粉煤灰超高性能混凝土收缩与抗压强度相关性研究

粉煤灰超高性能混凝土收缩与抗压强度相关性研究
李聪;黄伟;陈宝春
【摘要】开展粉煤灰(FA)超高性能混凝土(UHPC)自由收缩、基本力学性能和圆环约束试验,探讨其抗压强度与自收缩相关性,测试时间为0～90 d.结果表明:UHPC收缩呈早期增长快,28 d基本稳定;以自收缩为主,90 d时约占总收缩的86.6％～95.7％.FA对早期自收缩影响明显,随龄期增大影响减弱,1～7 d降低51.0％～40.5％,28～90 d降低28.2％～22.0％;略降低抗压强度与弹性模量,28 d最大降幅分别为9.3％、5.0％,提高劈裂强度,28 d提高近19.2％.UHPC自收缩与抗压强度相关性显著,可根据抗压强度发展预测自收缩;圆环约束下,密闭条件的UHPC开裂风险大于环向干燥;掺入FA能降低UHPC开裂风险.
【期刊名称】《福州大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(047)002
【总页数】7页(P251-257)
【关键词】超高性能混凝土;粉煤灰;自收缩;力学性能;圆环约束
【作者】李聪;黄伟;陈宝春
【作者单位】福州大学土木工程学院,福建福州 350108;福州大学土木工程学院,福建福州 350108;福州大学土木工程学院,福建福州 350108
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.01
0 引言
超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称UHPC)具有超高强度与耐久性，在土木工程领域具有广阔的应用前景[1-3] . 在材料组成上，以水泥-
硅灰为主要胶凝体系，具有水胶比低、胶凝材料含量大、活性矿物掺合料掺量高、无粗骨料等特点. 一方面，其收缩特性与普通混凝土、高性能混凝土等有较大不
同[4]，在凝结硬化以及硬化后服役过程中伴随较大的自收缩，早期开裂风险高[5]. 另一方面，其自收缩受到环境和测试条件限制，标准测试方案并未统一，因而合理选择收缩预测模型尤为重要[6].
在降低收缩上，韩松等[7-8]使用粉煤灰替代昂贵的硅灰(质量替代率分别为25%、50%、 75%)可减小收缩，特别是早期收缩； Li等[9]研究了粉煤灰替代水泥(质量替代率分别为15%、 30%、 45%、 60%)在114 d的自收缩性能，与不掺粉煤
灰相比，分别降低了6.4%、 13.5%、 20.0%、 29.7%. 另一方面，粉煤灰的掺
入延长了收缩稳定时间，到114 d时收缩曲线并未平稳，仍呈上升趋势，存在“滞后效应”. 涂亚秋等[10]研究掺粉煤灰UHPC长期收缩发展规律，呈现前期快速增长(0～7 d)、中期相对稳定(28～60 d)、后期缓慢回胀(60～180 d)的趋势.
因此，掺入粉煤灰是否会降低UHPC的总收缩或是仅仅延后其发展，还有待进一步的研究.
在预测UHPC收缩上，各国规范推荐模型也不同，考虑因素和结构形式各异，
且多借鉴现有普通混凝土或高性能混凝土，其准确性和适用性尚存疑问[6]. 有学
者通过建立自收缩与常用易得的强度指标建立联系，提出更为直接实用且精确度
较高的自收缩预测模型[11-12]. 以上的研究尽管多针对普通混凝土或高性能混凝土，但通过强度预测自收缩发展对UHPC收缩预测具有一定的借鉴意义.
此外，对于约束下UHPC的研究并不充分. 圆环约束作为标准方法广泛应用于水
泥基材料早龄期的开裂测试[13]，对约束条件下收缩应力解析有较为完善的理论，可探讨计算不同密闭条件下残余应力、应力松弛等[14-16]. Hossain 和Weiss等[17-18]以不同干燥条件、约束水平和水胶比等为主要因素，开展大量的约束收
缩试验研究. 王国杰等[19]对干燥收缩、自收缩分别进行研究，并建议工程中应区分以干燥收缩或自生收缩为主的构件，有针对性地优化配合比.
综上可知，粉煤灰UHPC自由收缩、力学性能与约束收缩等相结合的研究和实测数据不足. 基于此，以粉煤灰替代硅灰50%作为试验组，针对性开展自由收缩、
力学性能(抗压强度、弹性模量与劈裂强度)与圆环约束收缩等试验，研究粉煤灰UHPC的收缩与力学性能发展影响和两者之间的相关性，分析圆环约束条件下的
开裂性能.
1 原材料与测试方法
1.1 原材料与配合比设计
试验中采用福建炼石牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥；硅灰产于西宁铁合金厂，其SiO2的质量分数大于等于90%，比表面积为18.9 m2·g-1，密度2.0 g·cm-3；石英砂为上海津沅石英砂有限公司生产；钢纤维为直线型冷拔钢丝纤维，产于武汉汉森钢纤维有限公司，直径0.2 mm，长度13 mm，长径比为65，抗拉强
度≥2.5 GPa，弹性模量200 GPa. 粉煤灰产于福州双腾建材有限公司.
试验共计2组，基准组(JZ)和粉煤灰替代50%硅灰(FA组). 试件组水胶比为0.16，钢纤维体积掺量为2.0%，集料为细石英砂，具体配合比，见表1.
表1 UHPC配合比设计Tab.1 Mixes proportion of UHPC investigated (kg·m-3)组分ρ水泥ρ硅灰ρ粉煤灰ρ钢纤维ρ减水剂ρ石英砂ρ水JZ859.5258.0-162.421.51005.5179.0FA859.5129.0129.0162.421.51005.5179.0
1.2 UHPC收缩与力学性能测试
采用埋入式应变计测试方案[7]，试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱
柱体，测试起始时间为浇筑入模起，测试终止时间90 d. 采用塑料膜和石蜡作为
密闭材料，分别浇筑密闭与干燥组试件. 试验装置与测试见图1.
基本力学性能试验分别测试了1、 3、 7、 14、 28、 60与90 d等龄期的抗压强度、劈裂强度与弹性模量等指标. 标准养护1 d后拆模，抗压强度与劈裂强度分
别根据文献[20-21]进行，均采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体；弹性模量根据文献[22]进行，采用DT-20动弹模仪对100 mm×100 mm×400 mm
的棱柱体进行测试. 以上材性测试均以3个试件为一组.
圆环约束试验以ASTM C 1581-04标准[23]为依据，圆环高度均为152 mm. 内
钢环沿环向共设置4个应变片，采用全桥贴片方式. 每组试件测得的应变取4个
测点的平均值，试验数值可靠度已验证[19]. 测试环境为温度(20±2)℃，湿度(60±5)%恒温恒湿室内.
图1 收缩试验Fig.1 Shrinkage test
2 结果与分析
2.1 UHPC自由收缩
参考文献[7-8]，通常采用密闭条件来实现自收缩(εas)和干燥收缩(εds)的分离，
图2给出JZ组与FA组收缩测试结果. 由图2(a)可知，两组的总收缩(εts)和自收
缩(εas)的发展较为相似. 以自收缩为例，大致分三个阶段： 0～7 d为早期，收缩增长较快； 7～28 d为中期，收缩缓慢增长； 28 d后为稳定期，收缩基本不变，测试90 d结束. 与总收缩和自收缩不同，干燥收缩呈现早期(0～2 d)随时间发展
先增大， 2～28 d内随时间发展呈现下降趋势(其中2～14 d内下降较快， 14～28 d下降较为缓慢). 相比JZ组在28 d趋于稳定， FA 组60 d基本上趋于稳定，稳定期延后原因之一： FA的火山灰活性低于硅灰，替代后能降低早期自收缩，
而自身具有的火山灰效应，在后期仍会增加自收缩. 截止目前90 d的观测，尚未发现文献[10]中后期出现的“回胀”现象.
图2 收缩测试结果Fig.2 Result of shrinkage
由图2(b)可知： UHPC自收缩占总收缩的比例随龄期的发展呈现先降低后增加的
趋势，即在0～2 d内下降，降幅在10%以内， 2 d后上升. 在2 d时，自收缩
所占比例最小. 原因是试验起始测试时间为浇筑入模开始，在1 d后拆模，因此
在1～2 d干燥收缩会更明显，进而导致自收缩所占比例最低. 自收缩占总收缩比
例总体上(3 d后)呈现上升趋势， 28 d后基本稳定，所占比例范围在86.6%～96.9%, 其中FA组中的自收缩所占比例较高，约占95%以上. 干燥收缩占总收缩
的比例与自收缩呈现相反趋势，不再赘述.
由图2(c)可知： FA组在1～14 d的自收缩占JZ组的49.0%～62.9%，降幅在51.0%～37.1%；在28～60 d占JZ组的71.8%～78.0%，降幅在28.2%～
22.0%，由此说明FA能够降低UHPC自收缩，在早期效果尤为明显，而随龄期增大，对自收缩的降低幅度逐渐减小.
2.2 UHPC力学性能
图3(a)～(c)为JZ组与FA组的抗压强度、弹性模量、劈裂强度等依时性的结果，可知在28 d时力学性能值均基本稳定；图3(d)为FA组的不同龄期下的抗压强度、弹性模量、劈裂强度与JZ组对比.
图3 力学性能测试结果Fig.3 Result of mechanical property
由图3(a) 可知，抗压强度在0～7 d快速增长，约占28 d的68.6% ～78.3%；7～28 d缓慢增长； 28 d后基本稳定，增幅在5%内. 由图3(b) 可知，弹性模量在0～3 d快速增长，约占28 d的90.3%～95.8%； 3～28 d增长较缓，增幅
在5%以内； 28 d后基本稳定. 由图3(c) 可知，劈裂强度在0～3 d快速增长，
约占28 d的75.4%～81.0%； 7～28 d增长较缓； 28 d后基本稳定.
由图3(d) 可知， FA的掺入会降低UHPC的抗压强度和弹性模量，但影响不大，降幅在5%～10%内；会提高UHPC的劈裂强度，如7 d、 28 d时分别提高约
20.0%、 19.2%. 原因分析：一方面， FA的火山灰活性低于硅灰，能缓解早期的水化反应，故早期的力学性能低于JZ组，以抗压强度和弹性模量降低较为明显，但随着龄期增长，在参与水化后FA表面会出现大量的粘结强度高的水化硅酸钙
纤维状晶体，会进一步提高其力学性能，尤其能提高劈裂强度；另一方面，在
形态上， FA是多类粒径颗粒形状的聚集体，使得其在UHPC的拌合物中具有显
著的形态效应，而在粒径上， FA在水泥和硅灰之间，具有填充效应. 此外，结
合上文分析， FA可降低UHPC中的收缩，因此有望降低内部的收缩应力进一步
提高劈裂强度.
2.3 自收缩与力学性能相关性
参考江晨晖等[24]的研究，基于抗压强度与孔隙率、自收缩与孔隙平均半径的关
系等，由孔隙率与孔隙尺寸之间的相关性，可预测自收缩(εas)与抗压强度(fc)之
间必然存在一定关联性，并采用二次多项式表达如下式.
(1)
式中：εas(t)为龄期t时自收缩；εas(28)为龄期28 d时自收缩； fc(t)为龄期t时抗压强度； fc(28)为龄期28 d时的抗压强度； u、 v、 w为该模型的非变量参数，可通过试验数据的拟合分析得到.
UHPC抗压强度的预测公式可参考欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990[25]，如下式. 其中：βc(t)为龄期t时抗压强度发展系数； c为混凝土本身性质有关的系数，与龄期无关.
fc(t)=βc(t)·fc(28)
(2)
(3)
图4给出JZ、 FA组的抗压强度与自收缩相关性的拟合结果，其中JZ、 FA组预
测结果的残差平方分别为0.917、 0.993，也即抗压强度发展与自收缩相关性明显. 图5给出了抗压强度计算值与试验值对比，由图5可知式(2)～(3)可用于预测UHPC抗压强度发展.
图4 抗压强度与自收缩相关性Fig.4 Relationship between compressive strength andautogenous shrinkage
图5 抗压强度试验与计算值对比Fig.5 Test and calculated results of compressive strength
进一步，在UHPC收缩特性未知的情况下，可测得7 d、 28 d抗压强度，根据式(2)～(3)，得到βc(7)，联立式(1)，得到下式，通过测试较为易行的抗压强度来预测收缩的发展，可供实际工程参考.
(4)
2.4 圆环约束UHPC收缩开裂性能
圆环约束条件与自由状态下UHPC收缩有所不同. 密闭条件下，自收缩作用下钢
环应变值(εs)在t时刻大于自收缩与环向干燥共同作用， JZ组与FA组钢环应变分别在12.4 d和6.0 d大于环向干燥条件，且FA组在6.0 d后的趋势越来越明显，具体结果见图6.
由图6可知根据钢环应变的依时性与t时刻大小，曲线分4个阶段：① 蛰伏期，浇筑后的0.5～0.75 d；② 先下降后上升阶段，其中下降段为蛰伏期后至拆模前，上升段为浇筑后1.25～1.5 d，发生短暂的“膨胀”现象[15]；③ 拆模后的下降段，直到t时刻，该期间，环向干燥条件下的钢环应变会大于密闭条件；④ t时刻后，密闭组的钢环应变大于干燥组，直到稳定.
图6 钢环应变随时间发展Fig.6 Steel strain development with time
由图6可知：环向是否干燥对FA组的影响较大， FA替代硅灰后能够延缓圆环约束下UHPC早期收缩发展，在7 d前效果明显. 在7 d后，密闭条件下钢环应变呈快速增大，在(30±0.5)d时与JZ组相当，之后保持该趋势；而环向干燥条件
下其钢环应变增长较为缓慢，且后期均低于密闭条件， 90 d降低约27.1%.
2.4.1 拉应力水平
通常采用拉应力水平θ(t)评价圆环约束下的开裂性能. 拉应力水平为拉应力(残余应力)与抗力(抗拉强度，采用劈拉强度)的比值[13]. 图7(a)为两组试件90 d的拉应
力水平，据图可知，在拆模后的7 d内，密闭组的拉应力水平小于环向干燥组，而在14 d后密闭组的拉应力水平均大于干燥组，说明在圆环约束下的UHPC后
期自收缩开裂风险会大于环向干燥与自收缩共同作用； FA组的拉应力水平均低于JZ组，在早期效果明显， 7 d拉应力水平降低近 33.7%.
图7 圆环约束下开裂性能Fig.7 Crackingbehavior under ring constraint
已有研究结果表明，当早期拉应力水平超过55%时，开裂的风险较大[13]. JZ组密闭与环向干燥时拉应力水平均在14 d达到最大，分别为70.9%、 68.6%，均高于安全控制值，开裂风险较大； FA组密闭与环向干燥时拉应力水平随龄期呈
不断增大趋势，均在60 d时达最大，分别为58.0%、 48.6%.
以上结果表明， FA替代硅灰后能够有效降低与延缓约束下UHPC开裂风险，环
向干燥时效果更明显. 采用超声探测仪尚未发现内部有裂缝产生，主要因为掺入2%的钢纤维有利于提升UHPC的抗裂能力，开裂风险明显降低.
2.4.2 应力松弛率
圆环试验中的应力松弛一般用理论弹性应力与残余应力的差值表示，理论弹性应
力可通过钢环的尺寸、 UHPC弹性模量及自由状态下的收缩计算得到，相关计算参见文献[17-18]. 应力松弛率采用应力松弛值与理论弹性应力的比值计算得到，
表征UHPC约束收缩下的应力松弛程度.
图7(b)为两组试件90 d的应力松弛率，可知JZ组密闭与环向干燥时应力松弛率均在14 d达到最小，分别为23.4%、 38.6%； FA组在60 d时达最小，分别为0.4%、 26.8%.
前文中， JZ、 FA组在自由状态下，总收缩大于自收缩，而在受到约束时，UHPC在密闭条件下开裂风险却更大. 原因可能为密闭条件下自收缩的应力松弛现象不明显[19]，而UHPC收缩以自收缩为主，故在约束条件下，自收缩导致的
开裂问题会更加突出. 此外， FA组的应力松弛率却均低于JZ组，主要原因：一
方面，使用UHPC棱柱体自由状态下的收缩会低于UHPC圆环的径向收缩, 导致
应力松弛率偏低；另一方面， FA组自由状态下的收缩比JZ组降低约20%，从
而导致计算得到应力松弛率会进一步偏低.
3 结语
1) UHPC自收缩分三个阶段： 0～7 d收缩快速增长阶段； 7～28 d收缩缓慢增
长阶段； 28 d后期稳定阶段；抗压强度、弹性模量、劈裂强度等基本力学性能随时间呈现早期快速增长， 28 d基本稳定.
2) 自由状态下，粉煤灰替代硅灰(质量分数50%)后能显著降低UHPC早期自收缩，且随时间推移逐渐降低；会略降低抗压强度和弹性模量，降幅范围均在10%以内；提高劈裂强度，最大增幅达19.2%.
3) 粉煤灰UHPC的自收缩与抗压强度相关性显著，采用抗压强度发展规律可用于预测自收缩发展，鉴于数据与参数设计有限，还应作进一步的研究.
4) 采用拉应力水平和应力松弛率综合评价圆环约束下UHPC开裂性能，环向干燥条件下的开裂风险均低于环向密闭条件；粉煤灰的掺入能显著降低UHPC早期开裂风险.
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