汪建群 方志 鄧波 馬占飛 祝明橋

摘要：粉煤灰對高強混凝土收縮徐變的影響直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)長期性能的合理確定。制作粉煤灰摻量分別為0、12%和24%的100 mm×100 mm×400 mm的C50混凝土棱柱體試件，在試驗室條件下進(jìn)行收縮及不同加載齡期的徐變試驗，研究了粉煤灰對高強混凝土收縮徐變的影響。根據(jù)試驗結(jié)果評估了目前常用的4種相關(guān)規(guī)范公式對高強混凝土收縮徐變的適用性，并引入粉煤灰影響系數(shù)以綜合反映粉煤灰摻量和加載齡期對高強混凝土收縮徐變的影響，根據(jù)試驗結(jié)果和現(xiàn)有研究成果提出了其修正模型。分析結(jié)果表明，JTG D 62和GL 2000推薦的收縮徐變預(yù)測模式與基準(zhǔn)試件實測結(jié)果較為吻合，驗證結(jié)論亦說明所引入的粉煤灰影響系數(shù)可應(yīng)用于摻粉煤灰高強混凝土的收縮徐變預(yù)測。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；高強混凝土；收縮；徐變；長期性能

中圖分類號：TU528.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）03-0110-08

Abstract： The shrinkage and creep of high strength concrete was affected by the mixed fly ash. The influence was directly related to the long-term behavior of structures. The shrinkage and creep experiment of C50 concrete with fly ash content 0， 12%， 24% were conducted with 100 mm×100 mm×400 mm prism specimens in the laboratory. Four kinds of current commonly used specifications for the shrinkage and creep of high strength concrete were assessed. With the experiment results and other existing research referenced， the fly ash influence coefficient and its correction model were introduced to reflect the influence of different load age and fly ash content. The analysis showed that the shrinkage and creep mode recommended from JTG D62 and GL 2000 agreed well with the measured results form the reference specimens. And the verification conclusion demonstrated that the introduced fly ash influence coefficient could be applied to the shrinkage and creep of high strength concrete with fly ash.

Keywords：fly ash； high strength concrete； shrinkage； creep； long-term behavior

粉煤灰作為礦物摻合料摻入到高強混凝土中，在早期可改善混凝土的泵送性能并降低其水化熱，在后期又可增強結(jié)構(gòu)的耐久性[1]。粉煤灰在高強混凝土結(jié)構(gòu)如橋梁工程中的應(yīng)用極為普遍，可以實現(xiàn)變廢為寶，有利于環(huán)境保護(hù)。但摻粉煤灰高強混凝土的收縮徐變較難預(yù)測，一方面是由于早期提出的收縮徐變模式對于高強混凝土的適用性值得商榷；此外，粉煤灰的摻入改變了混凝土的配合比，其收縮徐變亦受到影響[2]。

目前常用的收縮徐變預(yù)測模型如JTG D 62—2004[3]、GL 2000[4]、ACI 209R[5]、AASHTO[6]以及B3[7]模型均未考慮粉煤灰的影響。但粉煤灰對混凝土收縮徐變的影響可見相關(guān)文獻(xiàn)報道：Padevet等[8]和Wang等[9]的研究表明，粉煤灰混凝土的徐變明顯低于基準(zhǔn)混凝土；Alexander等[10]的研究表明，粉煤灰摻量為25%的混凝土在持荷2 a后，其徐變?yōu)榛鶞?zhǔn)混凝土的2/3。萬純斌等[11]、鄧宗才等[12]、羅許國等[13]、李益進(jìn)等[14]和李北星等[15]對不同粉煤灰摻量的高強混凝土徐變性能進(jìn)行了實驗研究。既有研究表明：粉煤灰對混凝土的收縮徐變具有較大影響，一定摻量粉煤灰混凝土的收縮徐變均小于基準(zhǔn)混凝土。但現(xiàn)有研究一方面多專注于粉煤灰摻量對混凝土徐變的作用，少有關(guān)注加載齡期的影響，且研究成果較為離散；另一方面，缺乏針對不同加載齡期和不同粉煤灰摻量這個兩個參數(shù)提出的影響系數(shù)及計算公式，以方便用于現(xiàn)有預(yù)測模型的修正。

筆者采用100 mm×100 mm×400 mm的C50混凝土棱柱體試件，在試驗室條件下進(jìn)行了收縮和不同加載齡期的徐變試驗研究?；谠囼灲Y(jié)果評估了目前常用的4種相關(guān)規(guī)范公式對高強混凝土的適用性。針對外摻粉煤灰的高強混凝土引入了粉煤灰影響系數(shù)，以綜合反映粉煤灰摻量和加載齡期對高強混凝土收縮徐變的影響，并根據(jù)試驗研究和現(xiàn)有研究成果回歸了其計算公式，以期合理確定摻粉煤灰高強混凝土的收縮徐變模式，為相關(guān)設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1 實 驗

1.1 試驗原材料

試驗原材料取自于某施工現(xiàn)場，設(shè)計的混凝土強度等級為C50，其配合比如表1所示。所采用的粉煤灰為Ⅰ級，其細(xì)度、含水量、需水量比和燒失量分別為8.1%、0.8%、94%和4.34%。粉煤灰的化學(xué)組成見表2。

1.2 試驗方法

試驗共制作了5組棱柱體試件，用于7、14、28、50 d的徐變加載和收縮測試。試驗室的溫、濕度條件維持在20±2 ℃，濕度為（85±5）%，載荷水平為40%棱柱體抗壓強度，持荷360 d。

徐變試驗采用自制彈簧式徐變儀加載。在試件的兩相對側(cè)面上安裝機械式千分表，在余下兩相對側(cè)面安裝弦式應(yīng)變計，用以測試試件的徐變應(yīng)變和收縮應(yīng)變。同一試件的千分表和弦式應(yīng)變計實測數(shù)據(jù)相互校正。在加載1個月內(nèi)，每天采集一次數(shù)據(jù)；2～3個月內(nèi)每2 d采集一次數(shù)據(jù)；之后每3 d采集一次數(shù)據(jù)，直至試驗結(jié)束。

為獲得混凝土的力學(xué)性能，同批次制作試件對其立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度混凝和彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行測試?；炷恋牧W(xué)性能如表3所示。

由表3可知，粉煤灰對混凝土早期力學(xué)性能有較大影響。相對于基準(zhǔn)試件FA0，F(xiàn)A12（FA24）的早期強度較低，7 d立方體抗壓強度為FA0的98.1%（96.5%），14 d為101.3%（102.9%），90 d為105.8%（112.4%）。棱柱體抗壓強度和彈性模量亦呈現(xiàn)類似的規(guī)律。說明摻粉煤灰試件早期強度（彈性模量）低于基準(zhǔn)試件，但隨著齡期的發(fā)展，后期強度（彈性模量）高于基準(zhǔn)試件。且粉煤灰摻量越高，對強度的影響越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

7、14、28、90 d的徐變系數(shù)及收縮應(yīng)變測試結(jié)果分別如圖1和圖2所示。在對試驗結(jié)果的闡述中，F(xiàn)A0-7表示粉煤灰摻量為0、7 d加載的基準(zhǔn)試件。

采用上述幾種規(guī)范公式對試件的收縮、徐變進(jìn)行預(yù)測，并與基準(zhǔn)試件的收縮、徐變試驗結(jié)果進(jìn)行比較，對規(guī)范相應(yīng)計算公式的適用性進(jìn)行驗證。其結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知：

1）JTG D 62和GL 2000基本能適用于各加載齡期的試件徐變預(yù)測。7 d加載時，JTG D62和GL 2000預(yù)測的360 d徐變系數(shù)與實測徐變系數(shù)誤差分別為-1.7%和5.7%，其他加載齡期的預(yù)測誤差亦不超過20%；JTG D62和GL 2000 預(yù)測360 d收縮應(yīng)變誤差僅分別為11.4%和6.3%。

2）ACI 209R所推薦的徐變計算模式只適用于加載齡期較小的情形。7 d加載時，360 d徐變系數(shù)預(yù)測值誤差僅為-3.3%，而14、28和90d加載時，誤差分別達(dá)15.5%、21.5%和44.4%。此外，ACI 209R的360 d收縮應(yīng)變預(yù)測值誤差達(dá)88.2%。

3）對于AASHTO模型，7 d和90 d加載時，其誤差分別達(dá)-17.9%和22.1%，這說明AASHTO不適用于加載齡期較?。ā? d）或較大（≥28 d）的徐變預(yù)測；此外， AASHTO模型360 d收縮應(yīng)變誤差高達(dá)76.3%。

由圖6（a）可知，按本文方法考慮粉煤灰影響系數(shù)后的GL 2000和JTG D62收縮、徐變模型基本能夠反映試件的收縮徐變，342 d的收縮誤差分別為1.5%和8.2%，234 d的徐變應(yīng)變與實測值誤差為19.7%和12.9%。如不考慮粉煤灰影響系數(shù)，就收縮試件而言，GL 2000和JTG D62的預(yù)測誤差會增大22.0%；對于徐變試塊其誤差亦會增大26.6%。因此，考慮粉煤灰影響系數(shù)，能夠較好地反映外摻粉煤灰高強混凝土的收縮、徐變。

3 結(jié) 論

1）粉煤灰對高強混凝土的力學(xué)性能有較大影響。就實測結(jié)果而言，摻粉煤灰試件早期（齡期<7 d）強度（彈性模量）低于基準(zhǔn)試件，但隨著齡期的發(fā)展，后期強度（彈性模量）高于基準(zhǔn)試件。且粉煤灰摻量越高，對強度的影響越大。

2）據(jù)基準(zhǔn)試件的實測結(jié)果對JTG D62—2004、GL 2000、ACI 209R及AASHTO收縮徐變計算模式的適用性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，JTG D62—2004和GL 2000對收縮徐變的預(yù)測誤差在19.6%以內(nèi)。因此，高強混凝土的收縮徐變預(yù)測宜采用GL 2000和JTG D62收縮徐變模型進(jìn)行計算。

3）設(shè)計了不同粉煤灰摻量和不同加載齡期的高強混凝土徐變試驗，研究結(jié)果表明，粉煤灰增大了早齡期加載試件的徐變系數(shù)，但減小了晚齡期加載試件的徐變系數(shù)。因此，粉煤灰對高強混凝土徐變的影響與加載齡期相關(guān)：當(dāng)齡期小于28 d時，不同加載齡期對外摻粉煤灰的高強混凝土徐變影響顯著；但齡期大于28 d后，加載齡期的影響不大。

4）由試驗及參考文獻(xiàn)的實測結(jié)果，引入了粉煤灰影響系數(shù)，以綜合反映粉煤灰摻量和加載齡期對高強混凝土徐變的影響，并提出其修正模型。

5）驗證結(jié)果表明采用GL 2000和JTG D62收縮徐變模型進(jìn)行計算并考慮粉煤灰影響系數(shù)，收縮和徐變應(yīng)變的誤差分別降低了22.0%和26.6%，使預(yù)測精度在20%以內(nèi)。因此，所提的粉煤灰影響系數(shù)能較好地適用于外摻粉煤灰高強混凝土的收縮徐變預(yù)測。

參考文獻(xiàn)：

[1] BARRETT T， DE LA VARGA I， WEISS W. Reducing cracking in concrete structures by using internal curing with high volumes of fly ash [C]// Structures Congress， 2012： 699-707.

[2] NATH P， SARKER P. Effect of fly ash on the durability properties of high strength concrete [J]. Procedia Engineering， 2011，7（144）： 1149-1156.

[3] 中華人民共和國交通部.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范： JTG D 62—2012 [S]. 北京：人民交通出版社， 2012： 160-164.

Ministry of Transport of the Peoples Republic of China. Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts： JTG D 62—2012 [S]. Beijing： China Communications Press， 2012： 160-164. （in Chinese）

[4] AL-MANASEER A， PRADO A. Statistical comparisons of creep and shrinkage prediction models using RILEM and NU-ITI databases [J]. ACI Materials Journal， 2014， 112（1）： 125-136.

[5] AL-ATTAR T S，AL-JALEELI A J. Prediction of ultimate shrinkage and shrinkage half-time for concrete poured in hot climates： development of the ACI 209 committee shrinkage model [J]. American Society of Civil Engineers， 2014， 25（12）： 1-8.

[6] American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications [S]. 3rd Edition. 2004： 278-285.

[7] HUBLER M H， WENDNER R， BAANT Z P. Statistical justification of Model B4 for drying and autogenous shrinkage of concrete and comparisons to other models [J]. Materials and Structures， 2015， 48（4）： 797-814.

[8] PADEVET P， BITTNAR P. Influence of fly ash content in cement paste on size of creep [J]. Procedia Engineering， 2012， 48： 520-524.

[9] WANG Y F， MA Y S， ZHOU L. Creep of FRP-wrapped concrete columns with or without fly ash under axial load [J]. Construction and Building Materials， 2011， 25（2）： 697-704.

[10] SIVAKUMAR B， JALADURGAM M. Strength and deformation characteristics of fly ash mixed with randomly distributed plastic waste [J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2014， 26（12）： 1-7.

[11] 萬純斌，唐凱，何偉兵，等. 九江長江公路大橋索塔高性能粉煤灰混凝土的早期抗裂與長期變形性能[J].公路， 2012（9）： 168-172.

WANG C B， TANG K， HE W B， et al. Early-age crack resistance and long-term deformation of high performance fly ash concrete for cable support tower in Jiujiang Yangtze River Highway Bridge [J]. Highway， 2012（9）： 168-172. （in Chinese）

[12] 鄧宗才， 徐海賓， 李輝，等. 高性能混凝土徐變規(guī)律的試驗研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013， 39（6）： 897-901.

DENG Z C， XU H B， LI H， et al. Creep law of high-performance concrete [J]. Journal of Beijing University of Technology， 2013， 39（6）： 897-901. （in Chinese）

[13] 羅許國，鐘新谷，戴公連. 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力高性能粉煤灰混凝土橋梁收縮與徐變變形試驗研究[J].工程力學(xué)，2006， 23（7）： 136-141.

LUO X G， ZHONG X G， DAI G L. Experimental study on the deformations for shrinkage and creep of beams in non-glued presstressed high performance fly ash concrete bridges [J]. Engineering Mechanics， 2006， 23（7）： 136-141. （in Chinese）

[14] 李益進(jìn)，周士瓊，尹健，等.超細(xì)粉煤灰高性能混凝土的力學(xué)性能[J].建筑材料學(xué)報，2005， 8（1）： 7-13.

LI Y J， ZHOU S Q， YIN J， et al. Study on mechanical properties of high performance concrete containing ultra-fine fly ash [J].Journal of Building Materials， 2005， 8（1）： 7-13. （in Chinese）

[15] 李北星，周明凱，王稷良.巴東長江大橋主梁C60高性能混凝土的研究與應(yīng)用[J].世界橋梁，2008（2）： 51-54.

LI B X， ZHOU M K， WANG J L. Research and application of C60 high performance concrete for main girders of Badong Changjiang River Highway Bridge [J]. World Bridges， 2008（2）： 51-54. （in Chinese）

[16] 李北星，田曉彬，關(guān)愛軍，等.鄂東長江公路大橋?qū)捪淞篊55高性能混凝土試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2009（6）： 42-45.

LI B X， TIAN X B， GUAN A J， et al. Experimental study on C55 high performance concrete for wide box girder of Edong Yangtze River Highway Bridge [J]. China Harbour Engineering， 2009（6）： 42-45. （in Chinese）

[17] 汪建群.大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋早期開裂和遠(yuǎn)期下?lián)峡刂芠D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

WANG J Q. Early crack and long-term deflection control for long span prestress concrete box girder bridge [D]. Changsha： Hunan University， 2011. （in Chinese）

（編輯 胡英奎）