黃耀英,蔡 忍,劉 鈺,肖 磊,周 勇

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

非荷載因素是引起混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的重要驅(qū)動(dòng)因子。非荷載因素包括溫度應(yīng)變、濕度應(yīng)變和自生體積應(yīng)變等[1-3]。對(duì)于混凝土濕度應(yīng)變而言[4],一方面當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)拆模后,由于環(huán)境濕度小于混凝土內(nèi)部濕度,水分蒸發(fā)使混凝土表面濕度降低,從而產(chǎn)生收縮應(yīng)變,這種收縮通常稱為干燥收縮(簡(jiǎn)稱干縮);另一方面是在絕濕狀態(tài)下,由于膠凝材料水化,吸收混凝土毛細(xì)管中的水分,造成濕度降低引起的收縮應(yīng)變,這種收縮通常稱為自干燥收縮(簡(jiǎn)稱自收縮)?；炷两Y(jié)構(gòu)在干縮或自收縮作用下均容易引起開(kāi)裂,這將嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,因此研究混凝土內(nèi)部濕度變化規(guī)律具有重要的意義。

由于高性能混凝土具備高工作性、高強(qiáng)度和高耐久性等特點(diǎn),近年來(lái),高性能混凝土逐漸在工程中得到廣泛應(yīng)用。工程實(shí)踐表明,高性能混凝土由于水灰比低,存在明顯的自干燥現(xiàn)象,導(dǎo)致混凝土早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大[5-6]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,關(guān)于高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)壳耙延写罅康奈墨I(xiàn)報(bào)道。蔣正武等[7]研究了0.2、0.4、0.6、0.8的水膠比對(duì)高性能混凝土自干燥引起自身相對(duì)濕度變化的影響,結(jié)果表明,當(dāng)水膠比低于0.4時(shí),混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度下降的速率較快,自干燥現(xiàn)象明顯,尤其在早期更為明顯;Shen等[8]為減輕高性能混凝土自干燥作用導(dǎo)致混凝土早期開(kāi)裂,采用內(nèi)部固化和超吸收聚合物來(lái)緩解高性能混凝土的收縮,并提出超吸收聚合物內(nèi)固化的早期混凝土相對(duì)濕度預(yù)測(cè)模型;黃瑜等[9]分析對(duì)比了高強(qiáng)混凝土在密封和裸露的狀態(tài)下,其內(nèi)部相對(duì)濕度發(fā)展特征,研究顯示,處于密封狀態(tài)的高強(qiáng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度下降的速率更快,自干燥現(xiàn)象更明顯;Han等[10]對(duì)摻入預(yù)浸輕骨料的高強(qiáng)混凝土在28 d的內(nèi)部相對(duì)濕度研究,發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土存在明顯的自干燥現(xiàn)象。

然而在實(shí)際大壩工程中,混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)未得到足夠重視。例如基于水工大體積混凝土內(nèi)埋設(shè)的無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值反演熱膨脹系數(shù)和分離自生體積變形時(shí),認(rèn)為大體積混凝土的內(nèi)部濕度變化很小,因此忽略由此引起的濕度變形[11-12]。隨著西部大開(kāi)發(fā)的深入進(jìn)行,在我國(guó)西南和西北興建了小灣、溪洛渡、白鶴灘等系列300 m 級(jí)特高拱壩,這對(duì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)要求很高。水膠比0.3～0.4 的高強(qiáng)水工混凝土在這些大壩工程上逐漸得到應(yīng)用,但是對(duì)于這些高強(qiáng)水工混凝土,能否忽略濕度變形尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。目前關(guān)于水工混凝土濕度的研究,主要集中在混凝土與外界濕度交換引起的干縮應(yīng)變,而且這些研究以數(shù)值計(jì)算為主,而關(guān)于水工混凝土濕度試驗(yàn)?zāi)壳皥?bào)道很少。如馬躍先等[13]結(jié)合水閘工程采用有限單元法進(jìn)行了濕度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算;劉有志[14]基于濕度場(chǎng)分別從宏觀和細(xì)觀的角度對(duì)混凝土非穩(wěn)定濕度及干縮應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算;牛道昌[15]分析了我國(guó)水利工程所處地區(qū)的空氣濕度變化對(duì)水工混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的影響;梁建文[16]基于濕度場(chǎng)仿真計(jì)算,對(duì)水工薄壁混凝土結(jié)構(gòu)干縮開(kāi)裂的機(jī)理進(jìn)行了分析。由于缺乏濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù),上述濕度場(chǎng)計(jì)算值的合理性難以判斷。此外,由于高性能混凝土的配合比與水工混凝土不同,不能簡(jiǎn)單地將高性能混凝土內(nèi)部濕度試驗(yàn)結(jié)果用于水工混凝土,因此有必要對(duì)水工混凝土內(nèi)部進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn),并與高性能混凝土內(nèi)部濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)開(kāi)展不同水膠比的水工混凝土和高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)試驗(yàn),研究水工混凝土和高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的變化規(guī)律,探究高強(qiáng)水工混凝土是否存在明顯的自干燥效應(yīng)。

1 水工混凝土和高性能混凝土濕度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

水工混凝土和高性能混凝土內(nèi)部濕度試驗(yàn)在三峽工程所在地宜昌地區(qū)開(kāi)展。宜昌地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,夏季平均氣溫超過(guò)28℃,相對(duì)濕度為80%左右;而在冬季平均氣溫只有10℃,相對(duì)濕度為70%左右。試驗(yàn)選在一月份進(jìn)行。為了考察不同水膠比水工混凝土的自干燥規(guī)律,結(jié)合我國(guó)西南某典型混凝土高拱壩工程泄洪洞龍落尾段、大壩基礎(chǔ)約束區(qū)和非基礎(chǔ)約束區(qū)等不同部位的混凝土配合比,設(shè)計(jì)了水灰比分別為0.33、0.41、0.50的3種不同水工混凝土,分別記為S1、S2和S3;對(duì)于高性能混凝土內(nèi)部自干燥試驗(yàn),參考文獻(xiàn)[7],設(shè)計(jì)了水灰比分別為0.30、0.40和0.50的3種不同高性能混凝土,分別記為S4、S5和S6,具體配合比如表1所示。由表1可見(jiàn),由于高性能混凝土具有高工作性、高強(qiáng)度和高耐久性等特點(diǎn),其水泥摻量遠(yuǎn)比水工混凝土的水泥摻量高。試驗(yàn)采用溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)混凝土試件內(nèi)部相對(duì)濕度變化歷程,1～3號(hào)溫濕度傳感器分別監(jiān)測(cè)S1～S3水工混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度,4～6號(hào)溫濕度傳感器分別監(jiān)測(cè)S4～S6高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度,根據(jù)傳感器的編號(hào)對(duì)相應(yīng)的混凝土試件進(jìn)行編號(hào),7號(hào)溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫濕度。

表1 水工和高性能混凝土的配合比

根據(jù)混凝土試件水灰比的不同,將混凝土試件內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)分為兩個(gè)階段,第一階段對(duì)S1～S6混凝土試件持續(xù)監(jiān)測(cè)70 d的自干燥效應(yīng);第二階段對(duì)高水灰比S2和S3的水工混凝土(水灰比分別為0.41和0.50)和高水灰比S6的高性能混凝土(水灰比為0.50)再持續(xù)監(jiān)測(cè)20 d的自干燥效應(yīng),然后再進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 試驗(yàn)材料和監(jiān)測(cè)儀器

試驗(yàn)采用華新牌P·O·42.5水泥;粗骨料為花崗巖碎石,小石粒徑為5～20 mm,中石粒徑為20～40 mm;細(xì)骨料為長(zhǎng)江宜昌段細(xì)砂,細(xì)度模數(shù)為2.03;減水劑選用聚羧酸高性能減水劑;水為自來(lái)水。

溫濕度傳感器采用大連北方測(cè)控工程有限公司生產(chǎn)的DB485型傳感器,相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0～100%,誤差為±1%;溫度測(cè)量范圍為-40～120℃,誤差為±0.5%。溫濕度傳感器探頭(圖1)通過(guò)RS-485總線型溫濕度變送器(圖2)與計(jì)算機(jī)連接,使用北方測(cè)控溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ),可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 溫濕度傳感器探頭

圖2 溫濕度傳感器變送器

1.3 混凝土濕度試驗(yàn)步驟

步驟1試驗(yàn)準(zhǔn)備。按濕度試驗(yàn)使用的混凝土配合比準(zhǔn)備原材料、PVC管和成型試件所需的模具,與此同時(shí),對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行率定。PVC管兩端開(kāi)口光滑平整,長(zhǎng)度為100 mm,外徑為20 mm,壁厚為2 mm,并在75 mm處做好標(biāo)記;模具采用內(nèi)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體塑料模具。

步驟2混凝土試件成型。待混凝土試件澆注、振搗完成后,將PVC管植入150 mm立方體試件的幾何中心處(植入深度75 mm),接著抹平試件的上表面的漿體,并用鋁棒封堵PVC管上端口,并在上表面覆蓋一層薄膜保濕。待混凝土終凝后,PVC管即固定在試件中。

步驟3將試件搬至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)1 d后進(jìn)行拆模,并立即用雙層錫箔紙對(duì)試件進(jìn)行密封包裹(圖3)。由于混凝土表面近似絕濕狀態(tài),故可認(rèn)為混凝土內(nèi)部濕度變化基本由自干燥效應(yīng)引起。

圖3 采用錫箔紙包裹的混凝土試件

步驟4把混凝土試件搬至濕度監(jiān)測(cè)室,緩慢拔出封堵PVC管上端口的鋁棒,用海綿吸出殘留在塑料管底端的漿體后再緩慢插入溫濕度傳感器,溫濕度傳感器測(cè)頭距塑料管底約1 mm,然后用隔離塞對(duì)PVC管進(jìn)行密封并涂抹黃油,防止隔離塞與PVC管間的縫隙與外界發(fā)生濕度交換(圖4)。

圖4 混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)

步驟5按混凝土內(nèi)部濕度試驗(yàn)方案進(jìn)行濕度試驗(yàn),直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水工混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度變化曲線

圖5為不同水灰比水工混凝土和高性能混凝土在密封狀態(tài)下內(nèi)部相對(duì)濕度隨齡期的變化曲線,圖6為不同水膠比的水工混凝土和高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨齡期的變化曲線,在圖5和圖6中,還給出了試驗(yàn)室的環(huán)境溫濕度曲線。試驗(yàn)期間,試驗(yàn)室的環(huán)境相對(duì)濕度為41.31%～67.39%,均值為54.35%;環(huán)境溫度為7.83～21.16℃,均值為14.5℃。

圖5 試件內(nèi)部相對(duì)濕度變化

圖6 試件內(nèi)部相對(duì)濕度變化曲線

由圖5(a)可見(jiàn),不同水灰比的水工混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度變化歷程基本相似,均可分為兩個(gè)時(shí)期[17]。第一個(gè)時(shí)期為相對(duì)濕度的飽和期(相對(duì)濕度維持在100%),但是不同水灰比的水工混凝土濕度飽和期持續(xù)時(shí)間不同。試驗(yàn)表明,水灰比越高,濕度飽和期持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),水灰比為0.33、0.41和0.50的水工混凝土濕度飽和期分別持續(xù)了22 d、56 d和65 d。第二個(gè)時(shí)期為濕度下降期,隨著水化反應(yīng)不斷消耗水分,相對(duì)濕度逐漸下降,混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度進(jìn)入濕度下降期。當(dāng)?shù)谝浑A段自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)(70 d),水灰比為0.33、0.41和0.50的水工混凝土試件內(nèi)部相對(duì)濕度分別降至94.85%、97.03%和99.89%。由此可見(jiàn),0.33水灰比的混凝土試件濕度飽和期較短,自干燥作用較明顯;對(duì)于0.41水灰比的混凝土試件,雖然濕度飽和期較長(zhǎng),但仍有緩慢的自干燥效應(yīng);0.50水膠比的混凝土試件濕度飽和期長(zhǎng)且無(wú)明顯的自干燥作用,相對(duì)濕度基本維持在100%。當(dāng)70 d的自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí),對(duì)高水灰比0.41和0.50的水工混凝土再持續(xù)20 d的自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)持續(xù)到90 d時(shí), 水灰比0.41和0.50的水工混凝土試件內(nèi)部相對(duì)濕度分別降至93.26%和99.86%。由此可見(jiàn),隨著齡期的增長(zhǎng),0.41水灰比的水工混凝土試件自干燥效應(yīng)更加明顯,濕度下降的程度更大;對(duì)于0.50水灰比的混凝土試件仍然無(wú)明顯的自干燥效應(yīng),內(nèi)部相對(duì)濕度幾乎維持在100%。這也說(shuō)明,本次試驗(yàn)混凝土試件包裹的密封性良好,試件內(nèi)部幾乎沒(méi)有與外界環(huán)境發(fā)生濕度交換,試件內(nèi)部相對(duì)濕度變化基本由自干燥效應(yīng)引起。

由圖5(b)可見(jiàn), 0.30、0.40和0.50水灰比的高性能混凝土濕度飽和期分別維持了3 d、16 d和63 d,均比相對(duì)應(yīng)的水工混凝土的濕度飽和期短。當(dāng)?shù)谝浑A段70 d的自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí),0.30、0.40和0.50水灰比的高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度分別降至77.92%、86.13%、98.54%。第一階段的自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)束后(70 d),對(duì)0.50水灰比的高性能混凝土再持續(xù)20 d的自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè),當(dāng)?shù)诙A段監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)(90 d),0.50水灰比的高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降至96.5%。

由圖6可見(jiàn),由于高性能混凝土的水泥摻量高,對(duì)于相同水灰比,高性能混凝土的自干燥效應(yīng)比水工混凝土的自干燥效應(yīng)更加明顯,濕度下降更快。當(dāng)?shù)谝浑A段70 d自干燥效應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)束后,進(jìn)入第二階段時(shí),0.50水灰比的高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度仍存在緩慢的自干燥作用,而0.50水灰比的水工混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度基本無(wú)變化,維持在100%。

2.2 自干燥引起混凝土內(nèi)部濕度變化的機(jī)理分析

混凝土試件在澆注成型的初期,內(nèi)部有大量自由液態(tài)水存在且形成連通的水膜網(wǎng)絡(luò),因此混凝土試件內(nèi)部相對(duì)濕度為100%。由于混凝土試件密封包裹,隨著齡期的增長(zhǎng),混凝土試件內(nèi)部未水化的水泥繼續(xù)水化反應(yīng),混凝土逐漸硬化,此時(shí)水泥水化反應(yīng)引起的化學(xué)減縮致使混凝土內(nèi)部形成許多獨(dú)立毛細(xì)孔,毛細(xì)孔逐漸增多并相互連通,于是毛細(xì)孔處于不飽和狀態(tài),混凝土試件內(nèi)部相對(duì)濕度降低[7],即混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度進(jìn)入濕度下降期。

水灰比越大,混凝土試件的用水量越多而水泥用量越少,在水泥水化反應(yīng)過(guò)程中,由于混凝土試件內(nèi)部自由水消耗的速率較低,留存在試件內(nèi)未參與水化反應(yīng)的自由液態(tài)水較多,又由于密封包裹的試件與外界環(huán)境基本沒(méi)有濕度交換,因此試件內(nèi)部相對(duì)濕度下降的速率小,表現(xiàn)為試件濕度飽和期長(zhǎng);水灰比小時(shí),與之相反。

相對(duì)相同水灰比的水工混凝土而言,高性能混凝土的水泥用量大,在水泥水化過(guò)程中,由于試件未水化的水泥顆粒多,而試件內(nèi)部可提供繼續(xù)水化反應(yīng)的自由液態(tài)水較少,這就導(dǎo)致高性能混凝土的濕度飽和期較水工混凝土短,內(nèi)部相對(duì)濕度下降的速率較水工混凝土大,自干燥作用更明顯。

2.3 討論

從上述試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),0.41水灰比的水工混凝土存在緩慢的自干燥效應(yīng)。當(dāng)混凝土緩慢失水干燥時(shí),混凝土將會(huì)出現(xiàn)緩慢收縮。文獻(xiàn)[18]曾對(duì)溪洛渡拱壩壩體基礎(chǔ)約束區(qū)的混凝土無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值進(jìn)行了分析,其埋設(shè)的無(wú)應(yīng)力計(jì)由一支應(yīng)變計(jì)和一個(gè)雙層鐵皮套筒組成。其中,無(wú)應(yīng)力桶高500 mm,開(kāi)口直徑為500 mm,底面直徑為200 mm。由于無(wú)應(yīng)力計(jì)尺寸較小,在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)時(shí),一般會(huì)剔除40 mm以上的粗骨料,因此,無(wú)應(yīng)力計(jì)桶內(nèi)混凝土近似于本次試驗(yàn)的混凝土級(jí)配。

文獻(xiàn)[18]對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí),假設(shè)混凝土內(nèi)濕度變化很小,忽略濕度變形,進(jìn)而通過(guò)建立無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值統(tǒng)計(jì)模型,分離出溫度變形和自生體積變形,分析表明溪洛渡大壩混凝土的自生體積變形呈緩慢收縮趨勢(shì),持續(xù)2 000 d后仍未完全收斂。由上述水工混凝土濕度試驗(yàn)可見(jiàn),由于溪洛渡拱壩壩高庫(kù)大,其基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土的水膠比僅為0.41,這種混凝土由于水泥水化反應(yīng)存在緩慢的自干燥現(xiàn)象,從而出現(xiàn)緩慢收縮的濕度變形。因此,扣除溫度分量的無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值實(shí)際上是自生體積變形和自干燥引起的濕度變形的混合值;另外,由于該特高拱壩混凝土粉煤灰摻量高(35%),導(dǎo)致自干燥現(xiàn)象減慢,但持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。綜上可見(jiàn),0.41水灰比的水工混凝土自干燥現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),為解析溪洛渡特高壩工程扣除溫度分量的無(wú)應(yīng)力計(jì)變形測(cè)值長(zhǎng)期不穩(wěn)定的機(jī)制提供了一種新思路。

3 結(jié) 論

a. 在密封狀態(tài)下,水工混凝土和高性能混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度均存在兩個(gè)時(shí)期,即濕度飽和期和濕度下降期;隨著水灰比的減小,濕度飽和期持續(xù)的時(shí)間逐漸減小,內(nèi)部相對(duì)濕度下降的速率逐漸加大;由于高性能混凝土的水泥摻量高,相同水灰比下,高性能混凝土的內(nèi)部相對(duì)濕度下降比水工混凝土快,濕度飽和期持續(xù)時(shí)間更短。

b. 在密封狀態(tài)下,0.50水灰比的水工混凝土的內(nèi)部相對(duì)濕度基本無(wú)下降;而對(duì)于0.50水灰比的高性能混凝土,由于水泥摻量高,內(nèi)部未水化的水泥較多,隨著齡期的增長(zhǎng),水泥水化會(huì)不斷進(jìn)行,仍存在緩慢的自干燥現(xiàn)象。

c. 在密封狀態(tài)下,0.41水灰比的水工混凝土存在緩慢的自干燥效應(yīng)。當(dāng)混凝土緩慢失水干燥時(shí),混凝土將會(huì)出現(xiàn)緩慢收縮,從而為解析西南某特高壩工程扣除溫度分量的無(wú)應(yīng)力計(jì)變形測(cè)值長(zhǎng)期不穩(wěn)定的機(jī)制提供了新思路,即低水膠比混凝土的使用,將會(huì)引起持續(xù)緩慢自干燥,從而導(dǎo)致持續(xù)自干燥收縮變形。建議在進(jìn)行低水膠比的高強(qiáng)水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí),考慮混凝土內(nèi)部存在的自干燥效應(yīng)及其引起的干燥收縮應(yīng)變。