新澆混凝土凝固時間和早期變形特征研究

新澆混凝土凝固時間和早期變形特征研究

新造混凝土是介于液體和廢水之間的材料。它具有變形性質(zhì)，可以通過流動變化模型來描述。新拌混凝土的凝結(jié)硬化過程是由塑性流動狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，這一過程通常用初凝與終凝來描述。初凝是水泥漿體固化的開始，對應(yīng)漿體失去可塑性的時間；水泥漿體完全固化稱為終凝，終凝后混凝土開始具有一定強(qiáng)度。目前混凝土的凝結(jié)時間通常用貫入阻力的方法測定，其原理是通過測量混凝土的極限剪切應(yīng)力來確定混凝土的凝結(jié)硬化程度，并規(guī)定貫入阻力為3.5MPa和28MPa分別對應(yīng)混凝土的初凝和終凝。上述對混凝土凝結(jié)時間的人為規(guī)定對于施工控制有重要意義，但并不能從機(jī)理上真正解釋混凝土材料由塑性流動狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。在混凝土的凝結(jié)過程中，水泥水化反應(yīng)首先從局部開始進(jìn)行，生成的水化產(chǎn)物逐漸聯(lián)結(jié)成局部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并限制結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土組分顆粒的可流動性，使得混凝土的塑性流動性能逐漸喪失，固態(tài)特征逐漸形成。新拌混凝土由塑性流動狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變完成的時刻無論對工程施工，還是對早齡期混凝土結(jié)構(gòu)開裂控制與風(fēng)險評估，均具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。這一定義下的混凝土凝結(jié)時間，可通過測定新澆混凝土對側(cè)向模板的壓力變化或測量側(cè)向變形性能隨時間的變化予以確定。Amziane通過測量新澆混凝土模板側(cè)壓力的變化過程給出了一種確定混凝土凝結(jié)時間的方法，并定義側(cè)壓力為零的時刻為混凝土的凝結(jié)時間。圖1為側(cè)壓力法確定混凝土凝結(jié)時間的過程示意圖。通過實(shí)驗測定新澆混凝土的自由變形隨齡期的發(fā)展過程，提出了一種混凝土凝結(jié)時間的確定方法，同時闡述和討論了混凝土凝結(jié)的物理意義及其對混凝土早期變形測定的影響。1實(shí)驗1.1砂子、粉煤灰的制備采用金隅牌P?O32.5和P?O42.5水泥為原料，密度為3.1g/cm3，分別用于普通混凝土(C30)和高強(qiáng)混凝土(C80)；石子為破碎石灰石，粒徑5～25mm；砂子為天然砂，細(xì)度模數(shù)2.64；粉煤灰為內(nèi)蒙元寶山發(fā)電廠生產(chǎn)的一級低鈣灰；硅灰為貴州紅楓鐵合金廠生產(chǎn)，無定型SiO2含量為89.22%，比表面積200×103cm2/g。采用減水劑將混凝土坍落度控制在120～140mm之間，減水劑為FDN–A高效減水劑和SPA萘系普通減水劑。混凝土配合比和28d平均抗壓強(qiáng)度見表1ㄢ1.2混凝土溫度測量采用100mm×100mm×400mm的有機(jī)玻璃試模，試模內(nèi)側(cè)壁預(yù)置可拔出的有機(jī)玻璃薄片，厚約2mm，底面鋪一層1mm厚的聚四氟乙烯片以減少試件底面的摩擦阻力?；炷翝沧⑼瓿梢欢螘r間后，拔出試件四周的有機(jī)玻璃薄片，使試件處于無約束的自由變形狀態(tài)。混凝土的變形采用線性變形差動傳感器測量，量程為2mm，測量精度1μm。為了保證傳感器準(zhǔn)確測得混凝土的真實(shí)變形，測量時在混凝土試件兩個長端中心處預(yù)埋銅質(zhì)測頭，其形狀如圖2b所示。在銅質(zhì)測頭的一側(cè)端面鉆制直徑2mm深約5mm的螺紋孔，與M3×50的細(xì)螺栓配合使用，并在有機(jī)玻璃試模端板中心處預(yù)留孔，實(shí)驗時把細(xì)螺栓引出模具外與位移傳感器接觸測量。試驗采用數(shù)字式溫度傳感器測量混凝土的內(nèi)部溫度。溫度測定范圍0～120℃，誤差±0.5℃。測量中傳感器放置在內(nèi)徑15mm的PVC管中以保持其在混凝土中的準(zhǔn)確位置。PVC管底部用塑料薄片密封，在底部側(cè)壁切割出兩段寬約3mm的不連通的環(huán)狀帶，用于內(nèi)置傳感器與周圍混凝土進(jìn)行熱交換。PVC管植入正在澆注的混凝土試件中時，為防止砂漿流入PVC管，預(yù)先在管內(nèi)插入一根比PVC管內(nèi)徑略小的鋼棒，混凝土澆筑后約3h拔出鋼棒，放進(jìn)溫度傳感器。為了保證傳感器測得混凝土內(nèi)部的真實(shí)的溫度而不受外界環(huán)境的干擾，在傳感器距觸頭1cm高處套上2個2mm厚的O型橡膠圈，以密封傳感器與PVC管之間的間隙，同時在PVC管的管口處用高分子密封膠將開口密封。這樣傳感器的感應(yīng)部位只與待測的混凝土內(nèi)部區(qū)域相接觸，所測得的溫度數(shù)據(jù)即為混凝土內(nèi)部該處的溫度。PVC管的底部預(yù)切口的放大圖見圖2cㄢ1.3試件混凝土變形混凝土攪拌時，首先將粗細(xì)骨料混合，然后加入膠凝材料(水泥和粉煤灰或硅灰)，再加入溶有減水劑的水，攪拌3min。澆注前，在試模內(nèi)側(cè)貼一層塑料布，用以密封成型試模，使其與外界沒有濕度交換；然后在試模兩端壁中心孔處用細(xì)螺栓和螺母固定銅質(zhì)測頭。混凝土澆注完成后在振動臺震動至表面出漿并抹面，然后在試件表面覆一層塑料薄膜，以防止混凝土表面的水分散失。混凝土試件澆注完成約3h后，拔出PVC管中的鋼棒，吸干PVC管底部的殘漿，插入溫度傳感器并密封PVC管口。然后擰下固定在銅質(zhì)測頭上的細(xì)螺栓，拔出試模側(cè)壁的有機(jī)玻璃薄片，再將細(xì)螺栓固定好。這樣在混凝土四周與試模之間就形成了約2mm的空隙，試件處于四周無約束狀態(tài)。最后將位移傳感器安裝在試件長度方向兩側(cè)，使其測頭頂在從試模導(dǎo)出的細(xì)螺栓頭上。測得的銅質(zhì)測頭的水平位移就是混凝土試件長度方向的變形?；炷磷冃魏蛢?nèi)部溫度測量裝置示意圖如圖2a所示。試驗裝置安裝完畢后，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器采集的變形數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳送到計算機(jī)記錄并保存，數(shù)據(jù)采集頻率為每10min一次。2結(jié)果和分析2.1混凝土自由變形的測量實(shí)驗測得的C30和C80新澆混凝土3d齡期內(nèi)的自由總變形和內(nèi)部溫度變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，新澆注的混凝土具有先膨脹，后收縮的變形特征，混凝土內(nèi)部溫度在早期出現(xiàn)溫峰，但是混凝土膨脹的最大值與溫峰并不出現(xiàn)在同一時刻。Kamen等在超高性能纖維混凝土中及Sule等和Bentur等在普通混凝土中也同樣發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土有此變形特征。早齡期混凝土自由變形表現(xiàn)為上述特征的機(jī)理可如下分析：混凝土剛剛澆注完成時，在化學(xué)收縮、濕度收縮、溫度變形以及孔隙的形成等綜合效應(yīng)下，不論其絕對體積變形是膨脹還是收縮，混凝土總的體積變形宏觀表現(xiàn)為混凝土自重作用下的塑性沉降。由于此時混凝土處于塑性狀態(tài)，塑性沉降的結(jié)果導(dǎo)致了混凝土的豎向收縮和側(cè)向膨脹。一段時間后，水化產(chǎn)物的相互聯(lián)結(jié)限制了混凝土顆粒的流動，當(dāng)生成的固相網(wǎng)絡(luò)對顆粒流動性的限制作用所產(chǎn)生的混凝土整體強(qiáng)度足以支撐混凝土自身重量時，標(biāo)志著混凝土完成了由塑性流動狀態(tài)向固體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這一時刻即為混凝土的凝結(jié)時間。按此定義，混凝土的凝結(jié)時間可通過測量新澆混凝土自由變形隨時間的變化規(guī)律來確定，并將其定義為混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始的時刻。按此定義，混凝土的凝結(jié)時間也可通過測量混凝土對側(cè)向模板產(chǎn)生的側(cè)壓力來測定，凝結(jié)時間對應(yīng)于側(cè)壓力為零的時刻。只要混凝土表現(xiàn)為膨脹變形，它便會對模板產(chǎn)生側(cè)向壓力，混凝土膨脹變形結(jié)束、收縮變形開始的時刻與其模板側(cè)壓力為零的時刻相對應(yīng)。因此通過測量混凝土的側(cè)壓力與測量混凝土的自由變形所確定的凝結(jié)時間在混凝土的硬化機(jī)制上是一致的。從這一定義出發(fā)，依據(jù)混凝土的變形能否在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力，可以把早齡期混凝土的變形劃分為有害變形和無害變形。混凝土凝結(jié)之后的變形可稱之為有害變形，它的產(chǎn)生在約束情況下會在混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力；相應(yīng)地凝結(jié)前的變形為無害變形，此時混凝土處于塑性狀態(tài)，它的產(chǎn)生不會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。這一劃分在Kamen等進(jìn)行的早齡期混凝土溫度應(yīng)力測試中得到了間接驗證。Kamen等發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土由于變形產(chǎn)生的應(yīng)力只產(chǎn)生在混凝土凝結(jié)之后；凝結(jié)前，雖然有一定程度的膨脹，但是試驗測得的全約束混凝土試件內(nèi)的應(yīng)力幾乎為零。因此，膨脹變形結(jié)束點(diǎn)為混凝土“有效變形”開始的時刻，不論混凝土是膨脹還是收縮，從這一時刻開始，混凝土的變形才會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力。由此可見，依據(jù)變形特征定義的混凝土凝結(jié)時間具有明顯的工程意義，準(zhǔn)確測定混凝土的凝結(jié)時刻，才能有效確定混凝土有效收縮變形的大小。將混凝土變形的起始時刻移至混凝土結(jié)束膨脹、開始收縮的時刻，可以得到混凝土的有效自由收縮變形(如圖4所示)。顯然，與已有研究結(jié)果一樣，高強(qiáng)混凝土的收縮應(yīng)變比同齡期的普通混凝土大很多，這個結(jié)果可用來解釋為什么高強(qiáng)混凝土比普通混凝土具有更高的開裂風(fēng)險。傳統(tǒng)測定收縮試驗方法中規(guī)定成型24h后脫模開始測定試件初長，實(shí)際上沒有測到早期有效的收縮變形，使得測定的收縮變形值偏小。實(shí)際試驗操作中混凝土試件脫模時間長短不一，加之季節(jié)差異，致使相同混凝土不同試驗室測定結(jié)果有一定差異。同時，混凝土由塑性流動狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時刻無法準(zhǔn)確確定，導(dǎo)致有效變形的起始點(diǎn)不能準(zhǔn)確定出，進(jìn)而為混凝土結(jié)構(gòu)早期因混凝土收縮變形引發(fā)的應(yīng)力分析帶來困難。對于新澆混凝土的膨脹變形，需要注意以下幾點(diǎn)。(1)試驗測量的新澆混凝土的膨脹變形值與影響混凝土凝結(jié)速率的各因素密切相關(guān)。由于水灰比、澆注溫度、外加劑等因素引起的混凝土凝結(jié)硬化速率不同，所測得的混凝土膨脹變形值也不同。(2)試驗測量的新澆混凝土的膨脹變形值與試驗的初測時間密切相關(guān)，但對膨脹結(jié)束時刻沒有影響，只要變形測定時刻早于膨脹結(jié)束時刻，就可確定混凝土的凝結(jié)時間。在試驗中，混凝土的初測時間(即安裝傳感器開始采集變形數(shù)據(jù)的時間)需要適當(dāng)選擇，既不能過早導(dǎo)致混凝土坍落填充預(yù)留縫隙，也不能晚于混凝土的凝結(jié)時間導(dǎo)致測量不到完整的變形曲線。根據(jù)試驗經(jīng)驗選擇在澆注后約3h開始采集數(shù)據(jù)。選用其他配合比和不同澆注條件的混凝土做試驗時需要根據(jù)具體情況對初測時間進(jìn)行合理估計。(3)試驗測量的新澆混凝土的膨脹變形值與混凝土澆注時的流動性能密切相關(guān)。當(dāng)澆注混凝土流動度較大時，測量的膨脹變形也較大；反之較小。(4)膨脹變形并不大，真正需要關(guān)注的是膨脹變形結(jié)束的時間，即混凝土凝結(jié)時間。2.2混凝土凝結(jié)特性測定混凝土凝結(jié)時間的常規(guī)試驗方法是貫入阻力法，即將混凝土篩除粗骨料后在(20±2)℃環(huán)境中、表面密封條件下養(yǎng)護(hù)，在貫入阻力儀上測試混凝土的貫入阻力，測針貫入深度(25±2)mm，并規(guī)定貫入阻力達(dá)到3.5MPa和28MPa對應(yīng)的時間分別為混凝土的初凝與終凝。變形試驗方法和常規(guī)貫入阻力法測定的混凝土凝結(jié)時間對比如圖5所示。由圖5可見：首先與已有結(jié)論相同，C30混凝土比C80混凝土凝結(jié)晚；其次，對于C30混凝土，變形試驗測得的混凝土凝結(jié)時間與貫入阻力法測得的初凝時間十分接近(703min與685min)；而對于C80混凝土，變形試驗比貫入阻力試驗測得的初凝時間提前約2h(430min與560min)。產(chǎn)生這一差異的原因分析如下：第一，2種試驗方法對混凝土凝結(jié)時間的測量原理不同。如前所述，混凝土的凝結(jié)是指混凝土由塑性流動狀態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。在這一過程中包含兩種混凝土性態(tài)特征的發(fā)展：(1)當(dāng)水化產(chǎn)物形成完整的固相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并能夠完全限制混凝土顆粒組分的流動性時，稱之為混凝土的固化，這時混凝土具有了保持形狀不變的特征，而后混凝土的整體強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能開始發(fā)展；(2)混凝土水化生成的固相網(wǎng)絡(luò)保持自身結(jié)構(gòu)不被破壞而能夠抵抗外力作用的性能，即為混凝土的硬化，可通過測量混凝土的局部強(qiáng)度(比如貫入阻力等)來表征。這兩種性能都是固體區(qū)別于可流動物質(zhì)狀態(tài)的性態(tài)特征，兩種試驗方法測量原理的不同之處在于，變形試驗方法是依據(jù)混凝土的固化特征來表征混凝土的凝結(jié)狀態(tài)，而貫入阻力法是根據(jù)混凝土的硬化程度來表征混凝土的凝結(jié)狀態(tài)，因此二者會產(chǎn)生差異。第二，在C30和C80混凝土凝結(jié)過程中，混凝土固化與硬化特征的發(fā)展過程不同。由于C30混凝土水灰比較大，水泥顆粒間水膜較厚，因此達(dá)到固相網(wǎng)絡(luò)的完整聯(lián)結(jié)、實(shí)現(xiàn)固化需要生成較多的固相產(chǎn)物，此時混凝土已具有了一定的硬度特征，表現(xiàn)為貫入阻力較大。在混凝土C80中，水泥顆粒間水膜較薄，一方面導(dǎo)致混凝土顆粒組分的可流動性較低，另一方面水化生成的固相產(chǎn)物更容易聯(lián)結(jié)成完整網(wǎng)絡(luò)從而限制混凝土的流動性，此時的固相生成物相對于C30混凝土而言顯得薄弱，因此其硬度較低，表現(xiàn)為貫入阻力較小。由此可見，在混凝土凝結(jié)過程中，高水灰比混凝土的固化與硬化過程相當(dāng)，而低水灰比混凝土則先達(dá)到固化，然后在固化基礎(chǔ)上發(fā)展硬化特征。當(dāng)分別用固化與硬化特征來表征混凝土的凝結(jié)狀態(tài)時，所定義的凝結(jié)時間會產(chǎn)生差異，其基本規(guī)律是：在水灰比較高的混凝土中變形試驗測得的凝結(jié)時間與貫入阻力法測得的初凝時間相當(dāng)；水灰比較低時，前者早于后者。2.3混凝土熱膨脹系數(shù)此外，上述早齡期混凝土的變形隨時間的發(fā)展規(guī)律可作如下進(jìn)一步分析。試驗測得的總變形(ε)是水泥水化引發(fā)的變形(εw)和溫度變化引發(fā)的變形(εT)的綜合結(jié)果，即：溫度變化引發(fā)的變形(εT)可按下式計算：其中：αt為t時刻混凝土的熱膨脹系數(shù)；T為t時刻混凝土內(nèi)部溫度。參考文獻(xiàn)關(guān)于早齡期混凝土熱膨脹系數(shù)的估計公式，所用C30和C80混凝土早期熱膨脹系數(shù)估算如下：其中：α28是28d齡期混凝土熱膨脹系數(shù)；m是依賴于材料性能的參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)中的實(shí)驗結(jié)果，C30和C80混凝土的α28值分別近似取7.0×10–6和8.0×10–6；根據(jù)文獻(xiàn)的建議，粉煤灰混凝土(摻量>25%，對應(yīng)C30混凝土)m值取1.5，硅灰混凝土(摻量<10%，對應(yīng)C80混凝土)m值取2.0。分離溫度變形之后的C30和C80混凝土自由變形與時間關(guān)系曲線如圖6所示。顯然，混凝土早期的膨脹變形并不能完全被溫度升高引起的熱膨脹抵消，這是因為新澆混凝土的膨脹變形不僅由溫度膨脹引起，同時也是重力作用引發(fā)塑性沉降的結(jié)果。3混凝土變形機(jī)理通過測定新澆混凝土自由變形隨齡期的發(fā)展規(guī)律，提出了一種確定混凝土凝結(jié)時間的新方法，與常規(guī)測定混凝土凝結(jié)時間的貫入阻力法進(jìn)行了對比，并對混凝土的凝結(jié)時間進(jìn)行了機(jī)理分析和討論。實(shí)驗結(jié)果顯示，新澆混凝土具有先膨脹后收縮的變形特征?；炷恋乃苄猿两祵?dǎo)致混凝土的豎向