趙志方，陳 靜，王衛(wèi)侖，趙志剛，周厚貴

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；3.浙江傳媒學(xué)院，浙江 杭州 310018；4.中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100022)

兩種溫度歷程下高摻粉煤灰砼早期抗裂性綜合評價(jià)

趙志方1，陳 靜1，王衛(wèi)侖2，趙志剛3，周厚貴4

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；3.浙江傳媒學(xué)院，浙江 杭州 310018；4.中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100022)

為綜合評價(jià)高摻量粉煤灰大壩混凝土早齡期的抗裂性，采用溫度—應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，研究35%，80%兩種粉煤灰摻量的常態(tài)大壩混凝土在絕熱與溫度匹配模式下的綜合抗裂性.結(jié)果表明：溫度匹配模式下混凝土的抗裂性優(yōu)于絕熱溫升模式；在兩種溫度歷程養(yǎng)護(hù)模式下，80%粉煤灰摻量的混凝土相比于35%摻量的混凝土，有較低的溫升值、室溫應(yīng)力以及開裂溫度，較高的開裂應(yīng)力和應(yīng)力儲備，并從開裂細(xì)化指標(biāo)、開裂核心指標(biāo)和開裂綜合指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，得出高摻量粉煤灰混凝土具有更好的早齡期抗裂性.

高摻量粉煤灰混凝土；早齡期；抗裂性；溫度—應(yīng)力試驗(yàn)

大壩的抗裂性問題一直是大壩設(shè)計(jì)和施工中最為關(guān)注的問題之一，而水泥水化放熱產(chǎn)生的溫升是造成開裂的主要因素.壩體內(nèi)外溫差較大會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生大量的裂縫[1].目前，大壩工程主要采取在壩體表面貼保溫板和內(nèi)部加冷卻水管的方式來提高抗裂性，而這些方式往往耗資巨大，找到一種更加經(jīng)濟(jì)、方便和可靠的方式來解決大壩的早期抗裂性已非常迫切.研究[2]表明：在混凝土中摻加粉煤灰有利于大壩的抗裂性.目前粉煤灰混凝土在大體積工程，尤其在水工結(jié)構(gòu)中已取得廣泛應(yīng)用.國外已建的非碾壓常態(tài)混凝土壩，粉煤灰摻量最高達(dá)到了70%，我國三峽大壩混凝土粉煤灰摻量為30%～50%.北美等國家的結(jié)構(gòu)規(guī)范ACI318[3]中已經(jīng)允許混凝土結(jié)構(gòu)中使用高摻量粉煤灰混凝土，而我國的DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》[4]規(guī)定粉煤灰摻量不得超過55%，實(shí)際工程中往往更加保守，一般都在40%及以下，這在很大程度上限制了粉煤灰混凝土的發(fā)展.基于此，2011年浙江工業(yè)大學(xué)與葛洲壩集團(tuán)公司依托在建的某雙曲拱壩對高摻量粉煤灰混凝土(以下簡稱“高摻混凝土”)進(jìn)行研究，提出摻量為80%的高摻混凝土[5].為分析高摻混凝土的早期抗裂性能，就必須提出其早齡期的抗裂性評價(jià)方法.而目前對于高摻混凝土早期抗裂性的評價(jià)方法缺少規(guī)范，普遍采用的以混凝土極限拉伸值和絕熱溫升值等單項(xiàng)指標(biāo)作為抗裂性評價(jià)方法存在弊端[6]，應(yīng)用較多的綜合評價(jià)方法——圓環(huán)法、平板法和開裂試驗(yàn)架法[7]等并不適用于大體積混凝土的抗裂性評價(jià).在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的溫度—應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)(TSTM)可同時(shí)考慮溫度和約束等因素對混凝土應(yīng)力和變形的影響，對混凝土早齡期的抗裂性進(jìn)行綜合評價(jià).

采用我國已建某雙曲拱壩實(shí)際施工所用原材料，配制出粉煤灰摻量為35%的基準(zhǔn)混凝土(F35)和粉煤灰摻量為80%的高摻混凝土(F80).采用TSTM分別在絕熱模式和溫度匹配(TMC)模式下，對兩種混凝土的開裂細(xì)化指標(biāo)、開裂核心指標(biāo)以及開裂綜合指標(biāo)進(jìn)行分析，研究其早齡期抗裂性.

1 試驗(yàn)原材料與配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用材料為新建的某高拱壩實(shí)際施工所用的原材料.試驗(yàn)使用華新P.O-42.5普通硅酸鹽水泥，荊門III級粉煤灰，基準(zhǔn)混凝土使用萘系減水劑，高摻量粉煤灰混凝土使用聚羧酸高效減水劑，引氣劑均采用山東銀凱NOF-AE型引氣劑.細(xì)骨料為砂率34.5%的人工砂，粗骨料為最大粒徑40 mm的人工碎石.

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)中基準(zhǔn)混凝土采用實(shí)際工程施工所用配合比，高摻混凝土采用等漿體體積的方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其配制[8]思路：首先計(jì)算確定基準(zhǔn)混凝土中的漿體量，因粉煤灰的密度為水泥的2/3，若以等質(zhì)量粉煤灰取代水泥時(shí)會導(dǎo)致漿體體積增大，故采用減少用水量以保持高摻混凝土的漿體體積與基準(zhǔn)混凝土的漿體一致，由此得到混凝土的配合比如表1所示.

表1 兩種混凝土的配合比

2 TSTM試驗(yàn)

2.1 TSTM試驗(yàn)方法

TSTM結(jié)構(gòu)原理[9]示意圖如圖1所示.

圖1 閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Closed loop computer control system schematic

本試驗(yàn)機(jī)設(shè)置有兩根有效尺寸均為150 mm×150 mm×1 500 mm的約束試件和自由試件.約束試件裝置(圖2a)一端固定，另一端為活動(dòng)端頭，設(shè)置有力傳感器并與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行連接.通過力傳感器測定約束試件中的變形量，當(dāng)累計(jì)變形量達(dá)到一定限度時(shí)，系統(tǒng)就會自動(dòng)的對活動(dòng)端頭進(jìn)行復(fù)位到原先的位置，以實(shí)現(xiàn)近似100%的約束度.自由試件裝置(圖2b)一端固定，另一端為自由端頭，通過測定自由端的位移即可確定試件的自由變形.試驗(yàn)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)來控制，控制系統(tǒng)中設(shè)置的多種傳感器會自動(dòng)記錄下試件的溫度、應(yīng)變和應(yīng)力等.

混凝土澆筑并振搗密實(shí)后,立即在試件表面覆蓋一層塑料薄膜.由此認(rèn)為試件和外界沒有水分的交換，可以忽略混凝土干縮的影響.試驗(yàn)過程中,保持室溫在(20±1) ℃，以減小室溫波動(dòng)對試驗(yàn)精度的影響.

圖2 試件裝置實(shí)物圖Fig.2 Photo of specimen test device

2.2 溫度歷程設(shè)計(jì)

溫度歷程對混凝土的抗裂性有較大的影響[10]，同時(shí)，溫度歷程也會通過水泥的水化反應(yīng)速率來影響強(qiáng)度的發(fā)展.為了使不同溫度歷程下的試件有更好的對比性，用“成熟度”將兩種溫度歷程等效為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，由此進(jìn)行對比.在絕熱模式和TMC模式下，兩種混凝土都達(dá)到相同成熟度時(shí)作為控制試驗(yàn)開始降溫的時(shí)間點(diǎn)，并以1 ℃/h的降溫速率降溫.

TSTM試驗(yàn)機(jī)有絕熱模式、TMC模式和恒溫模式三種，主要對兩種混凝土在絕熱和溫度匹配兩種模式下進(jìn)行研究.本次試驗(yàn)采用的溫度匹配模式下TSTM的引導(dǎo)曲線是對該雙曲拱壩進(jìn)行三維有限元仿真模擬獲得[11]，絕熱溫升模式試驗(yàn)采用試驗(yàn)機(jī)自帶的絕熱模式進(jìn)行試驗(yàn).

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 早齡期應(yīng)力分析

圖3為在絕熱模式和TMC模式下兩種混凝土的溫度歷程曲線，圖4為兩種模式下兩種混凝土的應(yīng)力發(fā)展曲線.圖4中正值表示壓應(yīng)力，負(fù)值表示拉應(yīng)力.

(a) 絕熱模式

(a) 絕熱模式

(b) TMC模式

結(jié)合圖3，4，在升溫階段，壓應(yīng)力達(dá)到峰值后基本保持穩(wěn)定.絕熱模式下的壓應(yīng)力比TMC模式下的大，這是由于絕熱模式有較高的溫度歷程，水化反應(yīng)較快，由此產(chǎn)生的壓應(yīng)力也較大.由于混凝土自收縮產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，以及應(yīng)力松弛的作用，使得壓應(yīng)力在達(dá)到溫峰之前就開始下降，但下降的幅度較小.從圖4中可以看出：F35產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力較大，F(xiàn)80很小.這或許由F80混凝土的粉煤灰摻量較高，水化反應(yīng)較慢所致.從整體來看：兩種溫度歷程下，兩種混凝土產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力值相差不大，在絕熱模式下相差0.21 MPa，在TMC模式下僅相差0.09 MPa.混凝土在受壓階段產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，對降溫受拉階段抗裂的安全儲備有貢獻(xiàn)，可以緩解受拉階段產(chǎn)生的拉應(yīng)力.而從結(jié)果看：水化放熱較快的F35有較大的預(yù)壓應(yīng)力值，但兩者的相差較少且在降溫階段前已衰減到零，表明其壓應(yīng)力松弛較大，降低了預(yù)壓應(yīng)力的效果，在儲備預(yù)壓應(yīng)力上二者表現(xiàn)相當(dāng).

降溫階段，在溫度變形和自收縮的共同作用下，兩種混凝土的拉應(yīng)力發(fā)展速率都較大，呈線性增長.本次試驗(yàn)中，由于TSTM的降溫能力有限，最低只能降到-15 ℃.且由于試驗(yàn)機(jī)制冷設(shè)備等的不穩(wěn)定性，在絕熱模式下兩種混凝土試件均未發(fā)生開裂，在TMC模式下，80%摻量的混凝土也未發(fā)生斷裂.經(jīng)計(jì)算分析：在TMC模式下，-15 ℃時(shí)80%摻量的約束試件所受拉應(yīng)力已達(dá)其抗拉強(qiáng)度值的95%，可近似認(rèn)為此試件已開裂.

3.2 早齡期混凝土抗裂性綜合評價(jià)

目前，普遍采用絕熱溫升值和極限拉伸值等單項(xiàng)指標(biāo)作為大體積混凝土抗裂性的評價(jià)方法，而這種方法在評價(jià)高摻量粉煤灰混凝土的抗裂性時(shí)已不再適用[6].因此，為更好地評價(jià)高摻混凝土的抗裂性，須使用綜合評價(jià)方法.筆者通過TSTM，得到抗裂性分析的基本參數(shù)，并以此對大體積混凝土的早期抗裂性進(jìn)行綜合評價(jià)，這些參數(shù)可分為3部分：

1) 開裂細(xì)化指標(biāo)：澆筑溫度；出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)間；第一零應(yīng)力溫度；第一零應(yīng)力溫度時(shí)間；升溫時(shí)間；溫峰出現(xiàn)時(shí)間；溫升值；最大壓應(yīng)力；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間；第二零應(yīng)力溫度；第二零應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間.

2) 開裂核心指標(biāo)：室溫應(yīng)力—室溫應(yīng)力為通過TSTM對試件進(jìn)行主動(dòng)降溫，當(dāng)溫度降低到室溫(本實(shí)驗(yàn)室溫為20 ℃)時(shí)所對應(yīng)的拉應(yīng)力；開裂應(yīng)力—通過TSTM進(jìn)行降溫，當(dāng)降低到一定溫度時(shí)試件發(fā)生斷裂時(shí)拉應(yīng)力；應(yīng)力儲備—室溫應(yīng)力與開裂應(yīng)力之間的差值和開裂應(yīng)力的比值.

3) 開裂綜合指標(biāo)：開裂溫度—約束試件混凝土開裂時(shí)對應(yīng)的溫度，可以用來對比不同混凝土開裂性能的指標(biāo).

兩種混凝土在兩種溫度歷程下的部分試驗(yàn)參數(shù)如表2所示.

3.2.1 開裂細(xì)化指標(biāo)

開裂細(xì)化指標(biāo)中主要的指標(biāo)是溫升值、最高溫度及最大壓應(yīng)力.在兩種模式下，F(xiàn)35較F80都有較大的溫升值和最高溫度，這有助于F80獲得較好的抗裂性.最大壓應(yīng)力方面，F(xiàn)35雖比F80高，但是兩者相差不大，且在降溫點(diǎn)前兩者壓應(yīng)力都已趨于零，認(rèn)為兩者的抗裂能力相當(dāng).由開裂細(xì)化指標(biāo)可以得出：F80混凝土的早期抗裂性更好.

表2 TSTM試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)

3.2.2 開裂核心指標(biāo)

開裂核心指標(biāo)和開裂細(xì)化指標(biāo)之間有緊密的聯(lián)系，如細(xì)化指標(biāo)中的溫升值、最高溫度等都會影響開裂核心指標(biāo)中的開裂應(yīng)力和室溫應(yīng)力.可以通過材料的調(diào)整改變開裂細(xì)化指標(biāo)，從而改善開裂核心指標(biāo).開裂核心指標(biāo)中的室溫應(yīng)力、應(yīng)力儲備可以確定混凝土在之后工作中抵抗拉應(yīng)力的能力，室溫應(yīng)力和開裂應(yīng)力越大，則表明其抗裂性越好.

1) 室溫應(yīng)力

室溫應(yīng)力反映試件溫度降到室溫(20 ℃)時(shí)混凝土試件內(nèi)部所積蓄的拉應(yīng)力，應(yīng)力值越小，對抗裂越有利.由表2可知：絕熱模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的室溫應(yīng)力分別為-0.89，-0.30 MPa；TMC模式下，分別為-0.53，-0.07 MPa.由此可見：絕熱模式下的室溫應(yīng)力較匹配模式的室溫應(yīng)力大，對抗裂性不利.F80的室溫應(yīng)力在兩種溫度模式下都比F35低，表明試件溫度降低到室溫時(shí)所積蓄的拉應(yīng)力較小.因此，從室溫應(yīng)力角度分析可以得出這有助于F80混凝土獲得更好的抗裂性.

2) 開裂應(yīng)力

較大的開裂應(yīng)力于抗裂有利，在絕熱模式下，因F35的溫峰值較高造成溫降程度較大，產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力.但兩種混凝土試件在絕熱條件下都未發(fā)生開裂，且TMC模式更貼近工程實(shí)際情況，這里可從TMC模式對開裂應(yīng)力進(jìn)行分析.由表2可知：在TMC模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的開裂應(yīng)力分別為-1.60，-1.75 MPa，說明F80的抗裂性更好.

3) 應(yīng)力儲備

應(yīng)力儲備是開裂應(yīng)力與室溫應(yīng)力的差值和開裂應(yīng)力的比值，應(yīng)力儲備越高，抗裂性越好.在絕熱模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的應(yīng)力儲備分別大于0.56，0.79，在TMC模式下，分別為0.67，0.96.由此可見：TMC模式下的應(yīng)力儲備更大，對抗裂有利.在兩種溫度歷程下，F(xiàn)80的應(yīng)力儲備都比F35大，抗裂性更好.

3.2.3 開裂綜合指標(biāo)

開裂溫度作為開裂綜合指標(biāo)反映了混凝土的水化熱溫升、抗拉強(qiáng)度、升溫階段產(chǎn)生的壓應(yīng)力、降溫階段產(chǎn)生的拉應(yīng)力、應(yīng)力松弛、線膨脹系數(shù)以及自生體積變形等的交互影響.在同一試驗(yàn)條件下，相比于開裂細(xì)化指標(biāo)和開裂核心指標(biāo)，是實(shí)際工程中最簡單易行的開裂控制指標(biāo).就TSTM試驗(yàn)而言，開裂溫度可作為綜合評價(jià)混凝土早期抗裂性的指標(biāo)[12].開裂溫度越低，混凝土的抗裂性就越好.試驗(yàn)結(jié)果表明：在絕熱模式下，F(xiàn)35，F(xiàn)80的開裂溫度分別低于-9.18，-11.78 ℃；在TMC下，分別為-0.42，-15.27 ℃.說明溫度匹配模式的開裂溫度更低，抗裂性更好.在匹配模式中，兩者的開裂溫度相差接近15 ℃，說明F80混凝土的抗裂性優(yōu)于F35混凝土.

在實(shí)際工程中，三種指標(biāo)均可以作為混凝土早齡期抗裂性的評價(jià)方法.以開裂細(xì)化指標(biāo)調(diào)整材料改善開裂核心指標(biāo)，以開裂核心指標(biāo)對混凝土的抗裂安全系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，以開裂綜合指標(biāo)對混凝土的抗裂性進(jìn)行控制.三種指標(biāo)共同作用，共同構(gòu)成對混凝土早齡期抗裂性的系統(tǒng)評價(jià)方法.

4 結(jié) 論

TSTM可以作為混凝土早齡期抗裂性綜合評價(jià)的有效方法，采用TSTM來研究絕熱模式和TMC模式下高摻混凝土早齡期的抗裂性，并與基準(zhǔn)混凝土做對比.試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同的溫度歷程下，混凝土的抗裂性不同.TMC模式下混凝土的抗裂性比絕熱模式下混凝土的抗裂性好；高摻混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，在升溫階段的溫升值和最高溫度較低，在降溫階段的開裂應(yīng)力和應(yīng)力儲備較大，室溫應(yīng)力和開裂溫度較低，這對抗裂是有利的.另外，從開裂細(xì)化指標(biāo)、開裂核心指標(biāo)以及開裂綜合指標(biāo)對兩種混凝土的抗裂性進(jìn)行綜合分析，得出高摻混凝土相比于基準(zhǔn)混凝土在早齡期有更好的抗裂性，說明高摻混凝土是具有發(fā)展前景的綠色高性能大壩混凝土.

本文得到全國工程專業(yè)學(xué)位研究生教育指導(dǎo)委員會自選研究課題(教改項(xiàng)目)(2016-ZX-236)和深圳大學(xué)廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(GDDCE14-01，GDDCE15-01)的資助.

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(責(zé)任編輯：陳石平)

Research on cracking resistance behavior of high volume fly ash concrete at early ages under two temperature histories

ZHAO Zhifang1, CHEN Jing1, WANG Weilun2, ZHAO Zhigang3, ZHOU Hougui4

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;3.Zhejiang University of Media and Communications, Hangzhou 310018, China;4.China Energy Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100022, China)

In order to comprehensively evaluate the cracking resistance behavior of high volume fly ash concrete at early ages, an experimental study on the cracking resistance behavior of normal dam concrete with 35% and 80% fly ash contents under the adiabatic mode and temperature matching curing (TMC) mode is conducted by TSTM tests. The results show that the cracking resistance of concrete under the TMC mode is superior to that under the adiabatic mode. Compared with the concrete with 35% fly ash content, the high volume fly ash concrete has a lower temperature rise, room temperature stress and cracking temperature, and a higher cracking stress and stress reserve. In addition, the high volume fly ash concrete has better cracking resistance behavior at early ages by a comprehensive analysis of the cracking refinement, cracking core and cracking comprehensive indexes.

high volume fly ash concrete; early age; cracking resistance behavior; TSTM test

2016-12-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479178)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14E090006)

趙志方(1970—)，女，河南洛陽人，教授，主要從事綠色高性能混凝土材料與結(jié)構(gòu)及耐久性研究，E-mail：zhaozhifang7@126.com.

TU528

A

1006-4303(2017)04-0449-05