韓 松，安明喆，郭 瑞，劉 高

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心，北京 100088）

中國大量工程處于西北干燥地區(qū)，夏季炎熱和冬季嚴(yán)寒的氣候環(huán)境導(dǎo)致高強混凝土的早期養(yǎng)護(hù)難以保證.公路、鐵路、橋梁的墩臺箱梁部位以及大型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)多采用高強混凝土大體積澆筑，混凝土設(shè)計強度不斷提高，對現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)的要求也越來越嚴(yán)苛，養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的混凝土早期開裂現(xiàn)象將導(dǎo)致其耐久性顯著劣化［1－2］，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量.因此如何解決混凝土的早期開裂現(xiàn)象常常成為工程現(xiàn)場的關(guān)鍵施工技術(shù)問題［3］.

內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)從材料角度為混凝土在惡劣施工環(huán)境下的養(yǎng)護(hù)問題提供了解決途徑.其通過在混凝土中內(nèi)摻預(yù)吸水材料，在混凝土澆筑后的一段時間內(nèi)吸水材料釋放水分，使硬化中的水泥石得到養(yǎng)護(hù)［4］.現(xiàn)有內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料包括有機和無機兩種，有機材料主要為吸水樹脂等超吸水材料［5］，無機材料則主要為多孔陶粒［6］.目前研究多關(guān)注超吸水樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的力學(xué)性能和耐久性能的變化規(guī)律［7］，但多孔陶粒有其獨特的優(yōu)勢［8］.與超吸水樹脂不同，陶粒為無機材料，與混凝土界面結(jié)合較好，還可以一定比例替代粗骨料來降低結(jié)構(gòu)自重［9］，其抑制高性能混凝土早期自收縮效果優(yōu)于超吸水樹脂［10］.早期的內(nèi)養(yǎng)護(hù)研究較多關(guān)注預(yù)吸水輕質(zhì)陶粒和陶砂，著重研究無機內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對混凝土力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律及其作用機理［11］，對混凝土早期抗裂性能關(guān)注不足，且使用的多為強度C50以下的混凝土材料，摻和料用量也普遍較低，與目前橋梁與軌道交通等大型結(jié)構(gòu)工程中使用的高強高性能混凝土在原材料和配合比設(shè)計上有一定差距［12］.

本研究選取強度等級為C30和C60的2種大摻量礦物摻和料混凝土，使用預(yù)吸水陶粒進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù).在配合比設(shè)計保證和易性和力學(xué)性能的前提下，使用平板開裂試驗來研究內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用對混凝土早期抗裂性能的影響規(guī)律，并結(jié)合混凝土早期收縮試驗、絕熱溫升試驗和內(nèi)部濕度變化，討論陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用提高混凝土早期抗裂性能的微觀機理，為橋梁和鐵路工程中陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的應(yīng)用提供理論支持.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

C30混凝土采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積340m2／kg，初凝時間160min，終凝時間220min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比），燒失量0.5%.C60混凝土采用P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥，比表面積379 m2／kg，初凝時間122min，終凝時間160 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量29%，燒失量0.61%.配合比設(shè)計中的礦物摻和料包括：硅灰，密度2.214g／cm3，平均粒徑0.31μm，比表面積14 310m2／kg；Ⅰ級粉煤灰，密度2.1g／cm3，比表面積350m2／kg；S95級礦粉，密度2.9g／cm3，比表面積461m2／kg；細(xì)骨料為普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度2.62g／cm3，堆積密度1.62g／cm3；粗骨料為5～20 mm 連續(xù)級配的碎石，表觀密度2.68g／cm3，堆積密度1.50g／cm3.減水劑采用氨基磺酸鹽系高性能減水劑［13－14］，減水率29%，含固量31%，1h無坍落度損失.拌和水采用自來水.陶粒選取黏土陶粒，堆積密度298kg／m3，筒壓強度2.1MPa，飽和吸水率25.54%.參照工程中較為普遍的大摻量礦物摻和料的混凝土配合比，進(jìn)行C30與C60混凝土配合比設(shè)計.其中C30混凝土膠材總量360kg／m3，水膠比0.39，礦物摻和料用量40%，m（粉煤灰）∶m（礦粉）＝3∶1；C60混凝土膠材總量520kg／m3，水膠比0.25，礦物摻和料用量40%，m（粉煤灰）∶m（硅粉）∶m（礦粉）＝2∶1∶1.采用飽水陶粒等體積替代部分粗骨料配制內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土，其體積分?jǐn)?shù)分別為10%，20%和30%；通過減水劑摻量調(diào)節(jié)拌和物的和易性，使混凝土坍落度大于150mm，并盡量減少骨料上浮以滿足泵送要求.具體配合比設(shè)計見表1.

1.2 試驗方法

混凝土力學(xué)性能試驗依據(jù)GB／T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；混凝土抗裂性能選取平板約束早期塑性開裂試驗，參照GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，采用尺寸為800mm×600mm×100mm 的平面薄板型試件，內(nèi)設(shè)7根裂縫誘導(dǎo)器，每組2個試件.保持環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為60%.試件成型30 min 后，用電風(fēng)扇吹表面，風(fēng)速8m／s，觀察試件24h內(nèi)開裂情況，記錄第1條裂縫出現(xiàn)時間以及各條裂縫出現(xiàn)時間，并在澆筑后24h時，使用讀數(shù)顯微鏡讀取各條裂縫的開裂寬度和長度，計算總開裂面積.

表1 C30和C60內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土配合比Table 1 Mix proportions of C30and C60self－curing concrete kg／m3

配合平板開裂試驗，進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的早期收縮測量.由于混凝土塑性裂縫主要由混凝土澆筑后24h內(nèi)收縮引起，而常規(guī)收縮測量方法往往從初凝之后開始，無法與平板開裂試驗進(jìn)行比對，因此使用了鋼弦式應(yīng)變傳感器來測量混凝土材料的早期收縮，測量結(jié)果包含了初凝前的早期塑性收縮值.保持環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度為60%，成型100mm×100mm×400 mm 的棱柱體試塊，選用內(nèi)埋的JMZX－215HAT 高精度鋼弦式應(yīng)變傳感器，從澆筑時刻起即開始測量，每6h記錄1次傳感器的應(yīng)變值.該傳感器的響應(yīng)壓力小于1N，可以確保與混凝土共同收縮，因此測量結(jié)果包含混凝土早期的塑性收縮值，與平板開裂試驗結(jié)果可以進(jìn)行比對.

使用混凝土絕熱溫升試驗表征內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用對大體積澆筑混凝土的影響.依照DL／T 5150—2002《水工混凝土試驗規(guī)程》，采用NJ－JRWS混凝土絕熱溫升試驗系統(tǒng)，測量內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土96h的絕熱溫升變化.成型100mm×100mm×100mm 的立方體試塊，選取SHT75溫濕度傳感器在試件中心內(nèi)埋，使用SCTH2001數(shù)據(jù)采集器，從澆筑時刻起連續(xù)測量內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的內(nèi)部相對濕度變化.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的力學(xué)性能

測定各配合比混凝土的坍落度和抗壓強度，結(jié)果見表2.隨著陶粒摻量（體積分?jǐn)?shù)，下同）的增加，C30和C60 混凝土抗壓強度均有一定降低.其中，C60－3混凝土抗壓強度明顯低于C60其他兩組，這說明C60混凝土中飽水陶粒摻量達(dá)到30%時，材料抗壓強度下降十分迅速，已不能滿足混凝土強度的要求.因此在后續(xù)試驗中，C60混凝土中飽水陶粒最大摻量僅取到20%.

2.2 預(yù)吸水陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的抗裂性能

使用平板開裂試驗研究各配合比混凝土試件的早期抗裂性能.參照GB／T 50082—2009，每組配合比成型2個試件，記錄試件24h裂縫出現(xiàn)時間、最終寬度和最終長度，結(jié)果如表3 所示.試驗發(fā)現(xiàn)C30－2與C60－2混凝土在24h內(nèi)未出現(xiàn)裂縫.陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土24h開裂面積和第1條裂縫出現(xiàn)時間對比情況如圖1所示.對于帶有裂縫誘導(dǎo)器的混凝土試件，澆筑后吹風(fēng)24h條件下，大部分試件均有不同程度的開裂.對于C30混凝土，隨著陶粒替代粗骨料比例的增加，混凝土早期開裂受到顯著抑制，表現(xiàn)為開裂面積減小，初始開裂時間延后；C30－2試件在24h內(nèi)未出現(xiàn)裂縫，但C30－3試件又出現(xiàn)了單條的貫穿裂縫，這表示飽水陶粒替代粗骨料存在最佳比例.一方面，由于陶粒會不可避免出現(xiàn)一定程度的上浮，當(dāng)飽水陶粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時，上浮陶?？赡苁贡韺踊炷列再|(zhì)發(fā)生較大改變，導(dǎo)致混凝土在平板開裂試驗中重新出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象；另一方面，結(jié)合表2 中混凝土抗壓強度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)內(nèi)養(yǎng)護(hù)陶粒降低了混凝土的強度發(fā)展，過高摻量的陶粒導(dǎo)致材料強度降低，也可能加劇早期收縮引起的開裂.對于C60混凝土，飽水陶粒也顯著抑制了混凝土的早期開裂，摻有飽水陶粒的C60內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土早期開裂面積明顯下降，開裂時間延后.摻量為20%的飽水陶粒能夠使混凝土早期不出現(xiàn)開裂，內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用明顯.

表2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of self－curing concrete

表3 混凝土24h早期裂縫匯總Table 3 Early shrinkage cracks of concrete in 24h

圖1 各組混凝土24h開裂面積Fig.1 Early shrinkage cracks of each concrete in 24h

由表3可見，陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)能夠顯著改善混凝土早期的抗裂性能，但當(dāng)陶粒摻量達(dá)到30%以上，不僅對混凝土抗壓強度造成較大不利影響，還會出現(xiàn)抗裂性能下降的趨勢.對于C30 和C60 混凝土，20%的飽水陶粒是比較合理的內(nèi)養(yǎng)護(hù)摻量，能夠明顯抑制混凝土的早期開裂，減少塑性裂縫的產(chǎn)生.

2.3 預(yù)吸水陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的早期收縮

配合平板開裂試驗進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的早期收縮測量.本研究使用鋼弦式應(yīng)變傳感器來測量初凝前混凝土的早期塑性收縮值，結(jié)果如圖2所示.由圖2可見，隨著成型時間的推移，各組混凝土試件的收縮值不斷增加，初始收縮增加速率較快，24h后，收縮速率開始有所緩和，48h時，混凝土早期化學(xué)減縮基本完成，后期的干燥收縮發(fā)展速率較為緩慢.從收縮曲線來看，隨著飽水陶粒摻量的增加，C30和C60混凝土96h的收縮量均有明顯降低，而且在48h之后的收縮速率（后半段曲線的斜率）也有一定下降.說明飽水陶粒不僅能夠減緩混凝土早期的化學(xué)減縮，也明顯抑制了混凝土初凝之后的干燥收縮發(fā)展速率，顯著降低了混凝土的早期收縮值.對于C30混凝土，C30－2和C30－3這2 個配合比混凝土的收縮曲線相差較小，說明當(dāng)飽水陶粒摻量達(dá)到20%之后，再增加飽水陶粒進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)，對早期收縮的抑制作用不大.因此，20%即為飽水陶粒對粗骨料較合適的替代量.對于C60 混凝土，20%飽水陶粒也是一個較合適的替代量.在飽水陶粒替代20%粗骨料進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用下，C30混凝土96h內(nèi)的收縮值從370×10－6降至170×10－6；C60混凝土96h內(nèi)的收縮值從600×10－6降至250×10－6.這一結(jié)果與平板開裂試驗結(jié)果較吻合.因此，飽水陶粒的摻入能夠通過內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用減緩混凝土的化學(xué)減縮，抑制干燥收縮，從而明顯降低混凝土早期收縮值，降低材料早期的開裂風(fēng)險，提高混凝土的抗裂性能.

圖2 各組混凝土的早期收縮Fig.2 Early shrinkage of each concrete

2.4 預(yù)吸水陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的內(nèi)部濕度

基于飽水陶粒的內(nèi)養(yǎng)護(hù)機理，配合抗裂和收縮試驗結(jié)果，測量混凝土材料內(nèi)部相對濕度隨混凝土齡期的變化.采用各個配合比同齡期的立方體試件內(nèi)埋濕度傳感器，試驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 各組混凝土內(nèi)部相對濕度變化Fig.3 Internal relative humidity change of each concrete

由圖3可見，混凝土從澆筑時刻起，試件內(nèi)部相對濕度呈現(xiàn)快速下降趨勢，C30 混凝土在澆筑后15d降至最低值，約為76%；而C60 混凝土在澆筑9d后即降至最低值，約為73%.由于C60混凝土配合比中膠凝材料用量高，試件早齡期內(nèi)部相對濕度降低速率較快，降低幅度較大，也說明其膠凝材料早期水化引發(fā)的自干燥作用較強烈，與抗裂試驗的結(jié)果能夠相互印證.

隨著飽水陶粒替代粗骨料比例的增加，試件內(nèi)部相對濕度的降低幅度與下降速率不斷減小，在C30混凝土中，摻量為30%的飽水陶粒能夠在15d內(nèi)提高試件內(nèi)部7%的相對濕度；而在C60混凝土中，摻量為20%的飽水陶粒能夠在9d內(nèi)提高試件內(nèi)部5%的相對濕度.在48h之內(nèi)，飽水陶粒也能夠明顯提高材料的內(nèi)部濕度場，抑制膠凝材料水化引起的自干燥作用，改善水泥漿體早期的水化環(huán)境，內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果十分明顯.

2.5 預(yù)吸水陶粒自養(yǎng)護(hù)混凝土的早期絕熱溫升

圖4 各組混凝土早期的絕熱溫升Fig.4 Adiabatic temperature rise of each concrete

對于大體積混凝土，早期水化溫升往往是造成其開裂的重要原因.降低絕熱溫升也是大體積混凝土抑制早期開裂的重要方面.在平板抗裂試驗和早期收縮試驗的基礎(chǔ)上，選取了C30和C60兩種混凝土的基礎(chǔ)配合比和20%飽水陶粒替代粗骨料的配合比，測定各組混凝土在96h內(nèi)的絕熱溫升，結(jié)果如圖4所示.由于配合比設(shè)計的差異，C60混凝土中膠凝材料量高于C30混凝土，因此，C60混凝土96h內(nèi)的絕熱溫升也明顯高于C30混凝土.對比C30－0與C60－0這2種配合比混凝土的絕熱溫升曲線可見，在澆筑10h內(nèi)，兩試件的水化溫升均增長較慢；C30混凝土試件在10～60h 時內(nèi)部溫度從28℃提高到了57 ℃，之后呈緩慢上升趨勢，96h內(nèi)部溫度約為60 ℃；而C60 混凝土試件在10～30h內(nèi)部溫度是從30℃提高到了68℃，之后趨于平穩(wěn)，96h試件內(nèi)部溫度約為72 ℃.對比C30 混凝土試件，C60混凝土試件的絕熱溫升增長速率較快，幅度較大，持續(xù)時間較短，大體積混凝土澆筑時，由于水化放熱溫度升高引起的開裂風(fēng)險明顯高于C30混凝土.

使用20%飽水陶粒替代粗骨料，C30和C60混凝土的絕熱溫升均有明顯下降，放熱曲線向后推移，絕熱溫升增長速率有所緩和.在96h 時，C30 混凝土絕熱溫升降低了3.34℃，C60混凝土絕熱溫升降低了4.02℃.說明飽水陶粒的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用能夠降低混凝土早期的絕熱溫升，延緩材料的水化放熱過程，對改善大體積混凝土早期的抗裂性能有一定的幫助.

2.6 試驗結(jié)果分析與討論

混凝土的塑性開裂主要由材料的早期收縮引起.混凝土的早期收縮包含膠凝材料水化產(chǎn)生的化學(xué)減縮、水分遷移引起的干燥收縮以及膠凝材料水化導(dǎo)致混凝土內(nèi)部自干燥作用引發(fā)的次生干燥收縮［15］；對于大體積澆筑的混凝土材料，還會受到水化溫升導(dǎo)致的溫度變化影響.

根據(jù)試件內(nèi)部相對濕度試驗結(jié)果，飽水陶粒在混凝土澆筑之后會慢慢釋放水分，減緩試件內(nèi)部濕度在混凝土早齡期的快速下降，達(dá)到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)的效果.這一作用效果隨著陶粒摻量的增加而提高.由于混凝土早齡期內(nèi)部濕度的提高，減少了由水分遷移引起的干燥收縮，也抑制了自干燥作用引發(fā)的次生干燥收縮；另一方面，內(nèi)養(yǎng)護(hù)改變了膠凝材料的早期水化環(huán)境，從絕熱溫升結(jié)果來看，內(nèi)養(yǎng)護(hù)能夠推遲膠凝材料早期的水化放熱峰，延緩膠凝材料早期的快速水化過程，這一作用能夠延緩膠凝材料水化產(chǎn)生的化學(xué)減縮，也能夠幫助抑制膠凝材料水化導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部自干燥作用.同時，陶粒內(nèi)部水分的熱容較大延緩了溫升，也使得大體積混凝土的絕熱溫升有一定的下降，飽水陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)能夠明顯降低混凝土早期的絕熱溫升值，并延緩水泥水化加速期試件內(nèi)部溫度的快速升高過程，對大體積混凝土早期抗裂有改善作用.這些作用共同導(dǎo)致了混凝土早期收縮的降低，與自由收縮試驗結(jié)果能夠相互印證.

飽水陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)通過減緩早齡期試件內(nèi)部濕度的快速下降、改善膠凝材料水化環(huán)境的作用，降低了混凝土早期的干燥收縮和化學(xué)減縮，進(jìn)而提高了混凝土材料的抗裂性能.結(jié)合平板開裂試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著內(nèi)養(yǎng)護(hù)陶粒摻量的增加，內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果逐漸明顯，混凝土早期抗裂效果逐漸提升.結(jié)合力學(xué)性能來看，飽水陶粒替代粗骨料摻量存在最佳比例，在本研究的C30和C60兩個配合比的混凝土材料中，最佳替代比例均為20%.在此替代比例下，混凝土的力學(xué)性能略有下降，早期抗裂性能則有明顯提高，絕熱溫升和早期收縮也得到了明顯的改善.

3 結(jié)論

（1）在混凝土中使用飽水陶粒替代部分粗骨料，能夠減少混凝土材料的早期收縮，降低大體積混凝土內(nèi)部的水化溫升，有效提高混凝土早期的抗裂性能，達(dá)到顯著的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果.

（2）飽水陶粒通過減緩早齡期試件內(nèi)部濕度的快速下降，改善了膠凝材料水化環(huán)境；同時，提高試件內(nèi)部濕度有效抑制了膠凝材料水化過程引發(fā)的自干燥作用，降低了混凝土材料早期收縮，從而提高了混凝土材料的抗裂性能.

（3）存在飽水陶粒替代粗骨料的最佳比例.在本研究的C30 與C60 混凝土中，最佳替代比例均為20%.在此替代比例下，C30與C60內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土平板開裂試驗24h無裂縫產(chǎn)生，96h內(nèi)的早期收縮減少約50%，混凝土絕熱溫升降低3～4℃，而混凝土強度略有下降.混凝土飽水陶粒內(nèi)養(yǎng)護(hù)替代粗骨料的比例應(yīng)低于30%，以避免對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響.

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