彭 顥

（中核混凝土股份有限公司昌江分公司，海南 昌江 572700）

0 引言

熱應(yīng)力是造成混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂的主要原因，如果施工過程中由于水化反應(yīng)放熱導(dǎo)致的混凝土溫度升高得不到控制，對于高性能混凝土（High performance concrete, 簡稱HPC）而言，早期開裂問題會(huì)更加嚴(yán)重。水泥水化過程中，混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)快速變化，混凝土的熱膨脹與早期溫度變化不成正比，這使得很難準(zhǔn)確預(yù)測混凝土早期的熱應(yīng)變情況[1-4]。混凝土的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE）主要受骨料類型的影響，然而，關(guān)于新拌混凝土CTE隨時(shí)間變化情況的數(shù)據(jù)非常有限[5,6]。新拌混凝土的CTE 初始值相對較高（高于20×10-6/℃），在硬化過程中迅速降低至10×10-6/℃左右。由于液相中非結(jié)合水占主導(dǎo)地位，新拌混凝土的CTE 值較高，約為硬化混凝土的7 倍。隨后，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)開始形成，導(dǎo)致CTE持續(xù)降低到一穩(wěn)定值[7,8]。

由于混凝土是一種非均質(zhì)、多孔的材料，CTE 的測量并不簡單。為了可靠地預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)早期性能，本文假設(shè)熱變形和自變形不耦合，提出了一種確定混凝土早期熱膨脹系數(shù)的試驗(yàn)方法，同時(shí)提供了兩種不同類型高性能混凝土的測試結(jié)果，以驗(yàn)證本文提出的試驗(yàn)方法的有效性。同時(shí)，本文還提出一種新的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，在根據(jù)隨時(shí)間變化的熱變形確定熱膨脹系數(shù)之前，從實(shí)際測量數(shù)據(jù)中消除混凝土自收縮的影響，使用熱膨脹系數(shù)預(yù)測公式計(jì)算出CTE。

1 試驗(yàn)裝置和校準(zhǔn)方法

將一組（3 個(gè)）密封混凝土棱柱試件置于室內(nèi)環(huán)境中，使其從凝結(jié)到凝結(jié)后7d里每天經(jīng)歷3次25~30℃的全溫度循環(huán)。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示。模具由9.5mm厚的冷軋鋼板制成，內(nèi)部尺寸為75mm×75mm×295mm。每個(gè)模具都放置在鋼模板上，位移傳感器（LVDT）也連接在該模板上。鋼模具之間短的垂直間隔件用來確保模具的側(cè)面都暴露在相同的環(huán)境溫度下。放置在地板和試驗(yàn)設(shè)備之間的泡沫橡膠墊可將室內(nèi)的振動(dòng)降至最低。在鋼模具內(nèi)壁涂有一層石油凝膠和一層薄塑料膜以減少鋼模具內(nèi)壁和混凝土之間的摩擦。鋼模具的端板（75mm×75mm×9.5mm）內(nèi)襯1.5mm厚的閉孔泡沫橡膠墊，以允許混凝土試件在縱向方向上自由移動(dòng)，特別是在熱膨脹期間。使用鋼模具兩端的位移傳感器測量每個(gè)混凝土棱柱體的縱向變形。這些傳感器固定在試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)鋼底座上，通過不銹鋼延伸軸連接到直徑為20mm的金屬盤上。在混凝土澆筑過程中，圓盤嵌入混凝土棱柱體的端部。延伸軸由安裝在鋼模具端板上小孔中的油浸青銅軸承連接，以消除混凝土澆筑期間和混凝土凝結(jié)之前圓盤的橫向位移。通過在每個(gè)混凝土棱柱體中心和表面嵌入熱電偶來測量混凝土的溫度。本文使用電阻溫度檢測器（RTD）監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境溫度。在混凝土凝結(jié)硬化早期，CTE 值快速變化，為了保證讀數(shù)的準(zhǔn)確性，減少CTE測定中的誤差，在試驗(yàn)設(shè)備組裝過程中，必須確保以下幾點(diǎn)：（1）混凝土無變形；（2）防止外部干燥；（3）混凝土試件中的溫度是均勻的。

圖1 測試儀器示意圖

試驗(yàn)中，除了減小混凝土的熱膨脹外，還必須減少溫度效應(yīng)的影響，以確保準(zhǔn)確測定出混凝土CTE。溫度效應(yīng)的影響體現(xiàn)在很多方面，包括對測量儀器和試驗(yàn)設(shè)備的影響。理論上，可以使用傳感器制造商提供的溫度校準(zhǔn)曲線、鋼的理論CTE和試驗(yàn)設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)來估計(jì)這些溫度效應(yīng)的影響。然而，理論計(jì)算是基于一些不確定的假設(shè)前提下才成立的，降低了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，本文通過在受控環(huán)境中的試驗(yàn)測試來確定給定試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)曲線。

建立3 個(gè)相同的測試裝置，并進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)程序包括用3種不同的金屬塊交替測試。所選的3種金屬包括：（1）科瓦合金，測得的CTE 為7.2×10-6/℃；（2）17-4PH不銹鋼（SS17），測得的CTE為10.7×10-6/℃；（3）316不銹鋼（SS316），測得的CTE為16.4×10-6/℃。這3種金屬擁有相對較寬的CTE范圍，能夠包含由不同類型骨料制成的混凝土預(yù)期的CTE 范圍。金屬塊的尺寸為275mm×75mm×25mm，與混凝土試件的尺寸相似，但是金屬塊的厚度是25mm。帶有金屬塊的3個(gè)試驗(yàn)裝置在20~30℃之間進(jìn)行溫度循環(huán)，中間步驟為25℃，同時(shí)，金屬塊的溫度循環(huán)要略大于混凝土試件的溫度循環(huán)。每個(gè)金屬塊的熱變形由2個(gè)位移傳感器測量，位移傳感器的軸擰入金屬塊中，通過在金屬塊下涂上一層薄薄的塑料膜和石油凝膠，將位移傳感器與金屬塊之間的摩擦降到最低。

使用3種金屬塊進(jìn)行儀器校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)測得的平均應(yīng)變和平均溫度如圖2所示。為了清楚比較三者的差異，此圖僅顯示了兩個(gè)完整的溫度循環(huán)。由表2可知，由于CTE 不同，科瓦合金金屬塊對溫度變化的響應(yīng)最顯著，而316不銹鋼的響應(yīng)最不明顯。通過這些應(yīng)變和溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定在3個(gè)測試設(shè)備上每個(gè)金屬塊的平均CTE。

圖2 儀器校準(zhǔn)時(shí)測量的應(yīng)變和溫度

通過繪制金屬塊已知的CTE 曲線與試驗(yàn)設(shè)備中測量的CTE 曲線來獲得3 種試驗(yàn)設(shè)備的平均校準(zhǔn)曲線，如圖3 所示。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是在3 種設(shè)備中試驗(yàn)測出數(shù)據(jù)的平均值。圖3 中線性回歸線的縱坐標(biāo)為試驗(yàn)裝置的平均CTE（17.1×10-6/℃）。還可以觀察到，CTE 的所有測量值都是負(fù)值，這是因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)備的CTE 是高于金屬塊的CTE 的。

圖3 試驗(yàn)儀器的平均校準(zhǔn)曲線

2 高性能混凝土的熱膨脹試驗(yàn)

該研究使用的水膠比為0.35，用于密封固化條件下的典型高性能混凝土和內(nèi)部養(yǎng)護(hù)高性能混凝土的2種混凝土設(shè)計(jì)[9-11]。內(nèi)部養(yǎng)護(hù)技術(shù)包括向水泥中提供內(nèi)部養(yǎng)護(hù)水，通過用預(yù)浸多孔輕質(zhì)（LW）砂代替正常重量（NW）砂，改善水化并減少內(nèi)部干燥，這種LW砂的含水量接近22%。2種高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)見表1所示，性能指標(biāo)見表2所示。由表2可以看出，2種高性能混凝土7d抗壓強(qiáng)度相近（50MPa左右），但空隙率略有不同。

表1 2種高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

表2 2種高性能混凝土實(shí)測性能

2.1 典型高性能混凝土的熱膨脹試驗(yàn)

混凝土放置在3個(gè)鋼模具中，頂部表面用塑料板密封，以防止干燥收縮，然后將模具放置在初始環(huán)境溫度為25℃的室內(nèi)環(huán)境中?；炷翝仓?h，開始溫度循環(huán)，從25~30℃。每個(gè)目標(biāo)溫度保持恒定的3h45min，每個(gè)溫度步驟之間有15min 的間隔。3h45min 的持續(xù)時(shí)間足以在每個(gè)步驟結(jié)束時(shí)在混凝土試件中達(dá)到穩(wěn)定均勻的溫度?；炷猎嚰芸爝_(dá)到熱平衡，因此溫度循環(huán)級(jí)差（5℃）應(yīng)當(dāng)足夠小，以在早期獲得大量的CTE值。在小幅度的溫度循環(huán)下，隨著時(shí)間的推移，溫度對CTE 發(fā)展速度的影響非常小。圖4 顯示了室內(nèi)的環(huán)境溫度下，3個(gè)溫度循環(huán)下測量的混凝土平均溫度和平均應(yīng)變。

圖4 典型高性能混凝土中測量的溫度和應(yīng)變

根據(jù)測量的混凝土位移計(jì)算混凝土總應(yīng)變，然后根據(jù)溫度效應(yīng)進(jìn)行校正，如下式所示：

式中：εtot——校正后的混凝土凝結(jié)后的總溫度應(yīng)變；

εtest——測得的未校正的混凝土凝固后的應(yīng)變；

αa——設(shè)備的CTE（17.1×10-6/℃，如圖3所示）；

Tc——混凝土的實(shí)測溫度；

Tci——混凝土凝結(jié)時(shí)的初始溫度。

每個(gè)溫度步驟結(jié)束時(shí)測得的混凝土中的總應(yīng)變（3次試驗(yàn)的平均值）、收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變?nèi)鐖D5所示?；炷潦湛s應(yīng)變曲線通過將移動(dòng)平均曲線擬合到總應(yīng)變曲線來確定，然后通過從給定時(shí)間的總應(yīng)變中減去收縮應(yīng)變來計(jì)算熱應(yīng)變，如下式所示：

圖5 典型高性能混凝土中的總應(yīng)變、收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變

2.2 內(nèi)部養(yǎng)護(hù)高性能混凝土CTE的測試

測試內(nèi)部養(yǎng)護(hù)高性能混凝土的原因：一是驗(yàn)證高性能混凝土中水分含量的增加對CTE的影響；二是驗(yàn)證所提出方法在低收縮混凝土中測量CTE的有效性（由于熱應(yīng)變的確定取決于收縮和總應(yīng)變之間的差異，因此有必要驗(yàn)證使用低收縮混凝土是否可以提高測試CTE 值的準(zhǔn)確性）。

對于內(nèi)部養(yǎng)護(hù)高性能混凝土，環(huán)境溫度、測量的混凝土平均溫度和混凝土平均應(yīng)變與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，如圖6所示。測量的混凝土試件的中心（實(shí)線）和表面（虛線）溫度，從這兩條曲線可以看出，混凝土樣品具有良好的溫度均勻性，在任何給定的溫度循環(huán)結(jié)束時(shí)，混凝土樣品的內(nèi)外溫度差從未超過0.4℃。

圖6 內(nèi)部養(yǎng)護(hù)高性能混凝土中測量的溫度和應(yīng)變

每個(gè)溫度循環(huán)步驟結(jié)束時(shí)測得的混凝土總應(yīng)變（3次試驗(yàn)的平均值）、收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。內(nèi)部養(yǎng)護(hù)為混凝土提供了近55kg/m3的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)水，使混凝土的自收縮在7d內(nèi)從-225με顯著降低到-30με。

圖7 內(nèi)部養(yǎng)護(hù)高性能混凝土中的總應(yīng)變、收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變

3 熱膨脹系數(shù)的計(jì)算

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，本文提出一種新的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，使用熱膨脹系數(shù)預(yù)測公式計(jì)算出兩種高性能混凝土的CTE，從而使得任何給定時(shí)間高性能混凝土的CTE都可以通過以下預(yù)測公式計(jì)算得出：

式中：αc——給定時(shí)間高性能混凝土的CTE；

?εt?——2個(gè)溫度循環(huán)步驟之間的熱應(yīng)變增量變化；

?εtot和?Tc——分別為2個(gè)溫度循環(huán)步驟之間總應(yīng)變和收縮應(yīng)變的增量變化。

2 種不同高性能混凝土的CTE 值如圖8 所示，其中每條曲線是3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值?？梢钥闯?，內(nèi)部養(yǎng)護(hù)增加了高性能混凝土的含水量，但不會(huì)影響CTE的時(shí)間演變。一般而言，兩種高性能混凝土的CTE在凝結(jié)后1d達(dá)到最小值（8×10-6/℃），在凝結(jié)后3d增加稍快并在7d 齡期時(shí)逐漸增加至10.5×10-6/℃。高性能混凝土CTE在早期時(shí)增加是由多種因素綜合影響的，主要包括水泥水化和自干燥。圖8表明，本文提出的試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性不受混凝土收縮量的影響，對于每種高性能混凝土類型，在7d時(shí)間內(nèi)，3個(gè)混凝土棱柱試件之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5×10-6/℃，變異系數(shù)為5%。同時(shí)，通過以上試驗(yàn)及預(yù)測結(jié)果的對比，驗(yàn)證了本文提出的試驗(yàn)方法及CTE預(yù)測公式是準(zhǔn)確且有效的。

圖8 高性能混凝土CTE隨時(shí)間的變化

4 結(jié)束語

為了準(zhǔn)確預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)早期性能，本文在假設(shè)熱變形和自變形不耦合的前提下，提出一種確定混凝土早期熱膨脹系數(shù)的試驗(yàn)方法，對兩種高性能混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)測試，同時(shí)，提出一種新的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，使用熱膨脹系數(shù)預(yù)測公式計(jì)算出兩種高性能混凝土的CTE，得出以下結(jié)論：

（1）本文提出的試驗(yàn)和分析方法允許在混凝土凝結(jié)后僅12h內(nèi)準(zhǔn)確測定CTE，試驗(yàn)樣品之間的平均變異系數(shù)為5%。

（2）在高性能混凝土凝結(jié)24h 后，CTE 達(dá)到最小值（8×10-6/℃），在凝結(jié)3d后的CTE增加稍快并在7d齡期時(shí)逐漸增加至10.5×10-6/℃。

（3）內(nèi)部養(yǎng)護(hù)增加了高性能混凝土的含水量，但不會(huì)影響CTE的時(shí)間演變。

通過以上試驗(yàn)及預(yù)測結(jié)果的對比，驗(yàn)證了本文提出的試驗(yàn)方法及CTE預(yù)測公式的有效性。