趙志方，陳 靜，王衛(wèi)侖，趙志剛，周厚貴

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.深圳大學 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060；3.浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018；4.中國能源建設集團有限公司，北京 100022)

兩種溫度歷程下高摻粉煤灰砼早期抗裂性綜合評價

趙志方1，陳 靜1，王衛(wèi)侖2，趙志剛3，周厚貴4

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.深圳大學 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060；3.浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018；4.中國能源建設集團有限公司，北京 100022)

為綜合評價高摻量粉煤灰大壩混凝土早齡期的抗裂性，采用溫度—應力試驗機，研究35%，80%兩種粉煤灰摻量的常態(tài)大壩混凝土在絕熱與溫度匹配模式下的綜合抗裂性.結果表明：溫度匹配模式下混凝土的抗裂性優(yōu)于絕熱溫升模式；在兩種溫度歷程養(yǎng)護模式下，80%粉煤灰摻量的混凝土相比于35%摻量的混凝土，有較低的溫升值、室溫應力以及開裂溫度，較高的開裂應力和應力儲備，并從開裂細化指標、開裂核心指標和開裂綜合指標進行綜合分析，得出高摻量粉煤灰混凝土具有更好的早齡期抗裂性.

高摻量粉煤灰混凝土；早齡期；抗裂性；溫度—應力試驗

大壩的抗裂性問題一直是大壩設計和施工中最為關注的問題之一，而水泥水化放熱產生的溫升是造成開裂的主要因素.壩體內外溫差較大會產生較大的拉應力，從而產生大量的裂縫[1].目前，大壩工程主要采取在壩體表面貼保溫板和內部加冷卻水管的方式來提高抗裂性，而這些方式往往耗資巨大，找到一種更加經濟、方便和可靠的方式來解決大壩的早期抗裂性已非常迫切.研究[2]表明：在混凝土中摻加粉煤灰有利于大壩的抗裂性.目前粉煤灰混凝土在大體積工程，尤其在水工結構中已取得廣泛應用.國外已建的非碾壓常態(tài)混凝土壩，粉煤灰摻量最高達到了70%，我國三峽大壩混凝土粉煤灰摻量為30%～50%.北美等國家的結構規(guī)范ACI318[3]中已經允許混凝土結構中使用高摻量粉煤灰混凝土，而我國的DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》[4]規(guī)定粉煤灰摻量不得超過55%，實際工程中往往更加保守，一般都在40%及以下，這在很大程度上限制了粉煤灰混凝土的發(fā)展.基于此，2011年浙江工業(yè)大學與葛洲壩集團公司依托在建的某雙曲拱壩對高摻量粉煤灰混凝土(以下簡稱“高摻混凝土”)進行研究，提出摻量為80%的高摻混凝土[5].為分析高摻混凝土的早期抗裂性能，就必須提出其早齡期的抗裂性評價方法.而目前對于高摻混凝土早期抗裂性的評價方法缺少規(guī)范，普遍采用的以混凝土極限拉伸值和絕熱溫升值等單項指標作為抗裂性評價方法存在弊端[6]，應用較多的綜合評價方法——圓環(huán)法、平板法和開裂試驗架法[7]等并不適用于大體積混凝土的抗裂性評價.在20世紀80年代發(fā)展起來的溫度—應力試驗機(TSTM)可同時考慮溫度和約束等因素對混凝土應力和變形的影響，對混凝土早齡期的抗裂性進行綜合評價.

采用我國已建某雙曲拱壩實際施工所用原材料，配制出粉煤灰摻量為35%的基準混凝土(F35)和粉煤灰摻量為80%的高摻混凝土(F80).采用TSTM分別在絕熱模式和溫度匹配(TMC)模式下，對兩種混凝土的開裂細化指標、開裂核心指標以及開裂綜合指標進行分析，研究其早齡期抗裂性.

1 試驗原材料與配合比

1.1 試驗原材料

本試驗所用材料為新建的某高拱壩實際施工所用的原材料.試驗使用華新P.O-42.5普通硅酸鹽水泥，荊門III級粉煤灰，基準混凝土使用萘系減水劑，高摻量粉煤灰混凝土使用聚羧酸高效減水劑，引氣劑均采用山東銀凱NOF-AE型引氣劑.細骨料為砂率34.5%的人工砂，粗骨料為最大粒徑40 mm的人工碎石.

1.2 試驗配合比

本試驗中基準混凝土采用實際工程施工所用配合比，高摻混凝土采用等漿體體積的方法進行配合比設計，其配制[8]思路：首先計算確定基準混凝土中的漿體量，因粉煤灰的密度為水泥的2/3，若以等質量粉煤灰取代水泥時會導致漿體體積增大，故采用減少用水量以保持高摻混凝土的漿體體積與基準混凝土的漿體一致，由此得到混凝土的配合比如表1所示.

表1 兩種混凝土的配合比

2 TSTM試驗

2.1 TSTM試驗方法

TSTM結構原理[9]示意圖如圖1所示.

圖1 閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Closed loop computer control system schematic

本試驗機設置有兩根有效尺寸均為150 mm×150 mm×1 500 mm的約束試件和自由試件.約束試件裝置(圖2a)一端固定，另一端為活動端頭，設置有力傳感器并與步進電機進行連接.通過力傳感器測定約束試件中的變形量，當累計變形量達到一定限度時，系統(tǒng)就會自動的對活動端頭進行復位到原先的位置，以實現(xiàn)近似100%的約束度.自由試件裝置(圖2b)一端固定，另一端為自由端頭，通過測定自由端的位移即可確定試件的自由變形.試驗系統(tǒng)采用計算機閉環(huán)來控制，控制系統(tǒng)中設置的多種傳感器會自動記錄下試件的溫度、應變和應力等.

混凝土澆筑并振搗密實后,立即在試件表面覆蓋一層塑料薄膜.由此認為試件和外界沒有水分的交換，可以忽略混凝土干縮的影響.試驗過程中,保持室溫在(20±1) ℃，以減小室溫波動對試驗精度的影響.

圖2 試件裝置實物圖Fig.2 Photo of specimen test device

2.2 溫度歷程設計

溫度歷程對混凝土的抗裂性有較大的影響[10]，同時，溫度歷程也會通過水泥的水化反應速率來影響強度的發(fā)展.為了使不同溫度歷程下的試件有更好的對比性，用“成熟度”將兩種溫度歷程等效為標準養(yǎng)護狀態(tài)，由此進行對比.在絕熱模式和TMC模式下，兩種混凝土都達到相同成熟度時作為控制試驗開始降溫的時間點，并以1 ℃/h的降溫速率降溫.

TSTM試驗機有絕熱模式、TMC模式和恒溫模式三種，主要對兩種混凝土在絕熱和溫度匹配兩種模式下進行研究.本次試驗采用的溫度匹配模式下TSTM的引導曲線是對該雙曲拱壩進行三維有限元仿真模擬獲得[11]，絕熱溫升模式試驗采用試驗機自帶的絕熱模式進行試驗.

3 試驗結果與分析

3.1 早齡期應力分析

圖3為在絕熱模式和TMC模式下兩種混凝土的溫度歷程曲線，圖4為兩種模式下兩種混凝土的應力發(fā)展曲線.圖4中正值表示壓應力，負值表示拉應力.

(a) 絕熱模式

(a) 絕熱模式

(b) TMC模式

結合圖3，4，在升溫階段，壓應力達到峰值后基本保持穩(wěn)定.絕熱模式下的壓應力比TMC模式下的大，這是由于絕熱模式有較高的溫度歷程，水化反應較快，由此產生的壓應力也較大.由于混凝土自收縮產生一定的拉應力，以及應力松弛的作用，使得壓應力在達到溫峰之前就開始下降，但下降的幅度較小.從圖4中可以看出：F35產生的預壓應力較大，F(xiàn)80很小.這或許由F80混凝土的粉煤灰摻量較高，水化反應較慢所致.從整體來看：兩種溫度歷程下，兩種混凝土產生的預壓應力值相差不大，在絕熱模式下相差0.21 MPa，在TMC模式下僅相差0.09 MPa.混凝土在受壓階段產生的預壓應力，對降溫受拉階段抗裂的安全儲備有貢獻，可以緩解受拉階段產生的拉應力.而從結果看：水化放熱較快的F35有較大的預壓應力值，但兩者的相差較少且在降溫階段前已衰減到零，表明其壓應力松弛較大，降低了預壓應力的效果，在儲備預壓應力上二者表現(xiàn)相當.

降溫階段，在溫度變形和自收縮的共同作用下，兩種混凝土的拉應力發(fā)展速率都較大，呈線性增長.本次試驗中，由于TSTM的降溫能力有限，最低只能降到-15 ℃.且由于試驗機制冷設備等的不穩(wěn)定性，在絕熱模式下兩種混凝土試件均未發(fā)生開裂，在TMC模式下，80%摻量的混凝土也未發(fā)生斷裂.經計算分析：在TMC模式下，-15 ℃時80%摻量的約束試件所受拉應力已達其抗拉強度值的95%，可近似認為此試件已開裂.

3.2 早齡期混凝土抗裂性綜合評價

目前，普遍采用絕熱溫升值和極限拉伸值等單項指標作為大體積混凝土抗裂性的評價方法，而這種方法在評價高摻量粉煤灰混凝土的抗裂性時已不再適用[6].因此，為更好地評價高摻混凝土的抗裂性，須使用綜合評價方法.筆者通過TSTM，得到抗裂性分析的基本參數(shù)，并以此對大體積混凝土的早期抗裂性進行綜合評價，這些參數(shù)可分為3部分：

1) 開裂細化指標：澆筑溫度；出現(xiàn)應力時間；第一零應力溫度；第一零應力溫度時間；升溫時間；溫峰出現(xiàn)時間；溫升值；最大壓應力；最大壓應力出現(xiàn)時間；第二零應力溫度；第二零應力出現(xiàn)時間.

2) 開裂核心指標：室溫應力—室溫應力為通過TSTM對試件進行主動降溫，當溫度降低到室溫(本實驗室溫為20 ℃)時所對應的拉應力；開裂應力—通過TSTM進行降溫，當降低到一定溫度時試件發(fā)生斷裂時拉應力；應力儲備—室溫應力與開裂應力之間的差值和開裂應力的比值.

3) 開裂綜合指標：開裂溫度—約束試件混凝土開裂時對應的溫度，可以用來對比不同混凝土開裂性能的指標.

兩種混凝土在兩種溫度歷程下的部分試驗參數(shù)如表2所示.

3.2.1 開裂細化指標

開裂細化指標中主要的指標是溫升值、最高溫度及最大壓應力.在兩種模式下，F(xiàn)35較F80都有較大的溫升值和最高溫度，這有助于F80獲得較好的抗裂性.最大壓應力方面，F(xiàn)35雖比F80高，但是兩者相差不大，且在降溫點前兩者壓應力都已趨于零，認為兩者的抗裂能力相當.由開裂細化指標可以得出：F80混凝土的早期抗裂性更好.

表2 TSTM試驗關鍵參數(shù)

3.2.2 開裂核心指標

開裂核心指標和開裂細化指標之間有緊密的聯(lián)系，如細化指標中的溫升值、最高溫度等都會影響開裂核心指標中的開裂應力和室溫應力.可以通過材料的調整改變開裂細化指標，從而改善開裂核心指標.開裂核心指標中的室溫應力、應力儲備可以確定混凝土在之后工作中抵抗拉應力的能力，室溫應力和開裂應力越大，則表明其抗裂性越好.

1) 室溫應力

室溫應力反映試件溫度降到室溫(20 ℃)時混凝土試件內部所積蓄的拉應力，應力值越小，對抗裂越有利.由表2可知：絕熱模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的室溫應力分別為-0.89，-0.30 MPa；TMC模式下，分別為-0.53，-0.07 MPa.由此可見：絕熱模式下的室溫應力較匹配模式的室溫應力大，對抗裂性不利.F80的室溫應力在兩種溫度模式下都比F35低，表明試件溫度降低到室溫時所積蓄的拉應力較小.因此，從室溫應力角度分析可以得出這有助于F80混凝土獲得更好的抗裂性.

2) 開裂應力

較大的開裂應力于抗裂有利，在絕熱模式下，因F35的溫峰值較高造成溫降程度較大，產生了較大的拉應力.但兩種混凝土試件在絕熱條件下都未發(fā)生開裂，且TMC模式更貼近工程實際情況，這里可從TMC模式對開裂應力進行分析.由表2可知：在TMC模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的開裂應力分別為-1.60，-1.75 MPa，說明F80的抗裂性更好.

3) 應力儲備

應力儲備是開裂應力與室溫應力的差值和開裂應力的比值，應力儲備越高，抗裂性越好.在絕熱模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的應力儲備分別大于0.56，0.79，在TMC模式下，分別為0.67，0.96.由此可見：TMC模式下的應力儲備更大，對抗裂有利.在兩種溫度歷程下，F(xiàn)80的應力儲備都比F35大，抗裂性更好.

3.2.3 開裂綜合指標

開裂溫度作為開裂綜合指標反映了混凝土的水化熱溫升、抗拉強度、升溫階段產生的壓應力、降溫階段產生的拉應力、應力松弛、線膨脹系數(shù)以及自生體積變形等的交互影響.在同一試驗條件下，相比于開裂細化指標和開裂核心指標，是實際工程中最簡單易行的開裂控制指標.就TSTM試驗而言，開裂溫度可作為綜合評價混凝土早期抗裂性的指標[12].開裂溫度越低，混凝土的抗裂性就越好.試驗結果表明：在絕熱模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的開裂溫度分別低于-9.18，-11.78 ℃；在TMC下，分別為-0.42，-15.27 ℃.說明溫度匹配模式的開裂溫度更低，抗裂性更好.在匹配模式中，兩者的開裂溫度相差接近15 ℃，說明F80混凝土的抗裂性優(yōu)于F35混凝土.

在實際工程中，三種指標均可以作為混凝土早齡期抗裂性的評價方法.以開裂細化指標調整材料改善開裂核心指標，以開裂核心指標對混凝土的抗裂安全系數(shù)進行預測，以開裂綜合指標對混凝土的抗裂性進行控制.三種指標共同作用，共同構成對混凝土早齡期抗裂性的系統(tǒng)評價方法.

4 結 論

TSTM可以作為混凝土早齡期抗裂性綜合評價的有效方法，采用TSTM來研究絕熱模式和TMC模式下高摻混凝土早齡期的抗裂性，并與基準混凝土做對比.試驗結果表明：在不同的溫度歷程下，混凝土的抗裂性不同.TMC模式下混凝土的抗裂性比絕熱模式下混凝土的抗裂性好；高摻混凝土與基準混凝土相比，在升溫階段的溫升值和最高溫度較低，在降溫階段的開裂應力和應力儲備較大，室溫應力和開裂溫度較低，這對抗裂是有利的.另外，從開裂細化指標、開裂核心指標以及開裂綜合指標對兩種混凝土的抗裂性進行綜合分析，得出高摻混凝土相比于基準混凝土在早齡期有更好的抗裂性，說明高摻混凝土是具有發(fā)展前景的綠色高性能大壩混凝土.

本文得到全國工程專業(yè)學位研究生教育指導委員會自選研究課題(教改項目)(2016-ZX-236)和深圳大學廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室開放基金項目(GDDCE14-01，GDDCE15-01)的資助.

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(責任編輯：陳石平)

Research on cracking resistance behavior of high volume fly ash concrete at early ages under two temperature histories

ZHAO Zhifang1, CHEN Jing1, WANG Weilun2, ZHAO Zhigang3, ZHOU Hougui4

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;3.Zhejiang University of Media and Communications, Hangzhou 310018, China;4.China Energy Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100022, China)

In order to comprehensively evaluate the cracking resistance behavior of high volume fly ash concrete at early ages, an experimental study on the cracking resistance behavior of normal dam concrete with 35% and 80% fly ash contents under the adiabatic mode and temperature matching curing (TMC) mode is conducted by TSTM tests. The results show that the cracking resistance of concrete under the TMC mode is superior to that under the adiabatic mode. Compared with the concrete with 35% fly ash content, the high volume fly ash concrete has a lower temperature rise, room temperature stress and cracking temperature, and a higher cracking stress and stress reserve. In addition, the high volume fly ash concrete has better cracking resistance behavior at early ages by a comprehensive analysis of the cracking refinement, cracking core and cracking comprehensive indexes.

high volume fly ash concrete; early age; cracking resistance behavior; TSTM test

2016-12-05

國家自然科學基金資助項目(51479178)；浙江省自然科學基金資助項目(LY14E090006)

趙志方(1970—)，女，河南洛陽人，教授，主要從事綠色高性能混凝土材料與結構及耐久性研究，E-mail：zhaozhifang7@126.com.

TU528

A

1006-4303(2017)04-0449-05