李 聰， 黃 偉， 陳寶春

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， 簡(jiǎn)稱UHPC)具有超高強(qiáng)度與耐久性， 在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]. 在材料組成上， 以水泥-硅灰為主要膠凝體系， 具有水膠比低、 膠凝材料含量大、 活性礦物摻合料摻量高、 無(wú)粗骨料等特點(diǎn). 一方面， 其收縮特性與普通混凝土、 高性能混凝土等有較大不同[4]， 在凝結(jié)硬化以及硬化后服役過(guò)程中伴隨較大的自收縮， 早期開裂風(fēng)險(xiǎn)高[5]. 另一方面， 其自收縮受到環(huán)境和測(cè)試條件限制， 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案并未統(tǒng)一， 因而合理選擇收縮預(yù)測(cè)模型尤為重要[6].

在降低收縮上， 韓松等[7-8]使用粉煤灰替代昂貴的硅灰(質(zhì)量替代率分別為25%、 50%、 75%)可減小收縮， 特別是早期收縮； Li等[9]研究了粉煤灰替代水泥(質(zhì)量替代率分別為15%、 30%、 45%、 60%)在114 d的自收縮性能， 與不摻粉煤灰相比， 分別降低了6.4%、 13.5%、 20.0%、 29.7%. 另一方面， 粉煤灰的摻入延長(zhǎng)了收縮穩(wěn)定時(shí)間， 到114 d時(shí)收縮曲線并未平穩(wěn)， 仍呈上升趨勢(shì)， 存在“滯后效應(yīng)”. 涂亞秋等[10]研究摻粉煤灰UHPC長(zhǎng)期收縮發(fā)展規(guī)律， 呈現(xiàn)前期快速增長(zhǎng)(0～7 d)、 中期相對(duì)穩(wěn)定(28～60 d)、 后期緩慢回脹(60～180 d)的趨勢(shì). 因此， 摻入粉煤灰是否會(huì)降低UHPC的總收縮或是僅僅延后其發(fā)展， 還有待進(jìn)一步的研究.

在預(yù)測(cè)UHPC收縮上， 各國(guó)規(guī)范推薦模型也不同， 考慮因素和結(jié)構(gòu)形式各異， 且多借鑒現(xiàn)有普通混凝土或高性能混凝土， 其準(zhǔn)確性和適用性尚存疑問(wèn)[6]. 有學(xué)者通過(guò)建立自收縮與常用易得的強(qiáng)度指標(biāo)建立聯(lián)系， 提出更為直接實(shí)用且精確度較高的自收縮預(yù)測(cè)模型[11-12]. 以上的研究盡管多針對(duì)普通混凝土或高性能混凝土， 但通過(guò)強(qiáng)度預(yù)測(cè)自收縮發(fā)展對(duì)UHPC收縮預(yù)測(cè)具有一定的借鑒意義.

此外， 對(duì)于約束下UHPC的研究并不充分. 圓環(huán)約束作為標(biāo)準(zhǔn)方法廣泛應(yīng)用于水泥基材料早齡期的開裂測(cè)試[13]， 對(duì)約束條件下收縮應(yīng)力解析有較為完善的理論， 可探討計(jì)算不同密閉條件下殘余應(yīng)力、 應(yīng)力松弛等[14-16]. Hossain 和Weiss等[17-18]以不同干燥條件、 約束水平和水膠比等為主要因素， 開展大量的約束收縮試驗(yàn)研究. 王國(guó)杰等[19]對(duì)干燥收縮、 自收縮分別進(jìn)行研究， 并建議工程中應(yīng)區(qū)分以干燥收縮或自生收縮為主的構(gòu)件， 有針對(duì)性地優(yōu)化配合比.

綜上可知， 粉煤灰UHPC自由收縮、 力學(xué)性能與約束收縮等相結(jié)合的研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足. 基于此， 以粉煤灰替代硅灰50%作為試驗(yàn)組， 針對(duì)性開展自由收縮、 力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、 彈性模量與劈裂強(qiáng)度)與圓環(huán)約束收縮等試驗(yàn)， 研究粉煤灰UHPC的收縮與力學(xué)性能發(fā)展影響和兩者之間的相關(guān)性， 分析圓環(huán)約束條件下的開裂性能.

1 原材料與測(cè)試方法

1.1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中采用福建煉石牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥； 硅灰產(chǎn)于西寧鐵合金廠， 其SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于90%， 比表面積為18.9 m2·g-1， 密度2.0 g·cm-3； 石英砂為上海津沅石英砂有限公司生產(chǎn)； 鋼纖維為直線型冷拔鋼絲纖維， 產(chǎn)于武漢漢森鋼纖維有限公司， 直徑0.2 mm， 長(zhǎng)度13 mm， 長(zhǎng)徑比為65， 抗拉強(qiáng)度≥2.5 GPa， 彈性模量200 GPa. 粉煤灰產(chǎn)于福州雙騰建材有限公司.

試驗(yàn)共計(jì)2組， 基準(zhǔn)組(JZ)和粉煤灰替代50%硅灰(FA組). 試件組水膠比為0.16， 鋼纖維體積摻量為2.0%， 集料為細(xì)石英砂， 具體配合比， 見表1.

表1 UHPC配合比設(shè)計(jì)

1.2 UHPC收縮與力學(xué)性能測(cè)試

采用埋入式應(yīng)變計(jì)測(cè)試方案[7]， 試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體， 測(cè)試起始時(shí)間為澆筑入模起， 測(cè)試終止時(shí)間90 d. 采用塑料膜和石蠟作為密閉材料， 分別澆筑密閉與干燥組試件. 試驗(yàn)裝置與測(cè)試見圖1.

基本力學(xué)性能試驗(yàn)分別測(cè)試了1、 3、 7、 14、 28、 60與90 d等齡期的抗壓強(qiáng)度、 劈裂強(qiáng)度與彈性模量等指標(biāo). 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后拆模， 抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度分別根據(jù)文獻(xiàn)[20-21]進(jìn)行， 均采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體； 彈性模量根據(jù)文獻(xiàn)[22]進(jìn)行， 采用DT-20動(dòng)彈模儀對(duì)100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體進(jìn)行測(cè)試. 以上材性測(cè)試均以3個(gè)試件為一組.

圓環(huán)約束試驗(yàn)以ASTM C 1581-04標(biāo)準(zhǔn)[23]為依據(jù)， 圓環(huán)高度均為152 mm. 內(nèi)鋼環(huán)沿環(huán)向共設(shè)置4個(gè)應(yīng)變片， 采用全橋貼片方式. 每組試件測(cè)得的應(yīng)變?nèi)?個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值， 試驗(yàn)數(shù)值可靠度已驗(yàn)證[19]. 測(cè)試環(huán)境為溫度(20±2)℃， 濕度(60±5)%恒溫恒濕室內(nèi).

圖1 收縮試驗(yàn)Fig.1 Shrinkage test

2 結(jié)果與分析

2.1 UHPC自由收縮

參考文獻(xiàn)[7-8]， 通常采用密閉條件來(lái)實(shí)現(xiàn)自收縮(εas)和干燥收縮(εds)的分離， 圖2給出JZ組與FA組收縮測(cè)試結(jié)果. 由圖2(a)可知， 兩組的總收縮(εts)和自收縮(εas)的發(fā)展較為相似. 以自收縮為例， 大致分三個(gè)階段： 0～7 d為早期， 收縮增長(zhǎng)較快； 7～28 d為中期， 收縮緩慢增長(zhǎng)； 28 d后為穩(wěn)定期， 收縮基本不變， 測(cè)試90 d結(jié)束. 與總收縮和自收縮不同， 干燥收縮呈現(xiàn)早期(0～2 d)隨時(shí)間發(fā)展先增大， 2～28 d內(nèi)隨時(shí)間發(fā)展呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(其中2～14 d內(nèi)下降較快， 14～28 d下降較為緩慢). 相比JZ組在28 d趨于穩(wěn)定， FA 組60 d基本上趨于穩(wěn)定， 穩(wěn)定期延后原因之一： FA的火山灰活性低于硅灰， 替代后能降低早期自收縮， 而自身具有的火山灰效應(yīng)， 在后期仍會(huì)增加自收縮. 截止目前90 d的觀測(cè)， 尚未發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[10]中后期出現(xiàn)的“回脹”現(xiàn)象.

圖2 收縮測(cè)試結(jié)果Fig.2 Result of shrinkage

由圖2(b)可知： UHPC自收縮占總收縮的比例隨齡期的發(fā)展呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)， 即在0～2 d內(nèi)下降， 降幅在10%以內(nèi)， 2 d后上升. 在2 d時(shí)， 自收縮所占比例最小. 原因是試驗(yàn)起始測(cè)試時(shí)間為澆筑入模開始， 在1 d后拆模， 因此在1～2 d干燥收縮會(huì)更明顯， 進(jìn)而導(dǎo)致自收縮所占比例最低. 自收縮占總收縮比例總體上(3 d后)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)， 28 d后基本穩(wěn)定， 所占比例范圍在86.6%～96.9%, 其中FA組中的自收縮所占比例較高， 約占95%以上. 干燥收縮占總收縮的比例與自收縮呈現(xiàn)相反趨勢(shì)， 不再贅述.

由圖2(c)可知： FA組在1～14 d的自收縮占JZ組的49.0%～62.9%， 降幅在51.0%～37.1%； 在28～60 d占JZ組的71.8%～78.0%， 降幅在28.2%～22.0%， 由此說(shuō)明FA能夠降低UHPC自收縮， 在早期效果尤為明顯， 而隨齡期增大， 對(duì)自收縮的降低幅度逐漸減小.

2.2 UHPC力學(xué)性能

圖3(a)～(c)為JZ組與FA組的抗壓強(qiáng)度、 彈性模量、 劈裂強(qiáng)度等依時(shí)性的結(jié)果， 可知在28 d時(shí)力學(xué)性能值均基本穩(wěn)定； 圖3(d)為FA組的不同齡期下的抗壓強(qiáng)度、 彈性模量、 劈裂強(qiáng)度與JZ組對(duì)比.

圖3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Fig.3 Result of mechanical property

由圖3(a) 可知， 抗壓強(qiáng)度在0～7 d快速增長(zhǎng)， 約占28 d的68.6% ～78.3%； 7～28 d緩慢增長(zhǎng)； 28 d后基本穩(wěn)定， 增幅在5%內(nèi). 由圖3(b) 可知， 彈性模量在0～3 d快速增長(zhǎng)， 約占28 d的90.3%～95.8%； 3～28 d增長(zhǎng)較緩， 增幅在5%以內(nèi)； 28 d后基本穩(wěn)定. 由圖3(c) 可知， 劈裂強(qiáng)度在0～3 d快速增長(zhǎng)， 約占28 d的75.4%～81.0%； 7～28 d增長(zhǎng)較緩； 28 d后基本穩(wěn)定.

由圖3(d) 可知， FA的摻入會(huì)降低UHPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量， 但影響不大， 降幅在5%～10%內(nèi)； 會(huì)提高UHPC的劈裂強(qiáng)度， 如7 d、 28 d時(shí)分別提高約20.0%、 19.2%. 原因分析： 一方面， FA的火山灰活性低于硅灰， 能緩解早期的水化反應(yīng)， 故早期的力學(xué)性能低于JZ組， 以抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低較為明顯， 但隨著齡期增長(zhǎng)， 在參與水化后FA表面會(huì)出現(xiàn)大量的粘結(jié)強(qiáng)度高的水化硅酸鈣纖維狀晶體， 會(huì)進(jìn)一步提高其力學(xué)性能， 尤其能提高劈裂強(qiáng)度； 另一方面， 在形態(tài)上， FA是多類粒徑顆粒形狀的聚集體， 使得其在UHPC的拌合物中具有顯著的形態(tài)效應(yīng)， 而在粒徑上， FA在水泥和硅灰之間， 具有填充效應(yīng). 此外， 結(jié)合上文分析， FA可降低UHPC中的收縮， 因此有望降低內(nèi)部的收縮應(yīng)力進(jìn)一步提高劈裂強(qiáng)度.

2.3 自收縮與力學(xué)性能相關(guān)性

參考江晨暉等[24]的研究， 基于抗壓強(qiáng)度與孔隙率、 自收縮與孔隙平均半徑的關(guān)系等， 由孔隙率與孔隙尺寸之間的相關(guān)性， 可預(yù)測(cè)自收縮(εas)與抗壓強(qiáng)度(fc)之間必然存在一定關(guān)聯(lián)性， 并采用二次多項(xiàng)式表達(dá)如下式.

(1)

式中：εas(t)為齡期t時(shí)自收縮；εas(28)為齡期28 d時(shí)自收縮；fc(t)為齡期t時(shí)抗壓強(qiáng)度；fc(28)為齡期28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度；u、v、w為該模型的非變量參數(shù)， 可通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析得到.

UHPC抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式可參考?xì)W洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990[25]， 如下式. 其中：βc(t)為齡期t時(shí)抗壓強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)；c為混凝土本身性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)， 與齡期無(wú)關(guān).

fc(t)=βc(t)·fc(28)

(2)

(3)

圖4給出JZ、 FA組的抗壓強(qiáng)度與自收縮相關(guān)性的擬合結(jié)果， 其中JZ、 FA組預(yù)測(cè)結(jié)果的殘差平方分別為0.917、 0.993， 也即抗壓強(qiáng)度發(fā)展與自收縮相關(guān)性明顯. 圖5給出了抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比， 由圖5可知式(2)～(3)可用于預(yù)測(cè)UHPC抗壓強(qiáng)度發(fā)展.

圖4 抗壓強(qiáng)度與自收縮相關(guān)性Fig.4 Relationship between compressive strength andautogenous shrinkage

圖5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與計(jì)算值對(duì)比Fig.5 Test and calculated results of compressive strength

進(jìn)一步， 在UHPC收縮特性未知的情況下， 可測(cè)得7 d、 28 d抗壓強(qiáng)度， 根據(jù)式(2)～(3)， 得到βc(7)， 聯(lián)立式(1)， 得到下式， 通過(guò)測(cè)試較為易行的抗壓強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)收縮的發(fā)展， 可供實(shí)際工程參考.

(4)

2.4 圓環(huán)約束UHPC收縮開裂性能

圓環(huán)約束條件與自由狀態(tài)下UHPC收縮有所不同. 密閉條件下， 自收縮作用下鋼環(huán)應(yīng)變值(εs)在t時(shí)刻大于自收縮與環(huán)向干燥共同作用， JZ組與FA組鋼環(huán)應(yīng)變分別在12.4 d和6.0 d大于環(huán)向干燥條件， 且FA組在6.0 d后的趨勢(shì)越來(lái)越明顯， 具體結(jié)果見圖6.

由圖6可知根據(jù)鋼環(huán)應(yīng)變的依時(shí)性與t時(shí)刻大小， 曲線分4個(gè)階段： ① 蟄伏期， 澆筑后的0.5～0.75 d； ② 先下降后上升階段， 其中下降段為蟄伏期后至拆模前， 上升段為澆筑后1.25～1.5 d， 發(fā)生短暫的“膨脹”現(xiàn)象[15]； ③ 拆模后的下降段， 直到t時(shí)刻， 該期間， 環(huán)向干燥條件下的鋼環(huán)應(yīng)變會(huì)大于密閉條件； ④t時(shí)刻后， 密閉組的鋼環(huán)應(yīng)變大于干燥組， 直到穩(wěn)定.

圖6 鋼環(huán)應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)展Fig.6 Steel strain development with time

由圖6可知： 環(huán)向是否干燥對(duì)FA組的影響較大， FA替代硅灰后能夠延緩圓環(huán)約束下UHPC早期收縮發(fā)展， 在7 d前效果明顯. 在7 d后， 密閉條件下鋼環(huán)應(yīng)變呈快速增大， 在(30±0.5)d時(shí)與JZ組相當(dāng)， 之后保持該趨勢(shì)； 而環(huán)向干燥條件下其鋼環(huán)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為緩慢， 且后期均低于密閉條件， 90 d降低約27.1%.

2.4.1拉應(yīng)力水平

通常采用拉應(yīng)力水平θ(t)評(píng)價(jià)圓環(huán)約束下的開裂性能. 拉應(yīng)力水平為拉應(yīng)力(殘余應(yīng)力)與抗力(抗拉強(qiáng)度， 采用劈拉強(qiáng)度)的比值[13]. 圖7(a)為兩組試件90 d的拉應(yīng)力水平， 據(jù)圖可知， 在拆模后的7 d內(nèi)， 密閉組的拉應(yīng)力水平小于環(huán)向干燥組， 而在14 d后密閉組的拉應(yīng)力水平均大于干燥組， 說(shuō)明在圓環(huán)約束下的UHPC后期自收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大于環(huán)向干燥與自收縮共同作用； FA組的拉應(yīng)力水平均低于JZ組， 在早期效果明顯， 7 d拉應(yīng)力水平降低近 33.7%.

圖7 圓環(huán)約束下開裂性能Fig.7 Crackingbehavior under ring constraint

已有研究結(jié)果表明， 當(dāng)早期拉應(yīng)力水平超過(guò)55%時(shí)， 開裂的風(fēng)險(xiǎn)較大[13]. JZ組密閉與環(huán)向干燥時(shí)拉應(yīng)力水平均在14 d達(dá)到最大， 分別為70.9%、 68.6%， 均高于安全控制值， 開裂風(fēng)險(xiǎn)較大； FA組密閉與環(huán)向干燥時(shí)拉應(yīng)力水平隨齡期呈不斷增大趨勢(shì)， 均在60 d時(shí)達(dá)最大， 分別為58.0%、 48.6%.

以上結(jié)果表明， FA替代硅灰后能夠有效降低與延緩約束下UHPC開裂風(fēng)險(xiǎn)， 環(huán)向干燥時(shí)效果更明顯. 采用超聲探測(cè)儀尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有裂縫產(chǎn)生， 主要因?yàn)閾饺?%的鋼纖維有利于提升UHPC的抗裂能力， 開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯降低.

2.4.2應(yīng)力松弛率

圓環(huán)試驗(yàn)中的應(yīng)力松弛一般用理論彈性應(yīng)力與殘余應(yīng)力的差值表示， 理論彈性應(yīng)力可通過(guò)鋼環(huán)的尺寸、 UHPC彈性模量及自由狀態(tài)下的收縮計(jì)算得到， 相關(guān)計(jì)算參見文獻(xiàn)[17-18]. 應(yīng)力松弛率采用應(yīng)力松弛值與理論彈性應(yīng)力的比值計(jì)算得到， 表征UHPC約束收縮下的應(yīng)力松弛程度.

圖7(b)為兩組試件90 d的應(yīng)力松弛率， 可知JZ組密閉與環(huán)向干燥時(shí)應(yīng)力松弛率均在14 d達(dá)到最小， 分別為23.4%、 38.6%； FA組在60 d時(shí)達(dá)最小， 分別為0.4%、 26.8%.

前文中， JZ、 FA組在自由狀態(tài)下， 總收縮大于自收縮， 而在受到約束時(shí)， UHPC在密閉條件下開裂風(fēng)險(xiǎn)卻更大. 原因可能為密閉條件下自收縮的應(yīng)力松弛現(xiàn)象不明顯[19]， 而UHPC收縮以自收縮為主， 故在約束條件下， 自收縮導(dǎo)致的開裂問(wèn)題會(huì)更加突出. 此外， FA組的應(yīng)力松弛率卻均低于JZ組， 主要原因： 一方面， 使用UHPC棱柱體自由狀態(tài)下的收縮會(huì)低于UHPC圓環(huán)的徑向收縮, 導(dǎo)致應(yīng)力松弛率偏低； 另一方面， FA組自由狀態(tài)下的收縮比JZ組降低約20%， 從而導(dǎo)致計(jì)算得到應(yīng)力松弛率會(huì)進(jìn)一步偏低.

3 結(jié)語(yǔ)

1) UHPC自收縮分三個(gè)階段： 0～7 d收縮快速增長(zhǎng)階段； 7～28 d收縮緩慢增長(zhǎng)階段； 28 d后期穩(wěn)定階段； 抗壓強(qiáng)度、 彈性模量、 劈裂強(qiáng)度等基本力學(xué)性能隨時(shí)間呈現(xiàn)早期快速增長(zhǎng)， 28 d基本穩(wěn)定.

2) 自由狀態(tài)下， 粉煤灰替代硅灰(質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%)后能顯著降低UHPC早期自收縮， 且隨時(shí)間推移逐漸降低； 會(huì)略降低抗壓強(qiáng)度和彈性模量， 降幅范圍均在10%以內(nèi)； 提高劈裂強(qiáng)度， 最大增幅達(dá)19.2%.

3) 粉煤灰UHPC的自收縮與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性顯著， 采用抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可用于預(yù)測(cè)自收縮發(fā)展， 鑒于數(shù)據(jù)與參數(shù)設(shè)計(jì)有限， 還應(yīng)作進(jìn)一步的研究.

4) 采用拉應(yīng)力水平和應(yīng)力松弛率綜合評(píng)價(jià)圓環(huán)約束下UHPC開裂性能， 環(huán)向干燥條件下的開裂風(fēng)險(xiǎn)均低于環(huán)向密閉條件； 粉煤灰的摻入能顯著降低UHPC早期開裂風(fēng)險(xiǎn).