不同养护温度下高强高性能混凝土早龄期自收缩特性.pdf

圃 斩 建魄粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 不同养护温度下高强离J生 能混凝士 早龄期自收缩辅J生 江晨晖 “ z ， 杨杨 。 ， 王晓栋 ， 彭卫兵 。 ， 曾洪波 ( 1 浙江工业大学 化工工程与材料学院， 浙江 杭 州3 1 0 0 1 4 ； 2 浙江建设职业技术学院 建筑工程系， 浙江 杭州 3 1 1 2 3 1 3 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4； 4 杭州建工建材有 限公司 ， 浙江 杭州3 1 1 1 0 7 ) 摘要： 以水胶比分别为 0 3 0 、 0 4 0和0 5 0的混凝土为对象， 采用改进的测量方法实验评价了5 、 2 O 、 3 5等3种养护温度对高 强高性能混 凝土 自收缩的影响。 结果表明 ， 养护温度越 高， 自收缩增长越快 ， 其值越 大， 且水胶 比越低、 龄期越 早表现得越显著 。 抗压 强度和弹性模量受养护温度的影响也大致符合同一规律。 高强高性能混凝土早龄期白收缩的温度依存性是胶凝材料的水化反应和 白干燥的强温度相关性的表现。 关键 词： 养护温度； 高性能混凝土； 自收缩； 白 干燥； 温度变形 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 0 5 一 o 4 Be h a v i o r o f a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f h i g h s t r e n g t h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e a t e a r l y a g e s u n d e r d i ffe r e n t c u r i n g t e m p e r a t u r e s J A N G C h e n h u i ， Y A N G r o & ， W A N G X i a o d o n g 4 ， P E N G W e i b i n g ， Z E N G H o n g b o ( 1 C o l l e g e o f C h e mi c a l E n g i n e e ri n g a n d Ma t e ri a l s S c i e n c e ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， Z h i a n g ， C h i n a ： 2 D e p a r t m e n t o f C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g C o l l e g e o f C o n s t ruc t i o n ， H a n g z h o u 3 1 1 2 3 1 t Z h e j i a n g ， C h i n a ； 3 C o l l e g e o f C iv i l E n gin e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n g Un i v e rs i t y o f T e c h n o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ： 4 A f fi l i a t e d B u i l d i n g Ma t e r i a l s C o m p a n y o f H a n g z h o u C o n s t r u c t i o n E n gi n e e ri n g C o L t d ， H a n g z h o u 3 1 1 1 0 7 ， Z h i a n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， w i t h 3 k i n d s o f mi x t u r e p r o p o rt i o n s w h o s e w a t e r - b i n d e r r a t i o a l e 0 3 0 ， O 4 0 a n d O 5 0 ， a n d 3 k i n d s o f c u rin g t e mp e r a t u r e s a t 5， 2 0 a n d 3 5 o C ， t h e e f f e c t s o f c u rin g t e mp e r a t u r e o n a u t o g e n o u s s h rin k a g e o f h i g h s t r e n g t h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e a r e e x p e rime n t a l l y i n v e s t i g a t e d b a s e d o n a n i mp r o v e d t e s t i n g me t h o d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h i g h e r t h e c u ri ng t e mp e r a t u r e ， t h e f a s t e r t h e i n c r e a s i n g r a t e an d t h e h i g h e r ma g n i t ud e o f a u t o g e n o u s s h rin k a g e ， e s pe c i all y a t e a r l i e r a g e s an d f o r mix t u r e s wi t h a l o we r wa t e rb i n d e r r a t i o A s i mi l a r c h a r a c t e ris t i c i s e x i s t e d o n c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d e l a s t i c mo d u l u s T e mp e r a t u r e d e p e n d e n c e o f a u t o g e n o u s s h rin k a g e i n d i r e c t l y r e fle c t s i n t e r p l a y b e t we e n c e me n t h y d r a t i o n a n d s e l f d e s i c c a t i o n i n t e r ms o f e n v i r o nme n t al t e mp e r a t u r e an d o r c o n c r e t e t e mp e r a t u r e Ke y wo r d s ： c u ri n g t e m p e r a t u r e ： h i g h p e r f o rm anc e c o n c r e t e ； a u t o g e n o u s s h ri n k a g e( A S ) ： s e lf - d e s i c c a t i o n ： t e mp e r a t u r e d e f o rm a t i o n 众多研究表明， 早龄期自收缩通常被视为混凝土材料( 尤 其是高强高性能混凝土)凝结硬化初期发生非荷载开裂的主 导原因【 l _ 3 1 。无水分逸散的情况下， 与水泥水化相关的体积变 化主要是温度变形和自 收缩， 自 水泥与水接触即开始发生。 对 于水灰比较大的普通混凝土而言， 由于胶凝材料用量较少， 故 自 收缩所占比重较小， 体积变化则主要表现为热变形( 温度变 基 金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 7 9 0 9 8 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 3 1 作者 简介 ： 江晨 晖， 男 ， 1 9 8 1年生 ， 江西都 昌人 ， 讲师 ， 博 士研究 生 。 E- ma i h 8 9 8 2 3 8 3 6 6q q C O rn。 形) 。因此， 这类混凝土的早期裂缝主要应通过采取有效措施 减小水化热温升来控制。然而， 对于低水胶比、 高胶凝材料用 量的高强高性能混凝土而言，热变形与自收缩同时发生且后 者的量值可能超过前者。 例如， 采用高强高性能混凝土的高层 建筑的框架柱和剪力墙将因此而产生较大的体积变化。由 于 这些体积 变化处于 钢筋和支座的 强约束 状态之下， 其累 积的 直接后果便是构件的非荷载性开裂。 胶凝材料水化导致的热量释放、浇筑过程中经历的环境 温度变化及养护过程中与外界的热交换等过程都将使混凝土 经历非稳态的温度履历， 故而混凝土的自 收缩， 特别是早龄期 的自 收缩绝大多数情况下并非于恒温状态下发生并发展的。 通 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江晨晖， 等： 不同养护温度下高强高性能混凝土早龄期自收缩特性 常在实验室开展的关于自收缩的研究都是基于恒温环境， 这与 工程结构混凝土的热力学状态完全不同。因此， 开展变温下混 凝土的自收缩方面的研究更具有实用价值。一T a z a w a和 M i y a z a w a 等 率先开展了混凝士的自 收缩受温度影响的研究 工作， 认为自 收缩的温度依存性可采用成熟度( 等效龄期) 统一 评价。之后T u r c r y 等6 1根据 1 0 4 0 c C 的恒温养护下水泥浆的自 收缩实验结果， 得出了类似的结论。C E B F I P 模式规范也将等 效龄期计算公式纳入其中。 B j c n t e g a a r d 和S e l l e v o l d ln lJ 认为成 熟度并不能客观地评价白 收缩的温度依存性，尤其是当混凝 土经受变温履历。J e n s e n 和H a n s e n Is 1 也通过水泥浆实验证明 了基于水泥基材料单一活化能的传统成熟度理论的局限性。 就作者所查阅的文献范围而言，关于自 收缩的温度依存 性方面的研究大多数以水泥浆或水泥砂浆为研究对象，且自 收缩测量起点不一 ， 以混凝土为对象开展的系统性研究较少。 以水泥浆或水泥砂浆为研究对象获得的结果直接应用于混凝 土难免牵强且疑点重重。为了进一步阐释养护温度对混凝土 自 收缩特性的影响， 寻求自 收缩的温度依存性评价方法， 本文 以养护温度( 5 、 2 0 、 3 5 ) 、 水胶比( 0 3 0 、 0 4 0 、 0 5 0 ) 为参数， 对 高强高性能混凝土的自收缩温度依存性进行实验研究。 1 实验 1 1 原材料 水泥： P 0 5 2 5 水泥， 安徽海螺水泥股份有限公司产， 3 d 抗折、 抗压强度分别为5 7 4 、 2 7 2 M P a ， 2 8 d 抗折、 抗压强度分 别为8 - 4 1 、 5 9 6 M P a ； 细骨料： 河砂， 细度模数为3 0 ， 级配分区 为区； 粗骨料： 碎石， 最大粒径2 0 m m。混凝士拌合之前粗、 细骨料均晾晒至气干状态； 减水剂： P C R G 一 1 型聚羧酸系高效 减水剂， 减水率不低于2 5 。 1 2 混凝土配合比 参照J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝土配合比设计规程 ， 并结 合高强高性能混凝土的性能特点( 高强度和高工作性) 进行配 合比设计与试配，最终确定如表 1 所示不同水胶比( 0 3 0 、 0 4 0 、 0 5 0 ) 的3 个配合比， 3 个配合比混凝土的坍落度控制在 ( 2 4 0 _+ 1 5 ) m m 、 坍落扩展度控制在( 5 4 0 + 2 0 ) m m 。 表 1 混凝土的配合比 。 原材料用量 ( k m ) 坍落度 坍落 比 扩 m m 水泥水 砂 石减水剂 “ “ “ “ “ 0P 一3 0 0 3 0 5 3 3 1 6 0 6 5 6 9 4 4 1 0 1 3 2 3 5 5 6 0 0P一 4 0 0 4 0 4 2 0 1 6 8 7 5 9 1 0 0 5 7 7 7 2 4 0 5 6 0 0P一 5 O 0 5 0 3 5 6 1 7 8 8 3 3 1 01 9 641 2 5 5 5 2 0 1 3 早龄期 自收缩测量方法 自收缩研究必须首先解决的基本课题便是其测量方法的 6 新型建筑材料 2 0 1 3 6 构建， 鉴于凝结硬化初期的混凝土物性发展迅速， 且受外部王 1 、 境影响大的特点， 前人设计了多种自收缩测量方法 。本讲 究对曰本混凝土学会 提出的测量方法进行必要的修改和简 化， 使之更适用于测定拆模后混凝上的自收缩变形。 首先在内腔尺寸为1 0 0 m m x l 0 0 m in x 4 0 0 m m的棱柱体 试模内表面端板中心位置各固定 1 枚长度为3 0 m m、直径为 8 m m的螺栓作为试件内埋式测头； 然后依次在试模侧面和底 面铺设0 5 m m厚的特氟龙薄片和塑料薄膜， 以便减小混凝十 试件与试模内壁之间的摩擦并完全密封试件；试模端部内 依次贴附厚度为2 m i l l 的轻质发泡塑料薄片和犟料薄膜， 前 者可释放水化温升导致的试件膨胀变形。 按养护环境温度控制混凝土拌合物的入模温度， 使 大致相同。 试件成犁时须仔细插捣密实， 并于中心位置埋设测 量混凝土温度的热电偶。 试件成型后即移入恒温养护环境， 用湿布覆盖试件表面。 待变形测量起始龄期前1 5 m i n 从试模 内拆出试件， 依次以塑料薄膜和铝箔自 粘胶带快速密封。存水 平面上铺2 m i l l 厚的软质发泡塑料垫， 然后安置钢底板， 并用水 平尺检查底板表面的平整度， 必要时加以调整。为了减小试什 与底板间的摩擦力， _ 底板上 放置2 段长度为 1 0 m m 、 外径为 2 0 m m的U P V C塑料管。 将密封完好的混凝土试件搁置j 这2 段塑料管上， 安装试件两端的C D P - 1 0 型位移传感器， 通过训 使试件端部测头和传感器测头对中并位于同一 水 线j - 。 调： 完成后使磁性表座吸附同定于 钢底板 。然后将传感器、 热电 偶的连接导线一 一 并接入多通道多功能数据采集系统， 统 没定 数据采集间隔时间为2 0 m i n 。由于自 收缩主要发生于早 龄期， 测量时段自 测量起始龄期持续至2 8 d 龄期。 关于自 收缩测黾起 点目 前并无定论， 本文以白收缩应变对埋入混凝土试件f 图1 ( c ) 1 的钢筋产生约束应力的起始时刻作为测量起始龄期l IO l ， 并将 之后发生的自收缩视为有效自收缩，即产生明显庸力后的 自收缩。该起点与 配合比、 养护温度有关， 具体情况详见表2 。 图1 ( a ) 、 ( b ) 所示即为处于测量状态的混凝十试件。 图 1 混凝土 自收缩测量现场 照片 从按上述方法测得的总变形中扣减混凝土冈内 部温度变 化而产牛的热变形即为 变彤( 绝人多数情况 卜 表现为收缩) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江晨晖， 等： 不同养护温度下高强高性能混凝土早龄期自收缩特性 为了简化起见，将计算热变形时须用的混凝土的热膨胀系数 视为定常数。 表 2 混凝土收缩测量起始龄期 1 4 恒温养护条件与控制 为了准确控制混凝土的养护温度， 采用步入式多功能环境 模拟试验箱作为混凝土养护环境， 其温控精度达0 1 c c 。 根据 既有研究【2 I 4 - 5 所涉及的温度范围和后续研究的需要， 设置5 、 2 0 、 3 5 q C 共3 种恒温养护条件，考察养护温度对密封状态下 早龄期混凝土自收缩的影响。为了严格控制试验期间试件内 部水分的耗散， 将养护环境的相对湿度控制在( 8 5 5 ) 。 这一 湿度略低于密封状态下混凝土内部最终湿度水平【 l 】 。 1 5 力学性能测试方法 按照G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标 准 的规定， 对混凝土的抗压强度和弹性模量进行测试。 2 实验结果与探讨 各养护温度下混凝土的抗压强度和弹性模量见表 3 ， 养 5O 0 一 5 0 2 1 0 0 一 1 5 0 u -2 00 一 2 5 0 一 3 00 3 5 0 - 4 0 0 护温度对3 种配合比混凝土自 收缩的影响见图2 。 表 3 各养护温度下各配合比混凝土的抗压强度和弹性模量 注 ： “ 一 ” 标注处均 为未得到实验数据， 由于实验 容量有 限， 部分数 据未加 以测试 ； 还有部分数据因实验 失败而未能得到 。 龄期 d 龄期 d 龄期 d l 9 1 9 n 9 4 9 g 0 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 0 4 8 1 2 l 6 萼 ： 一 2 一 3 - 3 ( a ) 0 P 一 3 O ( b ) O P 一 4 0 ( c ) O P 一 5 O 图2 养护温度对不同配合比混凝土自收缩的影响 由表3 可见， 随养护温度的提高， 各种配合比混凝土的抗 压强 度和弹性 模量增 长速率加 快， 且 水胶比 越 低表现越明显； 养护温度对早期( 1 d , 3 d ) 力学性能的影响较后期( 2 8 d 、 4 2 d ) 更 为明显。 值得重视的是， 虽然养护温度的增幅均为1 5 ， 但其从 5 提高至2 0 对力学性能的影响明显大于从2 0 提高至3 5 c C 的情况。这说明养护温度对力学性能的影响可能存在阈值。 由图2可知， 诚如既有同类研究文献2 6 2 1 所记载， 无论 是量值还是发展速率，混凝土的自收缩与养护温度均具有极 强的相关性。 一般来说， 养护温度越高， 白收缩值越大， 其增长 速率亦越快，且这一特征在早龄期和低水胶比的情况下表现 得更为显著。尽管养护温度从 5 q C 提高到2 0 和从2 0 c c 提 高到3 5 的温度增幅相同， 但前者对自收缩的影响明显弱于 后者。就2 8 d 龄期内的测试结果而言， 温度越低白 收缩收敛 的趋势越早， 反之越晚， 这与I n y e o p C h u 等蚴 提出的 “ 反超效 应” ( c r o s s o v e r e ff e c t ) 相悖。 或许足够延长测试期之后将出现 高温养护下的自收缩量被低温养护的情况所超越。 自 收缩是水泥石内部处于负压状态下的毛细孔发生自干 燥现象的宏观表现，由于自干燥与胶凝材料的水化程度和速 率 密切相关， 高 温养护致使早期水化反 应加速， 进而导致自 收 缩加快且量值更大。早龄期自 收缩过快发展必然使此时强度 尚 低的 混凝土更易发生开 裂。由 此可见， 对于低水 胶比、 高胶 凝材料用量的高强高性能混凝土而言，控制水化温升不仅有 利于缓解热变形， 而且也能有效减小自收缩的发展速率， 从而 具有早期开裂控制的复合功效。 N E W BU J L DI NG M AT E RI AL S 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江晨晖， 等： 不同养护温度下高强高性能混凝土早龄期自收缩特性 为了更清晰地反映养护温度对自 收缩发展速率的影响， 定义了自收缩应变的平均速率尺( ， 如图3 所示。 显然， 所取 时间段( f ) 越短， 尺( 1 ) 与龄期t 的真实速率越接近； 当 一0 时， R ( ) 即为真实自收缩应变速率。 此处取A t = l d ， 计算直至 2 8 d 龄期的R( ) 。 养护温度为2 0 时， 水胶比对3 种配比混 凝土R( ) 的影响见图4 ， 水胶比为0 4 0时， 养护温度对3 种 配比混凝土R( f ) 的影响见图5 。 龄期 d 0 t 1 t t 甲 2 斟 婿 图 3 自收缩平均速 率的定义 龄期 d O 4 8 1 2 1 6 2 O 24 2 8 图 4 水胶 比对 3种配 比混凝土 自收缩速率的影响 龄期 d 2 0 U广 一 4_一 一 一 U_ 一 4_ 图 5 养护温度对3 种 配比混凝土 自收缩速率的影响 由图4 和图5 可知， 同一养护温度( 2 0 ) 下， R( f ) 与混 凝土的水胶比密切相关， 水胶比越小， 自 收缩发展速率越快， l 3 d 龄期表现得尤为显著。水胶比 相同条件下( O 4 0 ) ， 养护 温度越高， 自 收缩 增长越快， 早龄期表 现得特别突出。由 于自 收缩的复杂性和不可避免的测量误差，自 收缩发展速率一 龄 期曲线并非完全呈现为单调性。 3 结语 以高强高性能混凝土为实验研究对象，初步探索了养护 温度对该类水泥基材料早龄期自收缩的影响。所采用的自 收 缩测量方法能较为准确地把握有效自收缩应变随龄期变化的 8 新型建筑材料 2 0 1 3 6 历程。高强高性能混凝土早龄期的自 收缩存在着强烈的养护 温度依存性， 养护温度越高， 白 收缩的发展速率越快， 其值也 越大， 且水胶比 越低表现得越显著。 养护温度与代表混凝土材 料力学性能的抗压强度和弹性模量也呈现正相关性。 参考文献： 1 祝昌墩 ， 陈敏， 杨杨 ， 等 高强混凝土的收缩和 早期徐变特性 J J 混 凝土与水泥制 品， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 1 - 4 2 T a z a w a E T e c h n i c a l c o m mi t t e e r e p o r t o n a u t o g e n o u s s h r i n k a g e 【 C P r o c o f I n t Wo r k s h o p ， L o n d o n ： E &F N S p o n ， 1 9 9 8 ： 1 - 6 3 3 吴伟松， 杨杨， 许四法， 等养护温度对高强混凝土 自收缩应变和 应力 的影响 J 1 新型建筑材 料， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 5 2 5 4 4 T a z a w a E ， Mi y a z a w a S E f f e c t o f c o n s t i t u e n t s a n d c u ri n g c o n d i - t i o n o n a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f c o n c r e t e C # P r o e o f I n t W o r ks h o p ， Lo n d o n ： E &F N S p o n ， 1 9 9 8： 2 6 9 - 2 8 0 5 T a z a w a E， Ma t s u o k a Y， Mi y a z a w a S ， e t o 1 E f f e c t o f a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o n s e l f s t r e s s i n h a r d e n i n g c o n c r e t e C P r o c I n t R I L E M S y mp ， t h e r ma l c r a c k i n g i n c o n c r e t e a t e a r l y a g e s ， Lo n d o n： E&FN S p a n， 1 9 9 4： 2 21 2 28 6 】 T u r c r y P ， L o u k i l i A， B a r c e l o L ， e t C a n t h e m a t u ri t y c o n c e p t b e u s e d t o s e p ara t e a u t o g e n o n s s h rin k a g e a n d t h e rm a l d e f o rm a - t i o n o f a c e m e n t p a s t e a t e arl y a g e J 】 _C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h， 2 0 0 2， 3 2( 9 ) ： 1 4 43 1 4 5 0 7 】 S j C n t e g a a r d 0， S e l l e v o l d E T h e r ma l d i l a t i 0 n a u t 0 g e n 【 )u s s h ri n k - a g e ： h o w t o s e p a r a t e C P r o c o f I n t Wo r k s h o p ， L o n d o n ： E &F N S p o n， 1 9 9 8： 2 4 5 2 5 6 【 8 】 J e n s e n O M， Ha n s e n P F I n f l u e n c e o f t e mp e r a t u r e o n a u t o g e n o u s d e f o rm a t i o n a n d r e l a t i v e h u mi d i t y c h a n g e i n h a r d e n i n g c e me n t p a s t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9( 4 ) ： 5 6 7 5 7 5 9 9 S a n t ， L u m， We i s s Me a s u r e me n t o f v o l u me c h a n g e i n c e me n t i t i o u s ma t e ria l s a t e arl y a g e s ： r e v i e w o f t e s t i n g p r o t o c o l s a n d i n t e r p r e - t a t i o n o f r e s u l t s f J T h e T r a n s p o rt a t i o n R e s e a r c h B o a r d ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 7 )： 3 3 4 6 1 0 L e e K M， L e e b ， K i m G Y A u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g g r a n u l a t e d b l a s t - f u r n a c e s l a g J C e m e n t a n d C o n - c r e t e Re s e arc h， 2 0 0 6， 3 6( 9 ) ： 1 2 7 9 1 2 8 5 【 l 1 1 徐真剑 高强混凝土体积变化的统一评价【 D 杭州： 浙江工业大 学 ， 2 0 0 6 【 1 2 】 C h u I ， K w o n S H， A mi n M N ， e t E s t i m a t i o n o f t e mp e r a t u r e e f f e c t s o n a u t o g e n o u s s h rin k a g e o f c o n c r e t e b y a n e w p r e d i c t i o n mo d e l J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 3 ) ： 1 7 1 1 8 2 A 加 O 加 0 加 。 褂 好 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m