水胶比对水胶比的影响

水胶比对水胶比的影响

年轻时混凝土的性能处于快速发展阶段，这一时期混凝土的微结构发育、力学能和变形发育直接影响到混凝土的性能。混凝土早期体积变化会影响混凝土最终体积稳定性和裂缝的形成。随着高强混凝土的大量使用,混凝土水灰比的不断降低,自收缩在混凝土收缩中的权重越来越大,对混凝土耐久性影响也越来越大。混凝土早期自收缩发展快,收缩初测时间的选择直接影响混凝土收缩测量值的大小。测量时间越晚,测得的混凝土收缩越小。混凝土凝结前其变形为塑性流动,凝结后的变形才能够导致收缩应力的产生。混凝土自收缩的初测时间一般选择为其凝结时间。了解混凝土凝结时间与水胶比的关系,对收缩测量和工程施工均有积极意义。混凝土凝结后,内部水分充足,内部相对湿度为100%。随着水泥水化耗水和干燥失水的共同作用,其内部相对湿度会出现下降。混凝土内部湿度下降的时刻可定义为湿度发展的临界时刻。在湿度下降之后,可以将湿度变化作为混凝土变形内在的驱动力,从而建立相应的混凝土干燥收缩的计算模型。在湿度饱和期,混凝土收缩由化学减缩引发,可以根据化学减缩引起的体积变化建立模型进行预测。湿度饱和期的结束时刻可以看作是混凝土干燥收缩的起始时刻,不同混凝土,其湿度饱和期的长短不同。确定混凝土湿度下降时刻(即临界时刻)与水胶比的关系,可以更好地从机理上为建立收缩模型提供依据。针对以上问题,通过试验对早龄期混凝土自由变形和内部相对湿度的发展进行了详细的测定与分析,对基于变形的凝结时间和基于湿度变化的临界时间进行了详细介绍,以期对混凝土收缩致裂问题的深入理解有所帮助。通过实验对3个强度等级混凝土的凝结时间、临界时间和此阶段的收缩进行了测定。使用等效龄期的方法,消除温度历程的影响,根据试验数据分析了混凝土在参考温度(20℃)下凝结时间、临界时间与水胶比之间的关系。建立了基于水泥水化度和混凝土弹性模量的湿度饱和期混凝土自收缩模型,模型模拟结果与实验结果吻合良好。1实验1.1混凝土的配合比采用金隅牌42.5普通硅酸盐水泥。粗骨料为破碎石灰石,粒径为5~20mm。细骨料为天然砂,细度模数为2.64。粉煤灰为内蒙元宝山发电厂生产的一级低钙灰,硅灰为贵州红枫铁合金厂生产,比表面积为20000m2/kg。减水剂为聚羧酸高性能减水剂。水为自来水。根据抗压强度设计了3个强度等级的混凝土(样品编号为C30、C50和C80),其配合比和28d抗压强度如表1所示。通过调节减水剂用量将混凝土的坍落度控制在80~100mm。1.2混凝土自由变形和内部温湿度的测量采用内尺寸为350mm×100mm×100mm的有机玻璃模具。采用电容式温湿度传感器,湿度测量范围为0~100%,误差为±2%,温度测定范围为–10~60℃,误差为±0.5℃。变形测量采用线性变形差动传感器,量程为0~2mm,精度为1μm。湿度和变形的数值信号均通过计算机采集并存储,采集频率为1次/min。试验在温度为20~23℃的环境中进行。自由变形和温湿度的测量采用文献[2,4–5]中介绍的测量方法。图1为混凝土自由变形和内部温湿度的测量装置示意图。混凝土浇注前,在试模内铺一层塑料膜,安放好铜质收缩头。混凝土浇注完成后,插入用于放置温湿度传感器的塑料管,该塑料管外径为20mm,在距管底2mm处沿外环线方向有两段宽为3mm的不连通的环状带。为了防止水泥浆进入塑料管内部,试验前先在塑料管内部插入与其内径相当的铝棒。试件振动台上振动至表面出浆并抹面,然后将塑料管竖直插入试件中心,使管端不连通环状带位于试件高度中心,然后在试件表面使用双层塑料膜进行密封。在振动过程中需确保铜质收缩头处于试件中心,以保证测量变形为试件中轴线的变形。振捣完成后,将试模置于表面水平的测试平台上。试件浇注约3h后或混凝土凝结前,缓缓拔出塑料管中的铝棒,用海绵吸出残留在塑料管底端的浆体后,将传感器放入塑料管中,并对塑料管口处进行密封,之后缓慢拔出试件两端的有机玻璃薄片和两侧面的砂浆垫板,为混凝土试件营造一个自由变形的空间。然后安装位移传感器,使其测头顶在从试模导出的细螺栓头上,这样测得的铜质测头的水平位移就是混凝土试件长度方向的变形。所有实验均需进行至混凝土内部相对湿度下降之后结束。2结果和分析2.1混凝土水化过程的理论分析图2为试验测得的混凝土早期自由变形、内部相对湿度与龄期的典型关系曲线。图2中变形曲线斜率为正时表明混凝土变形趋势为收缩,为负时表明混凝土变形趋势为膨胀。由图2可以看出,早龄期混凝土的变形发展规律表现为先膨胀后收缩的特征,张君等、Sule等和Bentur等均发现早龄期混凝土有此变形特征。膨胀变形的结束点可定义为基于变形的混凝土凝结时刻,相当于流态向固态的转变点。将基于变形测定的混凝土凝结时刻作为其收缩测量的起始时刻,可准确地获得混凝土收缩变形的大小。此外,由图2可将混凝土浇注完成后其自由变形的发展分为4个阶段:1)塑性流动阶段。刚浇注完成的混凝土处于塑性流动状态,混凝土在其自重作用下会产生塑性沉降和侧向膨胀。当试件处于自由状态时,其线变形表现为膨胀。随着水泥水化反应的进行,水化产物增多并出现部分固相物质的相互搭接,当混凝土整体强度足以支撑混凝土自身质量时,混凝土的侧向膨胀停止,体积变形开始转变为收缩,塑性流动阶段结束。2)快速收缩阶段。由于此阶段混凝土内部仅有部分固相相互搭接形成骨架,混凝土自身刚度较低,化学减缩能够较大幅度地表现为自收缩,加之早期混凝土内部水泥水化速率较大,因此,此阶段混凝土收缩呈快速增长特征。3)缓慢发展阶段。当水化产物将混凝土内部固相颗粒搭接成完整的网络,混凝土的刚度变大。由于混凝土自身的限制作用,此后的化学减缩仅有小部分转化为自收缩。4)自干燥收缩阶段。混凝土内部湿度不饱和时,水泥石内部毛细孔负压形成,在毛细张力的作用下混凝土收缩进一步发展。混凝土浇注初期,固体颗粒表面及其间隙由液态水填充,形成连通的液态水网络,混凝土内部相对湿度为100%。随着龄期的增长,水泥水化持续消耗水分,与此同时水泥水化产物将固体颗粒固相进行搭接,逐渐切断起初的液态水网络而形成固相网络,此时混凝土内部相对湿度开始下降(如图2所示)。因此早龄期混凝土内部湿度发展可分为:相对湿度为100%的湿度饱和期(阶段Ⅰ),混凝土内部相对湿度出现下降的时间定义为临界时间,湿度下降时刻对应的混凝土内部水泥水化程度为临界水化度;混凝土内部相对湿度出现下降后,混凝土内部相对湿度发展进入阶段Ⅱ。通常情况下,混凝土湿度饱和期与混凝土水胶比和表面干燥状态相关。相同的表面状态时,混凝土水胶比越大,临界时间越长;表面干燥状态直接影响混凝土的临界时间,混凝土表面干燥越迅速,失水越快,其临界时间越短。不考虑外界水分进入时,由于水泥水化会消耗大量水分,无论混凝土表面干燥状态如何,其内部相对湿度总会出现下降,只是临界时间的长短不同。在无外部水分进入混凝土中时,密封状态下混凝土的临界时间最长。混凝土处于湿度饱和状态时,由于内部没有毛细张力的作用,不会产生干燥收缩,其收缩主要由化学减缩引发。临界时间是混凝土干燥(包括自干燥)收缩的起点。本实验仅研究了密封状态下不同混凝土的临界时间,一是可以为临界时间提供可供参考的上限值,同时通过模型模拟混凝土凝结之后至湿度下降这一阶段的收缩,可以为计算化学减缩引起的自收缩提供可靠的模型参数。后文中提及的临界时间均特指密封状态下混凝土的临界时间。混凝土内部湿度下降与水泥水化耗水相关,而水泥水化速率与混凝土内温度历程有关。为消除不同温度历程对水泥水化程度的影响,现引入等效龄期的概念,即混凝土在参考温度下(一般取20℃)达到实际温度历程下某一时刻的成熟度所需要的时间,称之为等效龄期,即:式中:te为等效龄期;T为混凝土的养护温度;R为气体常数,取8.314J/(mol·K);Uar为参考温度时的水泥水化反应活化能;UaT为温度为T时的反应活化能。其中Ua是时间和温度的函数,可近似表达为:采用等效龄期,不仅可以把任意温度历程下混凝土凝结时间和临界时间转化为参考温度下的相应参数以便相互比较,且只要建立了混凝土水胶比在参考温度(通常取20℃)与相应等效龄期的关系,就可以利用等效龄期预测任意温度历程下混凝土的凝结和临界时间。图3所示为实验测定的不同强度等级混凝土的等效凝结时间和密封状态下的等效临界时间。可以看出,混凝土的等效凝结时间均小于等效临界时间,即密封条件下内部湿度开始下降时间晚于凝结时间。出现这一现象的原因是当水化产物相互搭接,混凝土整体强度足以支撑其自重时,混凝土表现为凝结。而此时混凝土内部还有较多自由水,且自由水形成连通的网络,其内部相对湿度仍等于100%。只有当水泥水化继续进行,液态水连通网络被阻断,其内部因化学减缩形成的毛细孔中的水气含量达不到饱和时,相对湿度即开始下降。所以通常情况下混凝土凝结在先,内部相对湿度下降在后。其次,二者之差异随水胶比的增大而增加。3个强度等级混凝土,按等效凝结时间和等效临界时间从大到小依次为:C30、C50、C80。混凝土水胶比越大,水泥颗粒间水膜越厚,水化产物搭接形成骨架的时间越长,所以其凝结时间长,同时因其含水量越大,混凝土湿度饱和期持续时间越长,临界时间越长。为了便于应用,根据试验数据统计,混凝土水胶比与等效凝结时间(teq,0)和临界时间(teq,c)与水胶比(w/b)之间的关系可回归为:2.2混凝土中水化度的计算从图2所示的混凝土早期收缩随龄期发展曲线可以发现,在湿度饱和期内收缩有明显的两阶段发展特征。根据2.1节分析,在混凝土内部湿度饱和期,由于水泥水化形成的化学减缩仍能使混凝土宏观上形成收缩,但由于此时混凝土内部液态水仍能够形成相互连通的网络,其内部湿度仍就表现为100%。由于混凝土已经凝结,自身刚度的形成使其有一定的抵抗变形能力,化学减缩导致的体积减小只有一部分转化为混凝土收缩,且转化程度与混凝土的弹性模量相关。设某时刻混凝土的收缩应变为ε,化学减缩引起的单位体积减少为Vcs。同时假设混凝土刚度影响系数(f)为混凝土弹性模量(E)的函数,且可表达为:其中k1、k2可通过实验数据回归求得。对棱柱体试件,混凝土化学减缩和实际体积减少之间的关系为:式中:V0为混凝土凝结时的化学减缩;1–(1–ε)3为混凝土凝结后收缩导致的体积减小;(Vc-V0)为混凝土凝结后的化学减缩。根据Powers的水泥水化模型,对不掺加硅灰的混凝土:对掺加硅灰的混凝土:式中:ρw/ρc为水与水泥的密度比;w/c为水与水泥质量比,即水灰比;s/c为硅灰与水泥的质量比。因此,考虑混凝土刚度和化学减缩的混凝土湿度饱和期收缩可由式(6)获得,即:利用式(12)计算混凝土湿度饱和期收缩的前提是知晓水泥水化度和混凝土弹性模量。关于混凝土中水泥的水化度的确定,采用水化热法,通过混凝土绝热温升试验确定,即将混凝土中水泥水化度定义为:式中:Tad(t)为t时刻的绝热温升值;Tad(∞)为最终绝热温升值;αu为混凝土中水泥的最终水化程度。由式(13)获得的试验数据,可将水泥水化度模拟为等效龄期的函数,即:式中:A、B为试验确定的常数;te为参考温度为20℃时的等效龄期,h。αu通常是水灰比(w/c)和矿物掺合料的函数。Mills在大量实验的基础上给出了普通水泥混凝土中水泥最终水化度的表达式:现代混凝土的一个重要特征是矿物掺合料的使用,而矿物掺合料会影响水泥的最终水化度。Schindler等就粉煤灰和矿渣对混凝土中水泥最终水化度的影响进行了大量实验研究,对Mills提出的水泥最终水化度模型进行了修正,即:式中:PFA为粉煤灰质量与总的胶凝材料质量比;PSLAG为矿渣质量与总的胶凝材料质量比。在高强混凝土中,硅粉被广泛使用。硅粉的掺加会降低混凝土中水泥最终水化程度,因为火山灰反应会生成额外的C–S–H凝胶,将一部分水分限制在凝胶孔内,无法参加水泥水化反应。值得注意的是,虽然硅粉会降低水泥最终水化度,但是并不意味着C–S–H凝胶总量会减少。因为硅粉参与的火山灰反应也会生成的C–S–H凝胶,事实上,硅粉的掺加会增加C–S–H凝胶的总量。Luzio等给出了掺加硅灰的混凝土中水泥水化的最终水化度:式中:αs∞为硅粉的最终反应程度,可由下式计算:式中:ke为硅粉“有效系数”,因为硅粉中只有SiO2参加火山灰反应,剩余的部分不参加任何化学反应,仅仅起填充孔隙的作用,可以表达为硅粉中SiO2质量与硅粉总质量的比值。通常情况下,ke的取值为0.85~0.95,根据对试验中使用硅粉的成分分析,本研究中ke取0.95;(s/c)req=min(0.16,0.4w/c)。此外,混凝土的弹性模量与胶凝材料的水化程度有关,基于水化度的混凝土弹性模量可模拟为:式中:E28是28d弹性模量;β为曲线形状参数,可由试验确定;α0为混凝土凝结时的水泥水化度,可通过等效凝结时间利用式(14)进行计算。通过上述模型,如已知水泥水化程度,即可对湿度饱和期收缩进行模拟。为此首先对试验用3个强度等级混凝土的弹性模量进行了模拟,图4所示为3种混凝土弹性模量实验值和模型预测值,其中混凝土的水化度计算参数和28d的弹性模量列于表2。可见模型结果与试验结果吻合良好。图5所示为3个强度等级混凝土湿度饱和期收缩实验结果和模型计算结果,C30、C50、C80混凝土的k1回归值分别为0.0133、2.8100和1.4000,k2的回归值分别为–0.20、–1.50和–1.13。表3为3个强度等级混凝土的等效凝结时间和凝结时