土大约6 % ， 因此，掺硅灰对混凝土早期干燥条件下的总收缩值影响不大。

    由于明显地减小了早期自生收缩，掺粉煤灰混凝土的总收缩值均低于基准混凝土;但由于粉煤灰混凝土强度发展较慢，混凝土早期密实度低于基准混凝土，因而其在干燥条件下的水分散失率较大，使得其对总收缩值的降低不如自生收缩明显，到3 d 时，掺40 % 粉煤灰混凝土总收缩值仅比基准混凝土降低约5.4 %。

    在开始测量的6～8 h 内，掺矿渣混凝土的总收缩值小于基准混凝土，而且掺量越大的混凝土收缩值越小。这是由于在此期间矿渣混凝土自生.收缩值较小，同时因其表面泌水能够及时地补充水分蒸发，从而混凝土内部向外的水分迁移和由此带来的相对湿度降低还不明显。随后，由于强度发展缓慢且矿渣的保水性不好，掺矿渣混凝土中水分的不断散失以及相对应自生收缩增长速度的加快使总收缩值增长速率加快，逐渐超过了基准混凝土1 d 龄期时，掺量20 % 、40 % 矿渣混凝土的总收缩值比基准混凝土均高约13.7 %；3 d 龄期时，分别高出18.7 % 和32.6 %。

    对于低水胶比的高性能混凝土，不能将其在干燥条件下的收缩简单地归为干燥收缩，而是自生收缩与干燥收缩共同作用的结果。尽管早期干燥引起的水分散失会在一定程度上影响到混凝土自生收缩，这时混凝土的实际自生收缩值小于密封条件下的自生收缩^{[ 8 ]}。但通常还是用测量到的混凝土在干燥条件下的总收缩εt 与密封条件下的自生收缩值εa 相减来评价干燥收缩εd =εt -εa 。

    图4 为用上述方法换算出的各混凝土干燥收缩值。可见，干燥收缩主要发生在开始的6～10 h 内，之后随着混凝土密实度的提高和强度的增长， 收缩逐渐趋于平稳；由于掺40 % 矿渣的混凝土早期强度发展很慢，结构不致密，且保水性差，因而其干燥收缩发展速度很快，直到1 d 后才逐渐趋于缓和. 各掺合料混凝土与基准混凝土相比，掺硅灰混凝土干燥收缩与基准混凝土基本相同;掺粉煤灰混凝土早期干燥收缩大于基准混凝土30 %～ 40 % ， 而两种不同掺量的混凝土相比差别不大；掺矿渣混凝土早期干燥收缩明显高于基准混凝土， 且掺量越大收缩越大，3 d 时掺量20 % 、40 % 的矿渣混凝土干燥收缩比基准混凝土分别高出30 % 、130 % ， 其中掺矿渣40 % 的混凝土由于泌水量较多，而且出现明显地缓凝现象，因而早期干燥收缩异常地大。

    各混凝土早期干燥收缩与试件中水分散失率间的关系如图5 所示，其中掺矿渣40 %的混凝土因结构形成缓慢收缩异常偏大，此图中没有列出它的数据点。 可见，混凝土水分散失率越大，早期干燥收缩值也越大，干燥收缩与试件的水分散失率间存在近似的对数关系εd = Cln (wl) + D(3). 式中：wl 为试件在干燥条件下的水分散失率，其值等于：试件的重量损失/ 试件中初始总用水量× 100 ， (%)；C 、D为常数。图5 中的回归曲线与试验数据点相关性较好。

 

    1) 硅灰的加入不会增加混凝土早期干燥收缩，但对早期自生收缩略有增大作用. 粉煤灰的掺入能大幅度地降低混凝土早期自生收缩，但也会降低混凝土早期强度，从而增大了早期干燥收缩， 使其对干燥条件下混凝土的总收缩值降低并不明显. 因而工程中宜采用复合掺入的方式以抵消单一掺合料带来的负面影响；

    2) 磨细矿渣对混凝土早期收缩的影响与掺量、龄期等有关，掺量较小时会增加1 d 后自生收缩，掺量较多时因强度发展缓慢，能明显降低自生收缩，但却对早期干燥收缩不利，使得混凝土在干燥条件下的总收缩值反而大于基准混凝土，因而应对此类混凝土加强早期保湿养护；

    3) 与同水胶比的基准混凝土相比，加掺合料混凝土早期自生收缩比与其抗压强度比之间存在很好的线性关系；

    4) 对于同水胶比的混凝土，早期干燥收缩与试件的水分散失率间呈近似的对数函数关系。

[1] 巴恒静， 高小建. 约束条件下高性能混凝土的早期开裂[J ]. 混凝土， 2002(5) ： 3 -6.

[2] 高小建， 巴恒静. 混凝土结构耐久性与裂缝控制中值得探讨的几个问题[J ]. 混凝土， 2001(11) ： 12 -13.

[3] TAZAWA E ， MIYAZAWA S. Influence of cement and ad2 mixture on autogenous shrinkage of cement paste[J ]. Cement and Concrete Research ，1995 ， 25(2) ： 281 -287.

[4] 巴恒静， 高小建， 杨英姿. 高性能混凝土早期自收缩测试方法研究[J ]. 工业建筑， 2003 ， 33(8) ：1 -4.

[5]L IM S N ， WEE T H. Autogenous shrinkage of ground2 granulated blast2furnace slag concrete [J ]. ACI Materials Journal ， 2000 ， 97(5) ： 587 -593.

[6]BREU GEL K V. Numerical modeling of volume changes at early ages2potential ， pitfalls and challenges[J ]. Materi2 als and Structures ， 2001 ， 34(5) ： 293 -301.

[8] 高小建， 巴恒静， 祁景玉. 混凝土水灰比与其早期收缩关系的研究[J]. 同济大学学报， 2004 ， 32(1) ：67 -71.