李逸翔

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，建國西路609號200031）

0 引 言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一種具有高強(qiáng)度、高耐久性的新型混凝土材料，一般由水泥、細(xì)集料、高效減水劑和纖維材料按一定比例配制而成。UHPC 因其力學(xué)和耐久性能優(yōu)異，近年來逐漸開始應(yīng)用于橋梁工程中，如用于新型鋼橋面鋪裝、新型橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)、快速換梁工程中的濕接縫澆筑等。在鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中，由于鋪裝材料受到鋼板、栓釘?shù)鹊募s束，在收縮過程中會(huì)承受拉應(yīng)力導(dǎo)致開裂，加上UHPC 水膠比?。ㄒ话阈∮?.2），早期收縮率更大，更易使鋪裝形成裂縫。

預(yù)防早期裂縫的方法之一是通過在UHPC 拌和過程中添加膨脹劑，使其在混凝土水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生一定量的鈣礬石或氫氧化鈣晶體來填充毛細(xì)孔縫，起到減小自收縮和干燥收縮的作用［1］。湖南大學(xué)黃政宇等［2］研究了HCSA 膨脹劑對非約束狀態(tài)下UHPC 的收縮和微觀特性影響，通過理論和試驗(yàn)研究論證了適量的膨脹劑可增加UHPC的抗壓和抗折性能；李潛［3］研究了膨脹劑對C50混凝土早期收縮的影響，認(rèn)為一定量的膨脹劑可以提高橋梁用高性能混凝土的早期抗裂性能；于景超［4］通過實(shí)際工程論證了膨脹劑對大跨度橋梁的流態(tài)高性能混凝土的初期開裂可以有效控制，從而延長結(jié)構(gòu)壽命。然而，國內(nèi)關(guān)于約束狀態(tài)下膨脹劑對UHPC 抗裂性能的研究相對較少，是否可以在實(shí)際施工中通過添加膨脹劑提升鋪裝抗裂性能，還需通過試驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究和評估。

針對約束條件下混凝土的早期抗裂性能，美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)給出了環(huán)式限制收縮開裂測試標(biāo)準(zhǔn)方法ASTM C 1581［5］（以下簡稱“圓環(huán)法”）。該方法操作較為簡便，相比《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中的平板法，圓環(huán)法對試件的約束更為均勻，具有更規(guī)范的試驗(yàn)?zāi)＞吆驮囼?yàn)條件，并且圓環(huán)法可通過換算鋼環(huán)內(nèi)側(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)來獲得量化的混凝土抗裂評估結(jié)果，因此更適合用于約束條件下混凝土早期抗裂性能評估與分析。近年來，國內(nèi)學(xué)者如史才軍等［6］、董偉等［7］、閆國亮［8］、李聰?shù)龋?］、王國杰［10］使用圓環(huán)法對混凝土早期開裂情況進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。

本研究將通過多組圓環(huán)法試驗(yàn)對UHPC 材料在約束條件下的早期抗裂性能進(jìn)行定量測試，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到各組試件的平均應(yīng)力發(fā)展速率，進(jìn)而評估各組試件的開裂風(fēng)險(xiǎn)等級，由此分析膨脹劑對約束條件下UHPC 抗裂性能的影響。為今后膨脹劑在防治鋼橋面UHPC 鋪裝早期裂縫中的使用提供參考。

1 原材料準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)使用的膨脹劑為高性能CSA 膨脹劑，鋼纖維為平直型鋼纖維，抗拉強(qiáng)度2 800 MPa，彈性模量210 GPa，直徑0.2 mm，密度7.9 g/cm3，平均長度13 mm。

本次試驗(yàn)使用A、B、C 三組不同配方作為原材料。其中，A 組添加膨脹劑。B 組不添加膨脹劑，A、B 兩組均添加鋼纖維。C 組除不添加膨脹劑外，也不添加鋼纖維。各組原料配合比見表1。其中A組膨脹劑按干料總重約1%添加。

表1 UHPC原料配合比（每澆筑1方所需原料）Table 1 UHPC raw material mix ratio（material required for each cubic meter） kg

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，圓環(huán)法試驗(yàn)設(shè)備由標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)＞?、?yīng)變儀和其他配套試驗(yàn)用具構(gòu)成。其中，圓環(huán)法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)＞哂傻装?、外環(huán)、內(nèi)環(huán)組成，其尺寸如表2所示，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。底板要求光滑平整不吸水，并配有固定螺栓以限制試件澆筑成型的形狀。內(nèi)環(huán)和外環(huán)均為鋼環(huán)，兩者間距37.5 mm。

試驗(yàn)開始前，為保證試驗(yàn)條件標(biāo)準(zhǔn)化，需將試驗(yàn)室溫度控制在（23.0±2.0）℃，相對濕度控制在（50±4）%。可通過外部設(shè)備進(jìn)行溫濕度控制，并每日使用溫濕度儀進(jìn)行記錄。

表2 圓環(huán)法試驗(yàn)?zāi)＞叱叽鏣able 2 Dimension of ring test mold mm

試驗(yàn)主要步驟如下:

圖1 圓環(huán)法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)＞撸ˋSTM C 1581）Fig.1 Standard ring test mold（ASTM C 1581）

（1）將模具安裝完畢，置于平整處，然后將2個(gè)或4 個(gè)應(yīng)變片用環(huán)氧膠對稱固定于內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)1/2 高度處，并連接到應(yīng)變儀上，確定連接和讀數(shù)正常后等待至少4 小時(shí)，確保膠水充分黏結(jié)和應(yīng)變儀預(yù)熱完成。

（2）按設(shè)計(jì)配合比拌和UHPC，在外層鋼環(huán)內(nèi)刷油，將拌合好的UHPC 分兩層澆筑于兩層鋼環(huán)間，每層澆筑后用搗棒插搗75次，然后表面抹平。

（3）40～50 min UHPC 試件成型，立即移除固定螺栓，將應(yīng)變片讀數(shù)全部清零并開始檢測應(yīng)變值，自動(dòng)采樣間隔應(yīng)小于30 min。同時(shí)立即進(jìn)行試件養(yǎng)護(hù)操作，即在試件上表面覆蓋一層濕潤的麻布片并用樹脂薄膜密封，如圖2所示。

圖2 圓環(huán)試件養(yǎng)護(hù)Fig.2 Curing for ring test specimens

（4）養(yǎng)護(hù)24 h 后拆除外環(huán)，然后用石蠟密封試件的上表面，以確保試件只通過外表面失水，如圖3 所示。記錄上表面密封后的第一個(gè)應(yīng)變讀數(shù)作為初始讀數(shù)，對應(yīng)的時(shí)刻作為初始時(shí)刻。

圖3 石蠟密封試件上表面Fig.3 Seal the upper surface of specimens with paraffin

（5）當(dāng)至少一個(gè)應(yīng)變片測得的應(yīng)變值出現(xiàn)大于30 με 的突減時(shí)，記錄該時(shí)刻的應(yīng)變讀數(shù)作為終止讀數(shù)，對應(yīng)的時(shí)刻作為終止時(shí)刻，并終止試驗(yàn)。若應(yīng)變值超過28 d沒有突減，則記錄“試件不開裂”并記錄試驗(yàn)終止時(shí)刻。

3 開裂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

根據(jù)美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)［5］，圓環(huán)法以一組試件的平均應(yīng)力發(fā)展速率S作為抗裂性能的主要評價(jià)指標(biāo)。S可通過各試件應(yīng)變片隨時(shí)間t變化的環(huán)向應(yīng)變值ε間接獲得。步驟如下:

（1）對于單個(gè)應(yīng)變片，對不同時(shí)間t測定的ε值按照回歸函數(shù)式（1）進(jìn)行回歸分析，確定應(yīng)變發(fā)展速率系數(shù)α:

（2）對于單個(gè)試件，將多個(gè)應(yīng)變片的α取平均數(shù)，得到平均應(yīng)變發(fā)展速率系數(shù)αavg，然后由式（2）計(jì)算試件的應(yīng)力發(fā)展速率q:

式中:G為鋼環(huán)剪切模量，取G=72.2 GPa；tr為該試驗(yàn)終止時(shí)刻，單位為d，若該試件所有應(yīng)變片的應(yīng)變值超過28 d不突減，則tr按28 d計(jì)。

（3）將3 個(gè)試件的q值取平均數(shù)，得到平均應(yīng)力發(fā)展速率S，精確到0.01 MPa/d。

（4）將S統(tǒng)計(jì)值與開裂時(shí)間按表2 進(jìn)行綜合比較，得到該組試件的開裂風(fēng)險(xiǎn)等級。

表2 開裂風(fēng)險(xiǎn)等級劃分Table 2 Potential for cracking classification

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)將 A、B、C 三組各成型 3 個(gè)試件，按上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)試件應(yīng)變讀數(shù)記錄間隔為10 min。經(jīng)過28 d后試驗(yàn)結(jié)束并整理應(yīng)變數(shù)據(jù)。其中，A、B 兩組試件經(jīng)過28 d 后未出現(xiàn)表觀裂縫，C 組的3 個(gè)試件經(jīng)過3 d 后均出現(xiàn)明顯裂縫，故C組僅記錄3 d內(nèi)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

4.1 鋼環(huán)應(yīng)變結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)記錄的內(nèi)環(huán)應(yīng)變及對應(yīng)的時(shí)刻數(shù)據(jù)，可得到單個(gè)試件中每個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值ε與時(shí)間t的對應(yīng)關(guān)系，每組取1個(gè)典型試件的試驗(yàn)結(jié)果繪出，如圖4所示。

圖4 單試件各應(yīng)變片位置的時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Time vs.stress at each gage position of certain specimen

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于單個(gè)試件，4 個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變曲線在最初4 d內(nèi)的變化率大致相近，但4 d之后曲線會(huì)出現(xiàn)較大的差異，這是由于材料不同位置收縮的不均勻性導(dǎo)致的。

觀察圖4（a）可發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)開始的最初約36 h 內(nèi)，A 組摻膨脹劑的典型試件各應(yīng)變片數(shù)據(jù)均顯示為拉應(yīng)變，且在24 小時(shí)達(dá)到峰值?？梢哉J(rèn)為試件在膨脹劑的作用下持續(xù)產(chǎn)生膨脹作用，并且大于收縮作用，導(dǎo)致試件受壓而鋼環(huán)受拉；24 h后，膨脹效應(yīng)開始減小，試件應(yīng)變主要受收縮影響，鋼環(huán)壓應(yīng)變逐漸增大。

觀察圖4 后發(fā)現(xiàn)，A、B 兩組選取的典型試件在28 d 內(nèi)均未出現(xiàn)大于30 με 的突減，試件未開裂。C 組所選取的試件在試驗(yàn)開始后3 d 內(nèi)即出現(xiàn)大于30 με 的突減，表明該試件已經(jīng)出現(xiàn)開裂。造成上述結(jié)果的原因是，三組材料均具有較低的水膠比，早期收縮較一般混凝土更大，在約束條件下更容易產(chǎn)生早期開裂，使得未添加鋼纖維的C組試件很快出現(xiàn)開裂；然而，由于A、B 兩組UHPC 中的鋼纖維大幅提高了材料的抗拉能力，使得這兩組試件在鋼板約束條件下收縮時(shí)不易受拉開裂。

對比圖4（a）、圖4（b）可知，相同時(shí)刻下，A 組典型試件的各應(yīng)變片讀數(shù)普遍小于B 組典型試件。A 組典型試件最大壓應(yīng)變讀數(shù)為118 με，平均最大壓應(yīng)變?yōu)?6 με；B 組典型試件最大壓應(yīng)變讀數(shù)為140 με，平均最大壓應(yīng)變?yōu)?01 με。該結(jié)果表明，由于膨脹劑在試驗(yàn)初期的作用抵消了部分收縮，使試件最終因收縮產(chǎn)生的應(yīng)變減小。

將單個(gè)試件所有應(yīng)變片在同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到各組單個(gè)試件平均應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，如圖5所示。

圖5 中顯示的各組試件平均應(yīng)變曲線隨時(shí)間變化的總體趨勢和圖4 中單個(gè)試件各組應(yīng)變片的趨勢基本對應(yīng)。盡管A、B 兩組各試件平均應(yīng)變在28 d 內(nèi)有小幅波動(dòng)，但均未出現(xiàn)大于30 με 的突減，而C組試件在試驗(yàn)開始后3 d內(nèi)全部出現(xiàn)大于30 με 的突減。通過表面觀察亦證明該組試件在試驗(yàn)初期已全部出現(xiàn)開裂，如圖6 所示。該結(jié)果同樣驗(yàn)證了鋼纖維對UHPC 材料的抗拉有顯著提高。

圖5（a）和圖5（b）表明，養(yǎng)護(hù)結(jié)束10 d后，A、B兩組試件內(nèi)環(huán)的壓應(yīng)變趨于穩(wěn)定，可推斷10 d 后兩組試件收縮過程基本結(jié)束。

圖5單試件的時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Time vs.stress of each specimen

比較各組鋼環(huán)最大應(yīng)變可知，A 組最大單試件平均應(yīng)變達(dá)到86 με，B組最大達(dá)到113 με。

圖6 C組試件表面開裂Fig.6 Surface crack of group C specimen

將各組單個(gè)試件的平均應(yīng)變值進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，得到每組試件平均應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，如圖7所示。對比A 組和B組平均應(yīng)變值可知，A 組在試驗(yàn)開始后約24 h 的平均壓應(yīng)變值比B 組小20 με；之后兩者差值趨于穩(wěn)定，但仍在緩慢增加，最終A組比B組的平均壓應(yīng)變值小30 με。

圖7各組的時(shí)間-平均應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Time vs.average stress of each group

通過圖7 可知，在每方原料中添加高性能CSA 膨脹劑1.5 kg，可以使UHPC 受收縮引起的28 d內(nèi)應(yīng)變最大值降低約30με，從而對材料的抗裂性能提升起到有利影響。

4.2 應(yīng)力發(fā)展速率評估及開裂風(fēng)險(xiǎn)評估

將所有試件各應(yīng)變片測得的鋼環(huán)環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)和對應(yīng)時(shí)刻按式（1）進(jìn)行回歸分析，確定各應(yīng)變片的發(fā)展速率系數(shù)α和單個(gè)試件的平均發(fā)展速率系數(shù)αavg，并根據(jù)式（2）確定各試件應(yīng)力發(fā)展速率q，然后對每組試件的q值取平均值，得到每組的平均應(yīng)力發(fā)展速率S，最終結(jié)合每組的試件平均開裂時(shí)間和S值綜合評估每組試件的開裂風(fēng)險(xiǎn)等級，見表3。

表3 列出了A、B 兩組試件平均發(fā)展速率系數(shù)、應(yīng)力發(fā)展速率及平均應(yīng)力發(fā)展速率，并對兩組試件的開裂風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行了評價(jià)。由于C組試件在試驗(yàn)開始后3 d內(nèi)均出現(xiàn)明顯開裂，故C組的開裂風(fēng)險(xiǎn)等級可判定為高開裂風(fēng)險(xiǎn)，其數(shù)據(jù)不列入表3中。A組試件的平均應(yīng)力發(fā)展速率為0.07，低于B 組的0.11，結(jié)合兩組試驗(yàn)的終止時(shí)間和S值，可判定A組為低開裂風(fēng)險(xiǎn)，B組為中低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

表3 結(jié)果進(jìn)一步表明，膨脹劑的添加可以降低UHPC 收縮應(yīng)力的發(fā)展速率，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)等級。

5 結(jié) 論

（1）本文通過圓環(huán)法試驗(yàn)結(jié)合回歸分析，定量分析了UHPC 材料在約束條件下的早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。研究成果為今后膨脹劑在防治鋼橋面UHPC鋪裝早期裂縫中的使用及相關(guān)問題的探索起到了一定的參考作用。

（2）UHPC由于其較低的水膠比，相比常規(guī)混凝土材料而言收縮率較大。但UHPC 中的鋼纖維對于材料抗拉性能的提升有顯著效果，使材料在鋼板約束條件下能具有一定的抗裂性能。

表3 A、B組試件開裂風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Table 3 Cracking potential evaluation of group A and B

（3）通過在UHPC中加入適量膨脹劑，可以部分抵消材料的早期收縮，使其最終收縮應(yīng)力減小，并可降低其收縮應(yīng)力發(fā)展速率，進(jìn)一步降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（4）膨脹劑的用量、種類及鋼纖維參數(shù)等與混凝土收縮的進(jìn)一步數(shù)值關(guān)系對實(shí)際工程混凝土的配方優(yōu)化有重要的指導(dǎo)作用，需通過更多試驗(yàn)和分析來確定。