石粉对自密实混凝土收缩性能的影响

何世钦，高鹏飞，白紫云，王 辉，孙东兴，徐绍峰

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

0 引 言

收缩性能是混凝土体积稳定性的重要特性之一，与预应力结构的预应力损失、混凝土强度、裂缝开展状况，甚至是耐久性关系密切[1-2]。目前学者从材料内部的配合比组成[3-5]、外部的工作环境[6]等因素对普通混凝土的收缩性能进行了大量研究，且结论较为一致。自密实混凝土(self-compacting concrete， SCC)相比普通混凝土具有水胶比低、胶凝材料用量大的特点，工程实践和室内试验研究[7-8]表明，SCC的收缩特性不同于普通混凝土。随着天然砂资源的短缺，价格上涨，采用机制砂配制自密实混凝土成为了必然趋势。机制砂在生产过程中不可避免地会产生与母岩岩性相同的石粉，目前石粉对SCC干燥收缩的研究结论不一。林燕妮[9]发现掺入质量分数为10%的石粉时可以减少SCC的干燥收缩，当掺入石粉的质量分数超过20%时，干燥收缩随着石粉掺量的增加而增大。薛晓芳等[10]研究表明石粉的掺入不同程度地增大了SCC的干燥收缩，但影响不明显。何民伟[11]的研究表明随着掺入石粉质量分数的增加，SCC的干燥收缩值不断增加，混凝土的收缩开裂风险增大。SCC作为一种高性能混凝土，其自收缩不可忽略。而关于石粉对SCC自收缩影响的研究较少，普遍认为石粉的掺入可以减少SCC的自收缩[12-14]。

综上，目前石粉对SCC收缩性能影响的研究仍缺乏系统性，考虑因素较单一，且无适用于掺石粉SCC的收缩预测模型。本文研究了不同水胶比和石粉质量分数下SCC在28 d龄期内的自收缩和干燥收缩规律，提出了考虑水胶比和石粉质量分数的SCC自收缩与干燥收缩预测模型。

1 实 验

1.1 原材料

原材料主要包括水泥、粉煤灰、石英砂、粗骨料、减水剂和清洁自来水。水泥为金隅P·O 42.5水泥，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粗骨料为粒径5～10 mm和10～20 mm的两级配骨料，其中10～20 mm的骨料占总体骨料的60%。细骨料采用五种粒径的石灰岩石英砂，按表1进行混合，级配曲线如图1所示。石粉为石灰石粉，石粉质量分数通过外掺方法进行调整。减水剂采用聚羧酸减水剂，减水剂和保塑剂母液按1 ∶1的质量比进行配制。主要材料的密度如表2所示。

图1 石英砂级配曲线Fig.1 Grading curves of arenaceous quartz

表1 石英砂不同粒径比例Table 1 Different particle size ratios of arenaceous quartz

表2 材料密度Table 2 Material density

1.2 试验设计

考虑水胶比和石粉质量分数对SCC收缩性能的影响，参照《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)，以V漏斗试验和坍落扩展度试验评价SCC性能，当V漏斗通过时间为10～25 s、扩展度大于550 mm时SCC合格。设计了水粉比为0.9、1.0和1.1，水胶比为0.30、0.34和0.37，石粉质量分数为0%、10%和20%的9组SCC配合比，如表3所示。其中，胶凝材料包括水泥和粉煤灰，水粉比为水与胶凝材料的体积比，水胶比为水与胶凝材料的质量比，石粉质量分数为石粉与石英砂的质量比。表3中以编号0.30-10为例，表示水胶比为0.30，石粉质量分数为10%。

表3 SCC配合比Table 3 Mix proportion of SCC

1.3 收缩测量方法

1.3.1 总收缩试验方法

采用HSP-540型混凝土收缩膨胀仪(见图2)测量总收缩，环境温度为16 ℃，湿度为25%。采用尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，两端预埋金属测头。试件成型后带试模养护1 d，脱模后继续浇水覆膜养护2 d，在第3天时(从混凝土搅拌加水算起)用千分表测量初始长度，随后放置在架空的铁架之上，分别在1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d时间间隔测量收缩值。

图2 HSP-540型混凝土收缩膨胀仪Fig.2 HSP-540 concrete shrinkage and expansion instrument

1.3.2 自收缩试验方法

自收缩试件的试验方法及养护条件与总收缩试件相同，但需在第3天测量自收缩试件初始长度后立即使用塑料薄膜包裹密封，外漏金属测头用石蜡反复密封，防止水分流失。干燥收缩等于总收缩减去自收缩。

2 结果与讨论

2.1 总收缩性能分析

总收缩和自收缩随龄期(t)的变化曲线如图3所示，其中0.30-10AS代表水胶比为0.30，石粉质量分数为10%时试件的自收缩；0.30-10TS代表水胶比为0.30，石粉质量分数为10%时试件的总收缩。28 d的总收缩值为330×10-6～430×10-6，在7 d之前的增长速率较高，在14～28 d收缩增长开始放缓，但是依然有一定的增长趋势。相同石粉质量分数条件下，水胶比减小时总收缩略增大；相同水胶比条件下，总收缩随着石粉质量分数的增加而增大。28 d龄期自收缩在总收缩中占比情况如表4所示。自收缩平均占总收缩的36.6%，说明在SCC的收缩问题中自收缩不容忽视。

图3 总收缩和自收缩随龄期变化规律Fig.3 Change rules of total shrinkage and autogenous shrinkage with age

表4 自收缩占总收缩百分比Table 4 Percentage of autogenous shrinkage in total shrinkage

2.2 自收缩性能分析

水胶比对SCC自收缩的影响如图4所示。在28 d龄期内，7 d之前收缩较快，14～28 d收缩放缓；自收缩整体上随着水胶比的减小而增大。对比水胶比为0.37时28 d龄期自收缩，当石粉质量分数为0%时，水胶比为0.34和0.30时自收缩分别增加5.6%和11.2%；当石粉质量分数为10%时，水胶比为0.34和0.30时自收缩分别增加6.3%和12.7%；当石粉质量分数为20%时，水胶比为0.34和0.30时自收缩分别增加4.1%和14.2%。说明同石粉质量分数下，混凝土内部的胶凝材料越多，持续的水化过程会消耗更多的自由水，释放更多的热量，造成混凝土内部更倾向于干燥，微小孔隙失水造成毛细管处于负压状态，形成局部受压，增大自收缩。

图4 不同水胶比下各石粉质量分数对应自收缩变化曲线Fig.4 Autogenous shrinkage change curves corresponding to each mass fraction of limestone powder under different water to binder ratios

石粉质量分数对SCC自收缩的影响如图5所示。在28 d龄期内，同水胶比条件下，在7 d之前，石粉质量分数越高，SCC自收缩增长速率越大，在7 d之后，不同石粉质量分数的SCC自收缩增长速率区别不大，整体上自收缩随着石粉质量分数的增加呈明显的增大趋势。相比石粉质量分数为0%时的28 d龄期自收缩，当水胶比为0.37时，石粉质量分数为10%和20%时自收缩分别增加17.8%和38.8%；当水胶比为0.34时，石粉质量分数为10%和20%时自收缩分别增加18.6%和36.3%；当水胶比为0.30时，石粉质量分数为10%和20%时自收缩分别增加19.3%和42.0%。由于石粉粒径较小，其掺入会使胶凝材料质量增加，用水量增大，使混凝土内部更早进入欠饱和阶段；虽然石粉在一定程度上可以完善颗粒级配，但同时会使内部结构存在细小空隙，增加了微观结构的不稳定性，因此当内部干燥时，石粉质量分数越高，自收缩越大。

图5 不同石粉质量分数下各水胶比对应自收缩变化曲线Fig.5 Autogenous shrinkage change curves corresponding to each water to binder ratio under different mass fractions of limestone powder

2.3 干燥收缩性能分析

水胶比对SCC干燥收缩的影响如图6所示，其中0.30-10DS代表水胶比为0.30，石粉质量分数为10%时试件的干燥收缩。同石粉质量分数、不同水胶比时干燥收缩值相差不大，分析其原因有两点：(1)水胶比跨度不明显；(2)水胶比对干燥收缩的影响主要体现在水胶比大的混凝土试件某阶段内自由水更多，有更多的水散发到空气中，从而使干燥收缩性能不同，而本试验环境湿度低，在水胶比相近的情况下，试件处于过干燥状态。

图6 不同水胶比下各石粉质量分数对应干燥收缩变化曲线Fig.6 Drying shrinkage change curves corresponding to each mass fraction of limestone powder under different water to binder ratios

石粉质量分数对SCC干燥收缩的影响如图7所示。同水胶比条件下，当石粉质量分数为0%和10%时，干燥收缩区别不大；当石粉质量分数达到20%时，干燥收缩明显增大。说明适量的石粉会完善颗粒级配，对干燥收缩不会造成负面影响；而当石粉掺量较大(≥20%)时，会在混凝土内部形成许多微小的毛细孔，当表层失水时，存在的毛细孔连成通道，加快水分向表层运动，从而不利于干燥收缩。

图7 不同石粉质量分数下各水胶比对应干燥收缩变化曲线Fig.7 Drying shrinkage change curves corresponding to each water to binder ratio under different mass fractions of limestone powder

3 SCC自收缩与干燥收缩预测模型

目前混凝土收缩表达式主要形式包括双曲线型、对数式型和指数式型[15]。由于考虑的收缩影响因素不同，国内外专家学者建立了不同的收缩预测模型，其中最具代表性的有ACI-209R模型、CEB-FIP模型、GL2000模型和B3模型等[16-20]。由于SCC收缩特性不同于普通混凝土，普通混凝土的收缩预测模型不适用于SCC的收缩预测。本文基于试验结果，考虑水胶比、石粉质量分数及龄期三个影响因素，以SCC第3天(从混凝土搅拌加水算起)作为收缩测试初始时间，采用Origin软件对试验结果进行多元非线性拟合，分别建立了实验室环境(非标准环境)下适合SCC自收缩与干燥收缩发展规律的预测模型。

(1)自收缩预测模型

εsh(t)=2.96×R1×R2×e-6.89/t+23

(1)

(2)干燥收缩预测模型

εsh(t)=217×R1×R2×e-5.32/t+33.99

(2)

式中：εsh(t)代表龄期为t时混凝土的收缩值,10-6；R1为水胶比影响因子；R2为石粉质量分数影响因子；β1为水胶比；β2为石粉质量分数,%；t为混凝土龄期(t≥1),d。

自收缩、干燥收缩试验值与模型预测值对比曲线分别如图8、图9所示，其中0.30-10FD和0.30-10TD分别代表水胶比为0.30，石粉质量分数为10%时收缩预测值和试验值。自收缩预测模型R2为0.974,干燥收缩预测模型R2为0.978，拟合效果较好，可用于考虑石粉影响的SCC自收缩与干燥收缩的预测。

图8 自收缩试验值与模型预测值对比曲线Fig.8 Comparison curves between test values and model forecast values of autogenous shrinkage

图9 干燥收缩试验值与模型预测值对比曲线Fig.9 Comparison curves between test values and model forecast values of drying shrinkage

4 结 论

(1)SCC 28 d的总收缩值为330×10-6～430×10-6。同石粉质量分数条件下，水胶比减小时总收缩略增大；同水胶比条件下，总收缩随石粉质量分数的增加而增大，自收缩平均占总收缩的36.6%。

(2)SCC 28 d龄期内自收缩随着水胶比的减小而增大，随石粉质量分数的增加而增大；当掺入石粉的质量分数达到20%时，自收缩可增大42.0%。

(3)水胶比在0.30～0.37时，SCC干燥收缩受水胶比的影响较小，但随石粉质量分数的增加而增大，当石粉质量分数增加到20%时，SCC干燥收缩明显增大。

(4)本文提出了考虑水胶比及石粉质量分数影响的自收缩与干燥收缩预测模型，并验证了模型的准确性。