張秀磊

(山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)湯河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 臨沂 276026)

0 引 言

由于高摻量粉煤灰混凝土(HCFA)[1]具有減小和降低熱開裂風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)點(diǎn)而大量應(yīng)用在大壩建造工程中。為響應(yīng)國家綠色、健康發(fā)展的號(hào)召，建造耐久性強(qiáng)、綠色的大壩，大量學(xué)者對摻有粉煤灰的混凝土開展了深入的研究，代表性成果是粉煤灰含量高達(dá)80%的粉煤灰混凝土(UHVF)，這種混凝土目前也廣泛用在筑壩工程當(dāng)中[2]。對于大壩而言，最重要的是其抗開裂性，但目前研究人員并未全面、深入地研究UHVF的抗開裂性能，因此對UHVF自身的收縮變形特性的報(bào)道也較少。

由于水泥在形成初始結(jié)構(gòu)后，會(huì)開始發(fā)生收縮變形，這是由水泥持續(xù)發(fā)生的水化反應(yīng)導(dǎo)致的，其收縮規(guī)律受多種因素的影響，如粗細(xì)骨料的占比、礦物種類、水泥的品種、水膠比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和方式等。國內(nèi)部分研究成果也揭示了混凝土收縮變形與澆筑時(shí)環(huán)境溫度之間的關(guān)系。根據(jù)CEB-FIP較為成熟的理論基礎(chǔ)，Tazawa等[3]首次提出了混凝土的收縮變形會(huì)受到養(yǎng)護(hù)溫度影響的理論，并給出“等效齡期”函數(shù)，這一概念是通過觀察混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的收縮變形規(guī)律來對某種養(yǎng)護(hù)溫度條件下混凝土的收縮變型規(guī)律進(jìn)行研究，該函數(shù)對范圍在10℃～40℃內(nèi)的混凝土收縮變形具有較好的預(yù)測效果。在實(shí)際的筑壩工程中，因?yàn)樗嗨艧岷屯饨绻こ虠l件會(huì)對混凝土強(qiáng)度造成影響，所以養(yǎng)護(hù)大壩混凝土?xí)r通常是采取溫度可變的模式，但目前國內(nèi)研究變溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土變形規(guī)律的成果和結(jié)論還比較少[4]。

為了研究UHVF自收縮性在早期時(shí)的變化特性，本文借助溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)設(shè)置兩種養(yǎng)護(hù)溫度開展室內(nèi)模擬試驗(yàn)。以某大壩筑壩原材料為例，配置粉煤灰含量達(dá)80%的UHVF混凝土，并設(shè)置兩種溫度變化過程，對其開展溫度-應(yīng)力試驗(yàn)(Tempera-stress tester，簡稱為TST)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出其早齡期的熱膨脹系數(shù)，最后將其收縮變形從總體變形中剝離出來，以此探究大壩混凝土在溫度改變的情況下，自身收縮變形的發(fā)展規(guī)律。

1 溫度-應(yīng)力試驗(yàn)

1.1 材 料

本文以某地區(qū)水庫大壩為背景，該壩頂高程222 m，壩長310 m，筑壩混凝土配合比見表1，以單位立方米混凝土進(jìn)行計(jì)算。配置粉煤灰含量較多的混凝土?xí)r，選用的是“等漿體積法”。試驗(yàn)過程中，所用的混凝土均選用同樣的原材料：聚羧酸高效減水劑、銀凱NOF-AE引氣劑、粗細(xì)骨料都選自人為碾碎的花崗巖、粉煤灰為F類Ⅲ級、普通硅酸鹽水泥選用華新牌。

表1 筑壩混凝土配合比 /kg·m-3

1.2 試驗(yàn)所用的設(shè)備

溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)[5]為此次試驗(yàn)所用的設(shè)備，英文名為Temperature-stress tester machine(TSTM)。TST試驗(yàn)的試樣為兩個(gè)試樣：一個(gè)為平行試樣；一個(gè)為自主試樣，兩個(gè)試樣大小一致，外形均類似棒骨頭。其中，自主試樣受約束，平行試樣不受控制，只參與測量，可以自由變形。樣品有效長度處的截面是正方形，邊長為150 mm，有效長度是截面尺寸的10倍，為1 500 mm。兩側(cè)裝有能夠控制溫度的模板，可以控制和實(shí)時(shí)跟蹤試樣環(huán)境溫度，以達(dá)到保證試樣內(nèi)部溫度與周圍環(huán)境溫度相一致的目的。該設(shè)備能夠滿足多種模式的試驗(yàn)，主要包括：

1) 第一種模式為近似絕熱溫升。表示可以讓混凝土的水化不受限制，模板內(nèi)的特殊介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)對混凝土內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)跟蹤測量的目的，在溫度達(dá)到最大值后，可以保持一段時(shí)間的恒溫，再以可控速度進(jìn)行降溫；直到試樣破壞。

2) 第二種為數(shù)據(jù)存檔模式。即在試驗(yàn)開始前就將溫度變化曲線設(shè)置好，并可控制試驗(yàn)中試樣周圍的環(huán)境。

3) 第三種模式為恒溫模式。即可以使混凝土的水化反應(yīng)在恒溫環(huán)境中進(jìn)行，并且TSTM系統(tǒng)中布置的數(shù)據(jù)收集器會(huì)把試樣的溫度變化、應(yīng)力應(yīng)變的變化歷程詳盡地記錄下來。

當(dāng)試件變形閾值到達(dá)1 μm后，電機(jī)開始工作，將試樣拉回到原點(diǎn)，這樣能夠保證試樣不會(huì)在長度上發(fā)生變化。并且TSTM可以通過控溫板來控制試樣溫度，可以開展變溫和等溫試驗(yàn)。TST每組中兩個(gè)試樣具有相同的養(yǎng)護(hù)模式。

1.3 試驗(yàn)操作步驟

開始試驗(yàn)前，在模板兩側(cè)刷一道底油，貼上尺寸大小一致的透明塑料膜，完成這些之后再把混凝土倒入模具。為了避免砂漿滲透，將銅版紙放置在試樣兩頭的圓弧處。在自由試樣和約束試樣的模板中，分別倒入剛配置好的混凝土，并分兩層倒入。為了避免試樣兩端應(yīng)力集中而斷裂，要把短鋼筋放置在模板兩端。注意在澆筑混凝土?xí)r，要持續(xù)不斷地用振動(dòng)棒對其進(jìn)行振搗，避免有過多氣泡，以保證混凝土的密實(shí)性。然后對試樣表面進(jìn)行抹平，同時(shí)為了避免外界水分對混凝土式樣造成影響，要用塑料薄膜將試樣密封處理。裝好試樣后，打開系統(tǒng)的操作界面，對溫度變化過程進(jìn)行設(shè)置，并把溫度的變化過程同步輸入到試驗(yàn)機(jī)器上，點(diǎn)擊開始試驗(yàn)，試樣開始被拉伸，直至受約束的樣品被拉斷。假如出現(xiàn)溫度降低到最低處時(shí)還未拉斷試樣，這時(shí)需要人工進(jìn)行干預(yù)來把試樣拉斷。本次試驗(yàn)全部過程均在室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)溫度不變。試驗(yàn)過程中溫度控制有兩種模式：一種是TMC(溫度匹配)模式，一種是絕熱養(yǎng)護(hù)模式。大壩混凝土的應(yīng)力隨溫度變化試驗(yàn)就是在這兩種模式下進(jìn)行的。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 應(yīng)力隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果

TST試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)對試樣的應(yīng)變過程、溫度發(fā)展進(jìn)行了記錄。圖1為混凝土在絕熱和TMC模式下溫度變化過程中的應(yīng)變與實(shí)測溫度之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，F(xiàn)80混凝土即便是在機(jī)器達(dá)到溫控最低值-15°時(shí)也未發(fā)生破壞斷裂，而是采取了人工干預(yù)使其斷開。

圖1 大壩混凝土的自由應(yīng)變及溫度發(fā)展曲線

2.2 溫度變化時(shí)大壩混凝土收縮變形分析

本文對大壩混凝土等效齡期的計(jì)算選用兩種模型，分別是Pedersen和Freiesleben模型，圖2為實(shí)際-等效齡期之間的關(guān)系。此關(guān)系中，對體積比較大的混凝土失水收縮未作考慮，假定自生體積應(yīng)變和溫度變形之和就是它的總變形，表達(dá)式為：

圖2 混凝土等效及實(shí)際齡期間的轉(zhuǎn)換

εtot=εT+εA

(1)

εtot(t)=∑αT(t)·ΔTi+εA(t)

(2)

式中：εtot為自由應(yīng)變；εT為溫度應(yīng)變；αT(t)為ΔTi時(shí)間范圍里熱膨脹系數(shù)；εA為自由應(yīng)變。

以現(xiàn)有學(xué)者提出的熱膨脹系數(shù)模型為基礎(chǔ)[8]，與式(1)、式(2)相結(jié)合，能夠?qū)⑵渥允湛s變形分離出來。因?yàn)橹嗡没炷猎谀Y(jié)之前是可流動(dòng)狀態(tài)，自由試樣不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力積累的情況，不會(huì)對其抗裂性能造成影響。所以，在記錄變形分離這個(gè)過程時(shí)，計(jì)算要從混凝土初步凝結(jié)時(shí)開始，其初凝時(shí)間為28.6 h，終凝時(shí)間為39.5 h。在不同溫度模式下養(yǎng)護(hù)的大壩混凝土，從初凝開始積累至168 h時(shí)等效齡期的自收縮變形、溫度變形、早齡期自由變形的變化曲線見圖3和圖4。

圖3 絕熱養(yǎng)護(hù)模式下大壩混凝土的應(yīng)變發(fā)展圖

圖4 匹配養(yǎng)護(hù)模式下大壩混凝土的應(yīng)變發(fā)展圖

3 對某地區(qū)大壩混凝土自收縮變形的分析與討論

有研究顯示，大壩混凝土的自收縮變形速度在澆筑后的48h內(nèi)有較快的增長。因?yàn)楸疚脑诖舜卧囼?yàn)中設(shè)計(jì)的齡期不長，所以對大壩混凝土變形情況選定的等效齡期為7d(168 h)。F80大壩混凝土的溫度應(yīng)變出現(xiàn)偏小的情況是因?yàn)槠湓邶g期開始階段的變化較為平緩，因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)速度原本就要大于粉煤灰的速度，隨著混凝土里粉煤灰的占比不斷增加，有效水膠比因粉煤灰的增多而被增多，混凝土內(nèi)部的水分會(huì)隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行而減少，而有效水膠比的增加卻會(huì)延緩這種趨勢，以此限制了自收縮的變形。

通過設(shè)置兩種不同的溫度模式對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并開展應(yīng)力試驗(yàn)，以此得出該地區(qū)大壩混凝土自身變形與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系，見圖5。

圖5 兩種溫度變化過程下等效齡期和自收縮變形關(guān)系對比圖

從圖5中可以看出，TMC比絕熱模式下的自收縮變形要小，雖然兩種模式下試樣具有一樣的等效齡期，但它們的收縮變形卻存在著一些差異。這一表現(xiàn)反映出想要精準(zhǔn)預(yù)測混凝土的收縮變形，僅僅采用“等效齡期”這一種方式是不太可行的，預(yù)測的結(jié)果會(huì)有較大的偏差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的具體原因是凝膠體的孔隙結(jié)構(gòu)、相對濕度、水化過程等微觀變化會(huì)受到養(yǎng)護(hù)溫度的影響，且受影響程度較大。但在實(shí)際施工過程中，筑壩混凝土往往會(huì)受到外界很多因素的影響，其養(yǎng)護(hù)過程中的溫度不是一成不變的，這就勢必會(huì)影響到大壩混凝土自收縮變形的預(yù)測。為了更精準(zhǔn)地對變溫度養(yǎng)護(hù)過程中大壩混凝土收縮變形的預(yù)測，還需要對現(xiàn)有預(yù)測模型進(jìn)行改進(jìn)，提出實(shí)用性更強(qiáng)、預(yù)測精度更高的模型。

4 結(jié) 論

本文選取TMC模式和絕熱模式這兩種溫度變化過程對某地區(qū)大壩混凝土開展了溫度-應(yīng)力試驗(yàn)，結(jié)果如下：

1) 可以通過將溫度變形從齡期剛開始時(shí)的自由應(yīng)變里剝離出來的方法，來得到其在早期時(shí)的自收縮變形。并且大壩混凝土的自收縮會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，溫度變化過程也會(huì)對其自收縮變形產(chǎn)生影響。

2) 當(dāng)混凝土類別一樣時(shí)，其在溫度匹配模式情況下的自收縮變形要小于絕熱模式下的自收縮變形。

3) 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，目前的“等效齡期”預(yù)測法仍存在一些缺點(diǎn)，需要深入研究并改進(jìn)。