樓瑛，羅素蓉

(1．福州大學(xué)陽(yáng)光學(xué)院土木工程系，福建福州 350015;2．福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116)

0 引言

自密實(shí)混凝土是高性能混凝土的一個(gè)重要發(fā)展方向，具有高流動(dòng)性，不離析，良好的均勻性和穩(wěn)定性，澆注時(shí)依靠其自重流動(dòng)，無(wú)需振搗而達(dá)到密實(shí)，解決了傳統(tǒng)混凝土施工中的漏振、過(guò)振以及鋼筋密集排列難以振搗等問(wèn)題，可保證鋼筋、預(yù)埋件、預(yù)應(yīng)力孔道的位置不因振搗而移位，是一種具有高工作性能的混凝土［1－4］．

自收縮(autogenous shrinkage)是指混凝土在不與外界發(fā)生水分交換條件下，因膠凝材料水化消耗漿體內(nèi)部的水分，使自身相對(duì)濕度減少而引起的收縮，它從混凝土初凝后就開(kāi)始產(chǎn)生［5］，并在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生．自收縮是現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂的一個(gè)顯著影響因素，早期微裂往往是后期宏觀開(kāi)裂的開(kāi)始，會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性甚至安全性產(chǎn)生極為不利的影響．近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自收縮開(kāi)展了許多研究．日本、法國(guó)、荷蘭等國(guó)家和地區(qū)的研究人員對(duì)高性能混凝土的自收縮測(cè)定方法、影響因素、產(chǎn)生機(jī)理、力學(xué)模型等方面進(jìn)行了較為廣泛的研究，但對(duì)自密實(shí)混凝土的研究主要從配合比優(yōu)化入手，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)質(zhì)量控制、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、工程應(yīng)用等方面展開(kāi)．在理論研究方面如自密實(shí)混凝土自收縮的測(cè)量方法、影響因素的數(shù)量及程度和預(yù)測(cè)模型等問(wèn)題研究較少［6－9］．在總結(jié)以往自收縮試驗(yàn)方法并考慮現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和客觀因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自密實(shí)混凝土自收縮試驗(yàn)方法，得出了較為準(zhǔn)確的粉煤灰單摻、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量、水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮的影響規(guī)律，提出了自密實(shí)混凝土的自收縮計(jì)算模型．

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)配合比

依據(jù)CCES 02—2004自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南［10］，根據(jù)原材料的類型和性能，對(duì)試驗(yàn)所用的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)了14組混凝土試件進(jìn)行自收縮試驗(yàn)，研究粉煤灰單摻、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量和水膠比四個(gè)摻量對(duì)混凝土自收縮性能的影響，分別設(shè)計(jì)以粉煤灰摻量為0%、18%、36%和54%的混凝土配合比、粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例為4∶1、3∶2、2∶3和1∶4的混凝土配合比，膠結(jié)料用量為500、550和600 kg·m－3的混凝土配合比和水膠比為0．28、0．32、0．36和0．42的混凝土配合比進(jìn)行自收縮試驗(yàn)研究．標(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸均為100 mm×100 mm×515 mm，每批試驗(yàn)成型11個(gè)試件，每組配合比成型3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，共澆注了42個(gè)試件，測(cè)量時(shí)間均為70 d．自密實(shí)混凝土配合比見(jiàn)表1．

表1 自密實(shí)混凝土配合比Tab．1 The mixture ratio of self－compacting concrete

1．2 試驗(yàn)設(shè)備

自收縮澆注裝置為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試模，試模的四個(gè)側(cè)板與底板用緊固螺栓連接，測(cè)定裝置由金屬測(cè)頭、電渦流位移傳感器、電熱偶、IMP數(shù)據(jù)采集儀和普通計(jì)算機(jī)五個(gè)部分組成，如圖1所示．采用的試驗(yàn)方法是在試件澆注完成后養(yǎng)護(hù)1 d拆模．實(shí)驗(yàn)室自收縮試驗(yàn)裝置如圖2所示．

圖1 自收縮試驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 The schematic diagram of the autogenous shrinkage test

圖2 自收縮試驗(yàn)Fig．2 The autogenous shrinkage test

2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)自密實(shí)混凝土自收縮試驗(yàn)，研究粉煤灰單摻、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量、水膠比四個(gè)配合比參數(shù)對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮的影響．

2．1 粉煤灰摻量

圖3給出考慮粉煤灰單摻影響對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮應(yīng)變隨齡期的變化關(guān)系．從圖3可以看出:自密實(shí)混凝土的自收縮呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，自收縮值在早期增長(zhǎng)較快，之后發(fā)展平穩(wěn)，其增長(zhǎng)速度隨齡期的增加而略有降低，直到齡期60 d時(shí)，自收縮值才趨于穩(wěn)定．齡期為14 d的混凝土自收縮是其齡期為60 d時(shí)的35%左右;齡期為28 d時(shí)，這個(gè)比例為50%左右，這說(shuō)明自密實(shí)混凝土自收縮的發(fā)展在整個(gè)齡期發(fā)展相對(duì)平穩(wěn)．可見(jiàn)前60 d都是減少自密實(shí)混凝土自收縮的關(guān)鍵時(shí)期．

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著粉煤灰摻量的增加，同齡期下自密實(shí)混凝土的自收縮減小，60 d齡期時(shí)，粉煤灰摻量分別為0%、18%、36%、54%的SCC－1、SCC－2、SCC－3、SCC－4自收縮值分別為1．95×10－4、1．68×10－4、1．51 ×10－4、1．33 ×10－4，粉煤灰摻量為18%、36%和54%的自收縮較基準(zhǔn)混凝土的自收縮值分別減少了13．8%、22．6%、31．8%，由此可見(jiàn)，粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土的自收縮，有明顯的改善作用．究其原因有如下2個(gè)因素:1)在保持早期用水量和水膠比不變的情況下，在混凝土中摻加粉煤灰，相當(dāng)于降低水泥用量．而由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，使得早期單位體積混凝土中水化產(chǎn)物的數(shù)量減少，改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu);2)粉煤灰摻量增加后，由于粉煤灰早期活性低、水化慢，粉煤灰顆粒對(duì)水化物的填充效果較好，起到支撐作用，從而減少了自密實(shí)混凝土的自收縮．

圖3 不同粉煤灰摻量對(duì)混凝土自收縮的影響Fig．3 The influence of different fly ash volume on autogenous shrinkage

2．2 粉煤灰與礦渣復(fù)摻

圖4給出考慮單摻粉煤灰和粉煤灰與礦渣復(fù)摻時(shí)對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮應(yīng)變隨齡期影響的變化關(guān)系．由圖4可知，混凝土的自收縮呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)．在摻合料用量相同的條件下，齡期為28 d時(shí)，單摻粉煤灰和粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例為2∶1的SCC－4和SCC－5自收縮值分別為7．7×10－5、5．3×10－5，在齡期為60 d時(shí)，其自收縮值分別為1．33×10－4、8．7×10－5，復(fù)摻的自收縮較單摻混凝土的自收縮分別降低了30%和35%，可見(jiàn)，粉煤灰與礦渣復(fù)摻可以顯著降低混凝土的自收縮．究其原因有如下2個(gè)因素:①礦渣和粉煤灰的水化進(jìn)程有互補(bǔ)作用和其協(xié)同效應(yīng)．由于礦渣中的CaO含量較高，其析出的CaO可促進(jìn)粉煤灰顆粒周圍的C－S－H凝膠、AFt(有石膏存在時(shí))的形成，從而促進(jìn)粉煤灰顆粒中的鋁、硅相的溶解，使水化液相中的鋁、硅濃度增加，又可增加礦渣的水化過(guò)程．②礦物摻合料和水泥顆粒間的復(fù)合微集料效應(yīng)可以進(jìn)一步改善混凝土的性能，從而使得混凝土的自收縮值會(huì)隨著粉煤灰與礦渣的復(fù)摻而降低．

圖5為粉煤灰和礦渣不同復(fù)摻比例對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮的影響曲線．由圖5可知:粉煤灰與礦渣復(fù)摻時(shí)，自密實(shí)混凝土的自收縮呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，自收縮在早期增長(zhǎng)較快，且其增長(zhǎng)速度隨齡期的增加而有所降低，在66 d齡期后，混凝土增長(zhǎng)速度趨于平穩(wěn)．

從圖5中可以看出，在粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例在4∶1、3∶2和2∶3時(shí)，混凝土自收縮隨著復(fù)摻比例的減小而減小，而當(dāng)復(fù)摻比例為1∶4時(shí)，混凝土自收縮反而增大．在28 d齡期時(shí)，粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例分別為4∶1、3∶2、2∶3和1∶4的SCC－6、SCC－7、SCC－8、SCC－9自收縮值分別為1．35×10－4、1．14×10－4、9．3×10－5和6．0×10－5，復(fù)摻比例為2 ∶3的混凝土自收縮分別較復(fù)摻比例為4 ∶1和3 ∶2的混凝土降低了16%和67%，復(fù)摻比例為1∶4的混凝土較復(fù)摻比例為2∶3的自收縮增大了72%．究其原因有如下3個(gè)因素:①在粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例不小于0．67時(shí)，由于礦渣粉和粉煤灰的水化進(jìn)程有互補(bǔ)作用和協(xié)同效應(yīng)，水化過(guò)程不斷地進(jìn)行，水化物的致密性較好，水化物較多，并且可以改善混凝土的顆粒級(jí)配，未水化的礦渣粉與粉煤灰顆粒，能夠更有效地填充水泥顆粒水化產(chǎn)生的孔隙，有利于混凝土內(nèi)部堆積密度的提高，使孔隙細(xì)化并減少孔隙率，這樣混凝土的致密性更好，混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度較高;②礦渣粉、粉煤灰與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)形成CSH凝膠，使界面區(qū)的Ca(OH)2晶粒變小，并降低了其在界面區(qū)的取向程度，使骨料界面區(qū)的粘結(jié)力增強(qiáng)，界面區(qū)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)得到改善，使自密實(shí)混凝土抵抗收縮的能力得到加強(qiáng);③礦渣粉和粉煤灰的存在，使得二次水化反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生更多六方柱狀的AFt，可以有效地補(bǔ)償自密實(shí)混凝土的自收縮．此外，當(dāng)粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例降低到0．25時(shí)，由于礦渣具有比粉煤灰更高的潛在活性，促進(jìn)水泥水化，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部自由水分迅速減少，反而導(dǎo)致了自收縮增加．

圖4 SCC4、SCC5自收縮值發(fā)展曲線Fig．4 The autogenous shrinkage development curve with SCC4，SCC5

圖5 粉煤灰與礦渣復(fù)摻對(duì)混凝土自收縮的影響Fig．5 The influence of fly ash and slag re － mixed on autogenous shrinkage

2．3 膠結(jié)料用量

考慮膠結(jié)料用量影響時(shí)，自密實(shí)混凝土自收縮應(yīng)變隨齡期的變化曲線如圖6所示．

圖6 不同膠結(jié)料用量對(duì)混凝土自收縮的影響Fig．6 The influence of different cementitious material consumption on autogenous shrinkage

從圖6可以看出:自密實(shí)混凝土的自收縮呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)且發(fā)展穩(wěn)定，自收縮在早期增長(zhǎng)較快，且增長(zhǎng)速度隨齡期的增加而有所降低，直到齡期60 d時(shí)，自收縮值才趨于穩(wěn)定．膠結(jié)料用量分別為500、550和600 kg·m－3的 SCC－10、SCC－3、SCC－11試件在 3 d齡期時(shí)自收縮應(yīng)變值分別是 3．0×10－5、1．7 ×10－5和4．4 ×10－5，在28 d齡期的自收縮應(yīng)變值分別是1．35 ×10－4、9．9 ×10－5和1．71 ×10－4，膠結(jié)料用量為550 kg·m－3的混凝土自收縮較膠結(jié)料用量為500 kg·m－3的自收縮降低了27%，膠結(jié)料用量為600 kg·m－3的混凝土自收縮較膠結(jié)料用量為500和550 kg·m－3的自收縮增加了30%和72%．

由此可見(jiàn)，自密實(shí)混凝土自收縮隨著膠結(jié)料的增加而減小，而當(dāng)膠結(jié)料用量達(dá)到600 kg·m－3時(shí)，混凝土自收縮反而增大．①當(dāng)膠結(jié)料用量增加時(shí)，膠結(jié)料包裹骨料的能力增強(qiáng)，兩者的接觸界面致密，混凝土密實(shí)性增強(qiáng)，降低了混凝土自收縮;②當(dāng)混凝土膠結(jié)料用量增加到600 kg·m－3時(shí)，骨料的含量減少，使混凝土骨料對(duì)混凝土的約束力下降，導(dǎo)致了自收縮的增大．

2．4 水膠比

考慮水膠比影響時(shí)，自密實(shí)混凝土自收縮應(yīng)變隨齡期的變化曲線如圖7所示．從圖7可以看出:自密實(shí)混凝土的自收縮呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，自收縮在早期增長(zhǎng)較快，且增長(zhǎng)速度隨齡期的增加而有所降低，直到齡期65 d時(shí)，自收縮值才趨于穩(wěn)定．水膠比分別為0．28、0．32、0．36和0．42的 SCC－12、SCC－3、SCC－13、SCC－14試件自收縮隨著齡期的增加相差增大，在3 d齡期時(shí)，水膠比為0．32、0．36和0．42的混凝土自收縮較水膠比為0．28自收縮減小了1．2 ×10－5、1．9 ×10－5和2．6 ×10－5，在60 d齡期時(shí)，水膠比為0．32、0．36 和0．42 的混凝土自收縮較水膠比為0．28 的混凝土自收縮減小了 2．3 ×10－5、4．2 ×10－5和6．6 ×10－5．

可見(jiàn)，自密實(shí)混凝土自收縮隨著水膠比的增大而減少，并且在一定范圍內(nèi)水膠比增大，可顯著減小混凝土早期自收縮的發(fā)展．這是由于:水膠比小的自密實(shí)混凝土中自由水量少，混凝土結(jié)構(gòu)致密水分不能及時(shí)向表面遷移散失，同時(shí)水膠比小的混凝土漿體相對(duì)密度高，其固體顆粒數(shù)量越多，混凝土中的孔隙率大幅降低，毛細(xì)孔的最可幾孔徑(出現(xiàn)幾率最大的孔徑)減小，細(xì)毛細(xì)孔數(shù)量相對(duì)增多，引起收縮增大．

圖7 水膠比對(duì)混凝土自收縮的影響Fig．7 The influence of different water cement ratio on autogenous shrinkage

3 預(yù)測(cè)模型

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者經(jīng)過(guò)研究已經(jīng)達(dá)成到了一個(gè)共識(shí)，當(dāng)摻加高效減水劑和礦物摻合料時(shí)，低水膠比混凝土早期自收縮是引起混凝土出現(xiàn)早期裂縫的主要原因之一．由此可知，研究混凝土的自收縮對(duì)于控制這類早期裂縫具有重要意義，而混凝土自收縮主要發(fā)生在早期，這給自收縮的測(cè)量帶來(lái)了很大的困難，因此根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論建立自收縮預(yù)測(cè)模型十分必要．

目前，對(duì)于混凝土自收縮的預(yù)測(cè)還沒(méi)有得到統(tǒng)一認(rèn)可的模型．本文在前文分析研究的基礎(chǔ)上，考慮粉煤灰摻量、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量、水膠比這四個(gè)因素對(duì)自密實(shí)混凝土自收縮計(jì)算模型影響，提出了自密實(shí)混凝土自收縮計(jì)算模型．

目前，常用的混凝土收縮表達(dá)式有雙曲線函數(shù)式、指數(shù)式以及對(duì)數(shù)函數(shù)式．

雙曲線函數(shù)形式:

對(duì)數(shù)函數(shù)形式:

指數(shù)函數(shù)形式:

式中:εsh，∞為擬合收縮最終值;a，b為試驗(yàn)擬合常數(shù)．

本文建立的自密實(shí)混凝土自收縮預(yù)測(cè)模型需要考慮粉煤灰摻量、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量、水膠比這四個(gè)影響因子，引入的參數(shù)較多，因此本文以指數(shù)形式的收縮公式為基本模型，具體考慮粉煤灰摻量、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量、水膠比對(duì)自收縮的影響規(guī)律，采用Origine多元非線性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，重新建立一個(gè)適合自密實(shí)混凝土自收縮發(fā)展規(guī)律的實(shí)用預(yù)測(cè)模型．

式中:εas(t)是齡期為 t時(shí)混凝土的自收縮值(×10－6);εas(∞)是齡期為 ∞ 時(shí)混凝土的自收縮值(× 10－6);fcm28為28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);γ1為水膠比影響因子，γ1= －1．98α1+1．08;γ2為膠結(jié)料影響因子，γ2=4．5α22－48．45α2+131．45;γ3為與礦物摻合料摻量有關(guān)的影響因子，單摻粉煤灰時(shí)，γ3=135(0．36 － 0．01α3)(1 － exp(－ 0．3t))，粉煤灰與礦渣復(fù)摻時(shí)，若 FA/SG ＞ 1，γ3=13．5α4(1 － exp(－ 0．08t))，若FA/SG≤1，γ3=13．5(－0．099α4+0．69)(1 －exp(－0．08t));α1為水膠比;α2為膠結(jié)料用量(×10－2);α3為粉煤灰摻量(%);α4為粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例;t∶混凝土齡期(d)．

通過(guò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算值與自密實(shí)混凝土自收縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，表明該模型的總體預(yù)測(cè)效果良好，其R2基本都在0．92以上，其預(yù)測(cè)殘差絕對(duì)值基本在1．8×10－5之內(nèi)，驗(yàn)證了此模型在預(yù)測(cè)自密實(shí)混凝土的自收縮時(shí)的準(zhǔn)確性，為預(yù)測(cè)自密實(shí)混凝土自收縮提供了理論計(jì)算依據(jù)．

4 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)的自收縮試驗(yàn)方法，對(duì)自密實(shí)混凝土進(jìn)行自收縮試驗(yàn)，并對(duì)粉煤灰單摻、粉煤灰與礦渣復(fù)摻、膠結(jié)料用量、水膠比四個(gè)影響因素進(jìn)行分析，得到以下5點(diǎn)．

1)單摻粉煤灰的自密實(shí)混凝土的自收縮呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，自密實(shí)混凝土自收縮的發(fā)展在整個(gè)齡期發(fā)展相對(duì)平穩(wěn)，其增長(zhǎng)速度隨齡期的增加而略有降低．粉煤灰可以有效減少自密實(shí)混凝土的自收縮．

2)在一定的比例范圍內(nèi)，粉煤灰與礦渣復(fù)摻可以顯著降低混凝土的自收縮．當(dāng)粉煤灰與礦渣復(fù)摻比例降低到0．25時(shí)，由于礦渣具有比粉煤灰更高的潛在活性，促進(jìn)水泥水化，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部自由水分迅速減少，反而導(dǎo)致了自收縮增加．

3)當(dāng)膠結(jié)料小于550 kg·m－3時(shí)，自密實(shí)混凝土自收縮隨著膠結(jié)料的增加而減小，而當(dāng)膠結(jié)料用量達(dá)到600 kg·m－3時(shí)，混凝土自收縮反而增大，過(guò)多地骨料含量減少，使混凝土骨料對(duì)混凝土的約束力下降，導(dǎo)致了自收縮的增大．

4)水膠比為0．32、0．36和0．42的混凝土60d齡期的自收縮較水膠比為0．28的混凝土自收縮分別減小了2．3×10－5、4．2×10－5和6．6×10－5，可見(jiàn)，自收縮應(yīng)變值隨著水膠比的增大而減少，并且在一定范圍內(nèi)水膠比增大，可顯著減小自密實(shí)混凝土早期自收縮的發(fā)展．

5)提出了自收縮預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了此模型在預(yù)測(cè)自密實(shí)混凝土的自收縮時(shí)的準(zhǔn)確性．