矿物掺合料对混凝土收缩和徐变性能的研究.doc

矿物掺合料对混凝土收缩和徐变性能的研究张 勇（铁道科学研究院铁道建筑研究所 北京 100081）摘要：通过高性能混凝土与普通混凝土收缩性能和徐变性能的比对试验指出：高性能混凝土的早期收缩偏大，必须加强混凝土早期养护，否则更容易引起早期开裂。高性能混凝土的后期收缩和总收缩是偏小的，如果早期不开裂则后期开裂的可能性减小，对长期耐久性有利。高性能混凝土的徐变值与普通混凝土相比均有一定程度的降低，表明高性能混凝土结构在持续应力作用下的应变会相应减少，这将有利于增加混凝土结构的稳定性。高性能混凝土预应力试验梁的长期收缩、徐变变形与徐变上拱均小于理论计算值，其长期收缩、徐变变形随时间的发展趋势与以往普通混凝土梁试验研究成果相一致，表明高性能混凝土构件的长期体积稳定性性能良好。关键词：混凝土 高性能 掺合料 收缩 徐变 结构中图分类号：TU528.2 文献标识码： 文章编号：1、引言混凝土作为最大宗的建筑材料用于工程建设迄今已有150多年的历史，其技术的发展途径经历了复合化、高强化、高性能化等技术路线。高性能混凝土（High Performance Concrete，缩写HPC）是最近十几年出现的，十几年来，国内外对其进行了大量的研究开发工作，并将其在土建工程中加以推广应用，其应用的最主要目的是为混凝土结构的长期安全使用寿命提供材料保证。目前我国正在进行世界上最大规模的工程建设，保证在建工程的长期使用寿命尤为重要。如铁道部根据国家发改委印发组织实施的中长期铁路网规划的1.2万公里的“四横四纵”铁路客运专线以及三个城际快速客运系统，明确要求桥涵等主体结构的使用寿命达到100年，而保证结构物长期寿命最重要的手段之一就是采用高性能混凝土。高性能混凝土的显著特点之一就是要求具有优异的长期耐久性能，包括抗冻性能、抗渗性能、Cl-渗透性能、耐腐蚀性能、收缩性能和徐变性能等等。目前资料对高性能混凝土抗冻性能、抗渗性能和Cl-渗透性能等已有大量研究，基本形成结论，即通过混凝土配合比的调整可以配制出具有良好抗冻性能、抗渗性能和抗Cl-渗透性能的混凝土。但对高性能混凝土的收缩性能有不同的看法，部分研究人员认为高性能混凝土的收缩变形较大，也有研究人员持反对意见。对于高性能混凝土的徐变性能，由于试验条件的限制，报道较少。但目前在铁路桥梁工程中，建设方，监理方均不同意在预应力钢筋混凝土中掺入粉煤灰，其重要原因之一就是担心徐变影响而产生的损失。我国粉煤灰混凝土应用技术规范（GBJ146-90）规范第3.0.2条中也规定：“对于跨度大于6m的预应力钢筋混凝土可否掺用粉煤灰，尚有待今后积累资料取得成果后再做规定”，但“规范”在编制说明中也指出：“在相同强度条件，掺粉煤灰的混凝土静弹性模量高于不掺粉煤灰的混凝土，徐变和收缩有所降低。此条已限制了粉煤灰在铁路桥梁预应力钢筋混凝土中的应用。因此，作者对铁路工程具有代表性C50强度等级的普通混凝土和掺入一定量的粉煤灰或矿渣粉等矿物掺和料配制的高性能混凝土的收缩性能和徐变性能进行了对比研究，供相关人员参考。2、原材料和配合比2.1原材料（1）水泥：北京拉法基水泥股份有限公司生产的42.5R级低碱普硅水泥。（2）细骨料：北京生产中粗河砂，Mx=2.60，含泥量1.5%，泥块含量0.4%。（3）粗骨料：北京密云产525mm的石灰石，二级配组成的连续级配，压碎指标6.0%，针片状颗粒含量4.0%，含泥量0.5%。（4）粉煤灰：赤峰东元电力公司生产的级粉煤灰。（5）矿渣粉：唐山钢铁厂生产S95级磨细矿渣粉。（6）外加剂：a、铁科院生产TH型高性能混凝土专用复合外加剂；b、日本花王高效减水剂SPN。2.2混凝土配合比C50普通混凝土和高性能混凝土配合比及拌合物性能见表1。表1 混凝土配合比及拌合物性能混凝土类别试验编号胶凝材料总量，kg水泥，kg掺合料，外加剂，坍落度/扩展度，mm含气量，%粉煤灰矿渣粉普通混凝土E1480480/0.7（SPN）1801.6高性能混凝土F748036020/5.0(TH)220/5903.0F848033612.512.55.0(TH)220/5902.8F9480360/205.0(TH)220/5802.83、混凝土收缩性能的研究混凝土硬化后，由于种种原因产生的裂缝对混凝土的劣化起了很大作用。在非荷载作用下混凝土产生裂缝的最常见原因是由于混凝土的收缩变形。混凝土收缩试验按照GBJ82-85普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法中的试验方法进行。试验测试了混凝土在蒸养后无外力的作用下，在温度202，相对湿度605%的环境中的收缩值，试验结果见图1。从图中可以看出，在混凝土硬化后早期阶段（14d内），普通混凝土的收缩值相对较小，而高性能混凝土的收缩值是偏大的，28d左右高性能混凝土的收缩值已小于普通混凝土的收缩值，180d的长期收缩值明显小于普通混凝土的收缩值。这些数据表明，高性能混凝土的早期收缩是偏大的，必须加强混凝土早期湿养护，否则更容易早期开裂。这也是有些施工单位反映使用高性能混凝土容易开裂的原因之一，因此，加强高性能混凝土的早期湿养护更为重要，而不能简单地将普通混凝土的养护方法直接搬运过来。高性能混凝土的后期收缩和总收缩是偏小的，如果早期不开裂则后期开裂的可能性减小，对长期耐久性是有利的。图1 混凝土收缩变形随龄期变化曲线4、混凝土徐变性能研究徐变是指混凝土在承受正常荷载作用下，变形随而时间不断增加的现象。在正常荷载作用下，混凝土应力和应变的关系是时间的函数，即随时间的逐渐增加应变不断增大。因此，也可以将徐变定义为持续应力作用下混凝土应变的增加。混凝土的徐变对混凝土结构性能的影响是多方面的。首先，由于存在徐变，混凝土变形会增加，进而对结构的稳定性产生影响。其次，即使有时徐变并不影响结构极限强度，但它却会对结构的正常使用造成极其严重的隐患。第三，由于徐变会造成预应力钢筋混凝土中预应力的损失，并且影响结构物的应变、挠度甚至应力分布，因而会引起结构产生位移或不均匀沉降，从而影响结构的稳定性。因此，徐变变形对混凝土的结构性能具有重要的影响，是混凝土的重要性质。4.1 混凝土试件徐变性能的研究徐变试验按GBJ82-85普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法中的方法进行，试件尺寸100100300mm，徐变应力取棱柱体抗压强度的40%，变形测量采用千分表。试件经蒸养后转至标准养护10d后，移至温度控制在202，相对湿度605%的徐变室，施加徐变压力，分别测试混凝土试件1d、3d、7d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d的变形值（由试件加荷时起算），并在测量变形读数的同时测定同条件放置的收缩试件的收缩值，最终计算徐变变形。混凝土10d龄期加载混凝土徐变值、徐变度的试验结果见表2和表3，试验结果曲线见图2和图3。从结果可以看出，试验编号F7（粉煤灰掺量20%）、F8（粉煤灰掺量12.5%+矿渣粉掺量12.5%）和F9（矿渣粉掺量20%）的180d的徐变值和徐变度均比试验编号E1普通混凝土的徐变值和徐变度值低。由以上结果可以看出，高性能混凝土的徐变值均有一定程度的降低。这一成果与国内外有关资料所示数据基本相符。这表明，高性能混凝土在持续应力作用下的应变会相应减少，这将有利于增加混凝土结构的稳定性。表2 混凝土徐变值试验结果（10-6）试验编号加载龄期，d瞬时徐变10-41371428456090120150180E-15.094117.2207.8309.4396.9455.0614.1693.8806876926976F-75.453165.6218.8331.3440.6525.0612.5632.8731806825905F-85.1257.860.9135.9226.6356.3393.8465.6545637647719F-94.87550103.1148.4235.9268.8306.3415494489540655表3 混凝土徐变度试验结果（10-6/MPa）试验编号加载龄期，d1371428456090120150180E-16.2311.0516.4521.128.0832.6536.8845.1449.0851.8854.68F-78.9911.8717.9723.9128.4933.2334.3439.6843.7544.7649.09F-80.463.567.9513.2520.8323.0327.2331.8937.2837.8342.03F-92.715.68.0512.814.5816.6222.5526.7926.5429.3335.52 图2 混凝土徐变值曲线 图3 混凝土徐变度曲线4.2 预应力混凝土试验梁的徐变性能混凝土除在硬化过程中产生收缩变形外，由于预应力混凝土梁体长期承受着预压应力，混凝土梁还将产生徐变变形。混凝土的收缩和徐变将使混凝土结构缩短，从而引起预应力筋产生较大的预应力损失，导致混凝土梁中的预压应力减小。实际结构中混凝土的收缩变形和徐变变形交织在一起，无法清晰地分开，为了研究方便，理论上通常将收缩和徐变同时来研究，针对徐变地研究更多一些。另外，预应力混凝土梁在持续的预压应力作用下，由于混凝土徐变使其变形持续地增长，梁不断地向上拱起，反映为混凝土梁的徐变上拱。本节对高性能混凝土配制的预应力混凝土试验梁的徐变性能进行了研究。试验梁全长4.3m，计算跨度4m，矩形截面，高400mm，宽200mm。预应力束在梁体下缘偏心40mm设置，由4根1860级、公称直径15.2mm低松弛预应力钢绞线组成。预应力管道采用直径55mm金属波纹管成孔，预应力管道不进行灌浆，锚固端不封端。采用双点加载，2个加载点分别作用于梁体跨中两侧各0.5m处，加载点之间距离为1m。为测试梁体混凝土的长期收缩、徐变，采用在梁体内设置内埋式应变计的方法。在试验梁的跨中截面布置4个测点。同时在试验梁两侧跨中及支点处布置6个长期挠度测点，采用百分表进行测量，进行徐变上拱的长期测试。测试工作从试验梁张拉（本试验梁采用一次张拉）前开始，在张拉结束后，定期对测试数据进行采集。试验梁设计中试验梁下缘预施压应力取值为16MPa。预施应力时预应力钢筋锚下控制应力设计值 。试验梁跨中截面的内埋测点的徐变测试实测结果见图4。从试验结果可以看出，试验梁收缩、徐变应变在预施压应力后20天内以较快的速度发展，20天后发展速度逐渐减缓。从张拉完成开始计算65天时段内，试验梁的收缩、徐变应变F7为153，F8为214，F9为192。均小于理论计算值276。根据测试结果，F7、F8和F9试验梁张拉完成后其弹性上拱值分别为1.02mm、0.97mm、1.02mm。3片试验梁经过约75天后，徐变上拱增长分别为0.89mm、0.36mm、0.41mm，均小于理论计算值1.13mm。由高性能混凝土试验预应力梁的长期测试结果表明，高性能混凝土构件的收缩、徐变变形与徐变上拱均小于理论计算值，并且随时间的发展趋势与以往普通混凝土梁试验研究成果相一致，表明高性能混凝土构件的长期体积稳定性能良好。 图4 试验梁跨中应变长期测试结果5 结论（1）高性能混凝土的早期收缩是偏大的，必须加强混凝土早期湿养护，否则更容易早期开裂。高性能混凝土的后期收缩和总收缩是偏小的，如果早期不开裂则后期开裂的可能性减小，对长期耐久性是有利的。（2）高性能混凝土的徐变值与普通混凝土相比均有一定程度的降低，表明高性能混凝土结构在持续应力作用下的应变会相应减少，有利于增加混凝土结构的稳定性。（3）高性能混凝土预应力试验梁的长期收缩、徐变变形与徐变上拱均小于理论计算值，并且随时间的发展趋势与以往普通混凝土梁试验研究成果相一致，表明高性能混凝土结构构件的长期体积稳定性性能良好。（4）受本试验条件的限制，试验数据与实际情况会有所不同，仍需在今后研究和应用过程中不