掺MgO膨胀剂的面板混凝土早龄期热膨胀系数

钟 可,赵志方,朱敏敏,方 博,王建东,施 韬

(1.浙江工业大学 土木工程学院, 浙江 杭州 310023; 2.浙江建设职业技术学院, 浙江 杭州 311231; 3.武汉三源特种建材有限责任公司, 湖北 武汉 430083)

1 前 言

面板堆石坝近年来广泛运用在水电工程建设中,混凝土面板在施工期间因温度变化等引起的开裂问题,成为不容忽视的工程难题。为此,国内外诸多学者对堆石坝面板混凝土的温度开裂开展了大量研究。徐海燕等[1]发现温度应力和收缩应力是混凝土面板早期微细裂缝产生的主要原因,面板混凝土的裂缝80%以上是非结构性裂缝。李炎隆等[2]基于热传导理论和弹性徐变理论,引入了水化度和等效龄期概念,编制了温度场及温度应力计算程序,研究结果表明仅考虑水化度影响的模型温度场及温度应力的计算值偏低,若同时考虑等效龄期的影响可有效解决此问题。为了能够实现面板混凝土的防裂和止裂,有科研工作者在混凝土中加入外加剂来改善混凝土的温度开裂[3-4]。有关MgO外加剂对混凝土温度开裂的影响,学者们持有不同的意见[5-7]。一些学者认为混凝土热膨胀系数主要取决于混凝土骨料,外掺MgO膨胀剂对水泥水化热和混凝土的绝热温升值影响较小,并且对混凝土的导热、比热及热膨胀系数等热学性能参数的影响不大。而一些学者认为在大坝混凝土中掺入适量特制的MgO,可利用其延迟微膨胀性来补偿混凝土的收缩,降低温度变形,从而改善混凝土开裂。刘猛等[8]对自然养护条件下掺加不同活性MgO膨胀剂混凝土的膨胀性能进行了研究,发现掺MgO混凝土的收缩值明显小于基准混凝土。

热膨胀系数(CTE)作为影响早期混凝土体积变化的重要参数,越发引起国内外学者的关注[9]。钱文勋等[10]采用非接触位移传感器结合循环式恒温水浴装置的方式,测试了不同配合比的大坝混凝土早期热膨胀系数,认为大坝混凝土在72 h内的热膨胀系数变化显著,72 h后至7 d内的热膨胀系数相对稳定。姚武等[11]测试了混凝土热膨胀系数随龄期的变化关系,研究发现混凝土在早期(1～7 d)的热膨胀系数主要受相对湿度及水泥浆体内部孔隙结构的影响。然而,由于目前学者所采用的测试早期混凝土热膨胀系数的试验方法不尽相同,在准确测量和预测早期热膨胀系数及相关机理的解释方面所做的工作仍十分有限,还需不断地进行深入探索。赵志方等[12]通过采用温度-应力试验机(TSTM)的方法测定了粉煤灰混凝土的早龄期热膨胀系数,本实验也采用温度-应力试验机法进行面板混凝土早龄期热膨胀系数的测定。

本研究参考某新建堆石坝面板混凝土的配合比,配制基准面板混凝土(JC)以及掺入5 wt%的MgO膨胀剂的面板混凝土(PC)。采用温度-应力试验机法在恒温养护和温度匹配养护两种模式下进行了面板混凝土早龄期热膨胀系数的确定,同时探究了MgO膨胀剂对面板混凝土早龄期热膨胀系数的影响机理。

2 面板混凝土早龄期CTE的测定方法

对于堆石坝面板混凝土,早龄期变形主要有温度变形和自收缩变形[13]。

本研究分别采用温度匹配养护(TMC)模式和20 ℃恒温养护(CTC)模式进行各混凝土的温度-应力试验。混凝土浇筑时,TSTM即开始记录混凝土的自由应变值,混凝土的自由应变由两个独立的应变分量构成,即温度应变和自生体积变形,如式(1)所示：

ε(t)=εs(t)+εT(t)=εs(t)+∑αT(t)·ΔTi

(1)

式中：ε为混凝土的自由应变;εs为混凝土的自生体积变形;εT为混凝土的温度应变;ΔTi为混凝土温度发展的微增量,单位是℃;αT(t)为ΔTi对应时间段内的线膨胀系数。

采用等效龄期来表征混凝土的成熟度。Hansen[14]根据Arrhenius方程提出混凝土等效龄期成熟度方程,该方程适用于较大的温度范围(-10～80 ℃),见式(2)：

(2)

式中：te是混凝土的等效龄期,h;Ea是混凝土活化能,J/mol;R是理想气体常数,8.314 J·mol-1·K-1;T为混凝土养护温度,℃;t为混凝土养护时间,h。其中不同温度下混凝土的活化能计算,采用式(3)：

(3)

Turcry[15]的研究表明,在一定温度养护范围(10～40 ℃)内,混凝土的自生体积变形和早龄期CTE的发展仅与其成熟度有关。采用等效龄期联系不同温度养护模式下的自生体积变形和CTE,如式(4)和式(5)所示：

εS1(te)=εS2(te)

(4)

αT1(te)=αT2(te)

(5)

式中：εS1和εS2分别表示面板混凝土在TMC模式和CTC模式下的自生体积变形;αT1和αT2分别为混凝土在两种养护模式下的线膨胀系数,10-6/℃。

在ΔTi所对应时间段Δt内,CTE可以看作常量,对式(1)取微增量得：

Δε(t)=αT(t)·ΔT(t)+ΔεS(t)

(6)

可得在Δte时间段内混凝土的CTE：

(7)

式中：Δε2(te)和Δε1(te)为某等效龄期微段内,两种不同温度养护模式TSTM试验得到的面板混凝土的自由应变的变化;ΔT2(te)和ΔT1(te)为某等效龄期微段内,两种不同温度养护模式试验得到的温度变化。

由式(7)可知,通过TSTM测试面板混凝土在两种温度历程养护模式下对应的自由应变差和温度差,就可确定早龄期不同龄期段的混凝土的CTE。

3 试验研究和数据

3.1 材料及配合比

本试验使用普通波特兰水泥P·O 42.5,其密度为3 100 kg/m3。宣城双乐F类I级粉煤灰,密度为2 100 kg/m3,细度为10.8%。细骨料采用人工砂石系统生产的人工砂,其细度模数为2.97。粗骨料采用人工砂石系统生产的人工碎石,分5～20 mm、20～40 mm两级,表观密度为2 620 kg/m3。使用长安育才生产的聚羧酸高性能减水剂和M型氧化镁膨胀剂[13]。两种面板混凝土JC和PC具有相同的工作性能,配合比见表1。

表1 面板混凝土配合比

3.2 温度-应力试验

采用航源平洋公司生产的HYPY-TSTM-I型温度-应力试验机,试验原理及过程详见文献[16]。该设备由约束变形和自由变形试验装置、温度控制和数据采集系统组成,具体见图1。测试试件的规格尺寸见图2,形状为狗骨棒形,中部截面是尺寸为150 mm×150 mm的正方形,试件的有效长度为1 500 mm。

图1 温度-应力试验机

图2 温度-应力试验试件尺寸图(单位：mm)

本研究的温度-应力试验采用CTC模式和TMC模式两种温度历程养护面板混凝土[13],两种养护模式对应的输入温度历程曲线见图3。

图3 两种温度养护模式下TSTM的温度历程输入曲线 (a) 温度匹配模式;(b) 恒温模式

3.3 试验结果

采用TSTM在CTC模式和TMC模式下,对JC和PC两组面板混凝土试件的温度发展历程和自由应变历程进行了测试,获得了在等效龄期下的温度和自由应变曲线,数据分别如图4和图5所示。

图4 两种面板混凝土在等效龄期下的温度历程曲线 (a) JC;(b) PC

图5 两种面板混凝土在等效龄期下的自由应变 (a) JC;(b) PC

4.1 CTE的确定

根据JC和PC混凝土在两种养护模式下得到的温度和自由应变值随等效龄期变化的曲线图,从而可以得到两种面板混凝土的自由应变差-温度差关系图,如图6所示。随着温度的升高,JC和PC两种混凝土的自由应变均随着温度的升高而逐渐增大。与JC混凝土相比,相同温差下PC混凝土的自由应变较小,这是因为氧化镁的掺入降低了PC混凝土的自由应变。如图7所示,取若干等效龄期区段内,通过分段线性拟合应变差-温度差曲线,便可以确定拟合线的斜率为该龄期区段内的CTE。由于面板混凝土早龄期的应变差-温度差拟合线的斜率并不是一个常数,表明早龄期CTE具有时变性。由于论文篇幅所限,图7仅给出了9.3～11.3 h以及14.4～16.6 h两个等效龄期时间段PC的CTE曲线拟合。由此方法确定的两种面板混凝土的CTE分别见表2和表3。

图6 混凝土的应变差-温度差曲线 (a) JC;(b) PC

图7 PC混凝土在不同龄期时间段的CTE拟合 (a) 等效龄期 9.3 ～11.3 h ;(b) 等效龄期14.4 ～16.6 h

表2 JC混凝土时变热的CTE

表3 PC混凝土时变的CTE

图8为两种面板混凝土的CTE-等效龄期曲线,该图由表2和表3中罗列的数据获得。由图8可见,面板混凝土的早龄期CTE具有时变性,7天后的CTE逐渐趋于稳定。JC和PC面板混凝土CTE随等效龄期的总体变化趋势相同。两者的差异主要表现在早龄期PC的CTE相比JC明显更小,7天稳定后,PC的CTE相较JC略微偏大。

图8 两种面板混凝土的CTE随等效龄期的变化曲线

4.2 MgO膨胀剂对面板混凝土早龄期CTE的影响机理

本课题组已对两种面板混凝土在20 ℃恒温(等效龄期)下的初、终凝时间进行测试,结果见文献[13]。初凝时间：JC, 10.3 h; PC, 10.9 h。终凝时间：JC, 13.4 h; PC, 14.4 h。

结果表明：①面板混凝土的CTE在终凝之前具有很大的值,终凝或终凝附近的几小时后,混凝土的CTE会快速地降低至一个最小值。水在20 ℃时的CTE极高(207×10-6/℃),这可能归于混凝土在很早龄期时有大量的自由水[14],随着混凝土的凝结硬化,CTE开始降低。②混凝土的CTE从持续下降至最低点后,略有上升,直至7 d才趋于稳定。混凝土的热膨胀由两种机理耦合所致：(a)混凝土的基本热膨胀系数,即混凝土的纯热膨胀,随着温度的升高固体骨架立即膨胀;(b)附加热膨胀系数,由湿热效应而导致,温度的升高会导致混凝土内部相对湿度升高,造成与纯热膨胀同向的额外膨胀,使整体的CTE增加[17-19]。通常采用ΔRH/ΔT系数来表示湿热效应,随ΔRH/ΔT的降低,CTE降低。Wyrzykowski等[18]发现水泥基材料的相对湿度从100%降低到50%左右,ΔRH/ΔT的系数显著增加。因此,可能由于面板混凝土的自干燥效应,即混凝土继续水化降低了其内部相对湿度,由此增加了混凝土因湿热效应导致的附加热膨胀系数,从而下降至最低点后,CTE略有上升,然后趋于稳定。

MgO膨胀剂对面板混凝土早龄期CTE的影响规律和机理可归纳如下：

①初凝至终凝附近的龄期段：与JC相比,MgO膨胀剂对CTE的发展影响不大,此时CTE降低的主要原因是混凝土凝结硬化失去大量自由水。②CTE在最小值至稳定阶段：MgO膨胀剂使面板混凝土的CTE值略有增加,额外掺入的MgO膨胀剂略微增加了混凝土的胶凝材料占比,使混凝土水化消耗的水分增加,加快内部相对湿度的降低。通常结构紧密的物质其热膨胀系数较大,因为孔隙能消容一部分膨胀量[16]。MgO膨胀剂的膨胀产物,也就是Mg(OH)2的填充作用有利于降低孔隙率,使混凝土变得密实,不利于膨胀量的消容。MgO膨胀剂降低面板混凝土孔隙率由研究[7]中的压汞试验得到进一步证实。与JC相比,掺入MgO膨胀剂有增大面板混凝土CTE的趋势。

5 结 论

1．基于温度-应力试验,采用CTC模式和TMC模式两种温度历程养护面板混凝土,确定其早龄期的CTE。

2．两种面板混凝土的CTE在早龄期都具有时变性。在终凝前,面板混凝土的CTE值会快速降低至一个最小值,随后CTE在一定龄期内略微上升,到7 d左右趋于稳定。

3．MgO膨胀剂对早龄期CTE的发展影响不大,其掺入会略微增大面板混凝土的CTE。MgO的水化加快了内部相对湿度的降低及膨胀产物氢氧化镁的填充作用,共同影响了面板混凝土的CTE。