水膠比對水膠比的影響

水膠比對水膠比的影響

年輕時混凝土的性能處于快速發(fā)展階段，這一時期混凝土的微結(jié)構(gòu)發(fā)育、力學能和變形發(fā)育直接影響到混凝土的性能?；炷猎缙隗w積變化會影響混凝土最終體積穩(wěn)定性和裂縫的形成。隨著高強混凝土的大量使用,混凝土水灰比的不斷降低,自收縮在混凝土收縮中的權(quán)重越來越大,對混凝土耐久性影響也越來越大?；炷猎缙谧允湛s發(fā)展快,收縮初測時間的選擇直接影響混凝土收縮測量值的大小。測量時間越晚,測得的混凝土收縮越小。混凝土凝結(jié)前其變形為塑性流動,凝結(jié)后的變形才能夠?qū)е率湛s應力的產(chǎn)生?；炷磷允湛s的初測時間一般選擇為其凝結(jié)時間。了解混凝土凝結(jié)時間與水膠比的關(guān)系,對收縮測量和工程施工均有積極意義?；炷聊Y(jié)后,內(nèi)部水分充足,內(nèi)部相對濕度為100%。隨著水泥水化耗水和干燥失水的共同作用,其內(nèi)部相對濕度會出現(xiàn)下降?；炷羶?nèi)部濕度下降的時刻可定義為濕度發(fā)展的臨界時刻。在濕度下降之后,可以將濕度變化作為混凝土變形內(nèi)在的驅(qū)動力,從而建立相應的混凝土干燥收縮的計算模型。在濕度飽和期,混凝土收縮由化學減縮引發(fā),可以根據(jù)化學減縮引起的體積變化建立模型進行預測。濕度飽和期的結(jié)束時刻可以看作是混凝土干燥收縮的起始時刻,不同混凝土,其濕度飽和期的長短不同。確定混凝土濕度下降時刻(即臨界時刻)與水膠比的關(guān)系,可以更好地從機理上為建立收縮模型提供依據(jù)。針對以上問題,通過試驗對早齡期混凝土自由變形和內(nèi)部相對濕度的發(fā)展進行了詳細的測定與分析,對基于變形的凝結(jié)時間和基于濕度變化的臨界時間進行了詳細介紹,以期對混凝土收縮致裂問題的深入理解有所幫助。通過實驗對3個強度等級混凝土的凝結(jié)時間、臨界時間和此階段的收縮進行了測定。使用等效齡期的方法,消除溫度歷程的影響,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析了混凝土在參考溫度(20℃)下凝結(jié)時間、臨界時間與水膠比之間的關(guān)系。建立了基于水泥水化度和混凝土彈性模量的濕度飽和期混凝土自收縮模型,模型模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。1實驗1.1混凝土的配合比采用金隅牌42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料為破碎石灰石,粒徑為5~20mm。細骨料為天然砂,細度模數(shù)為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),比表面積為20000m2/kg。減水劑為聚羧酸高性能減水劑。水為自來水。根據(jù)抗壓強度設(shè)計了3個強度等級的混凝土(樣品編號為C30、C50和C80),其配合比和28d抗壓強度如表1所示。通過調(diào)節(jié)減水劑用量將混凝土的坍落度控制在80~100mm。1.2混凝土自由變形和內(nèi)部溫濕度的測量采用內(nèi)尺寸為350mm×100mm×100mm的有機玻璃模具。采用電容式溫濕度傳感器,濕度測量范圍為0~100%,誤差為±2%,溫度測定范圍為–10~60℃,誤差為±0.5℃。變形測量采用線性變形差動傳感器,量程為0~2mm,精度為1μm。濕度和變形的數(shù)值信號均通過計算機采集并存儲,采集頻率為1次/min。試驗在溫度為20~23℃的環(huán)境中進行。自由變形和溫濕度的測量采用文獻[2,4–5]中介紹的測量方法。圖1為混凝土自由變形和內(nèi)部溫濕度的測量裝置示意圖?；炷翝沧⑶?在試模內(nèi)鋪一層塑料膜,安放好銅質(zhì)收縮頭?；炷翝沧⑼瓿珊?插入用于放置溫濕度傳感器的塑料管,該塑料管外徑為20mm,在距管底2mm處沿外環(huán)線方向有兩段寬為3mm的不連通的環(huán)狀帶。為了防止水泥漿進入塑料管內(nèi)部,試驗前先在塑料管內(nèi)部插入與其內(nèi)徑相當?shù)匿X棒。試件振動臺上振動至表面出漿并抹面,然后將塑料管豎直插入試件中心,使管端不連通環(huán)狀帶位于試件高度中心,然后在試件表面使用雙層塑料膜進行密封。在振動過程中需確保銅質(zhì)收縮頭處于試件中心,以保證測量變形為試件中軸線的變形。振搗完成后,將試模置于表面水平的測試平臺上。試件澆注約3h后或混凝土凝結(jié)前,緩緩拔出塑料管中的鋁棒,用海綿吸出殘留在塑料管底端的漿體后,將傳感器放入塑料管中,并對塑料管口處進行密封,之后緩慢拔出試件兩端的有機玻璃薄片和兩側(cè)面的砂漿墊板,為混凝土試件營造一個自由變形的空間。然后安裝位移傳感器,使其測頭頂在從試模導出的細螺栓頭上,這樣測得的銅質(zhì)測頭的水平位移就是混凝土試件長度方向的變形。所有實驗均需進行至混凝土內(nèi)部相對濕度下降之后結(jié)束。2結(jié)果和分析2.1混凝土水化過程的理論分析圖2為試驗測得的混凝土早期自由變形、內(nèi)部相對濕度與齡期的典型關(guān)系曲線。圖2中變形曲線斜率為正時表明混凝土變形趨勢為收縮,為負時表明混凝土變形趨勢為膨脹。由圖2可以看出,早齡期混凝土的變形發(fā)展規(guī)律表現(xiàn)為先膨脹后收縮的特征,張君等、Sule等和Bentur等均發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土有此變形特征。膨脹變形的結(jié)束點可定義為基于變形的混凝土凝結(jié)時刻,相當于流態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變點。將基于變形測定的混凝土凝結(jié)時刻作為其收縮測量的起始時刻,可準確地獲得混凝土收縮變形的大小。此外,由圖2可將混凝土澆注完成后其自由變形的發(fā)展分為4個階段:1)塑性流動階段。剛澆注完成的混凝土處于塑性流動狀態(tài),混凝土在其自重作用下會產(chǎn)生塑性沉降和側(cè)向膨脹。當試件處于自由狀態(tài)時,其線變形表現(xiàn)為膨脹。隨著水泥水化反應的進行,水化產(chǎn)物增多并出現(xiàn)部分固相物質(zhì)的相互搭接,當混凝土整體強度足以支撐混凝土自身質(zhì)量時,混凝土的側(cè)向膨脹停止,體積變形開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s,塑性流動階段結(jié)束。2)快速收縮階段。由于此階段混凝土內(nèi)部僅有部分固相相互搭接形成骨架,混凝土自身剛度較低,化學減縮能夠較大幅度地表現(xiàn)為自收縮,加之早期混凝土內(nèi)部水泥水化速率較大,因此,此階段混凝土收縮呈快速增長特征。3)緩慢發(fā)展階段。當水化產(chǎn)物將混凝土內(nèi)部固相顆粒搭接成完整的網(wǎng)絡,混凝土的剛度變大。由于混凝土自身的限制作用,此后的化學減縮僅有小部分轉(zhuǎn)化為自收縮。4)自干燥收縮階段?；炷羶?nèi)部濕度不飽和時,水泥石內(nèi)部毛細孔負壓形成,在毛細張力的作用下混凝土收縮進一步發(fā)展?；炷翝沧⒊跗?固體顆粒表面及其間隙由液態(tài)水填充,形成連通的液態(tài)水網(wǎng)絡,混凝土內(nèi)部相對濕度為100%。隨著齡期的增長,水泥水化持續(xù)消耗水分,與此同時水泥水化產(chǎn)物將固體顆粒固相進行搭接,逐漸切斷起初的液態(tài)水網(wǎng)絡而形成固相網(wǎng)絡,此時混凝土內(nèi)部相對濕度開始下降(如圖2所示)。因此早齡期混凝土內(nèi)部濕度發(fā)展可分為:相對濕度為100%的濕度飽和期(階段Ⅰ),混凝土內(nèi)部相對濕度出現(xiàn)下降的時間定義為臨界時間,濕度下降時刻對應的混凝土內(nèi)部水泥水化程度為臨界水化度;混凝土內(nèi)部相對濕度出現(xiàn)下降后,混凝土內(nèi)部相對濕度發(fā)展進入階段Ⅱ。通常情況下,混凝土濕度飽和期與混凝土水膠比和表面干燥狀態(tài)相關(guān)。相同的表面狀態(tài)時,混凝土水膠比越大,臨界時間越長;表面干燥狀態(tài)直接影響混凝土的臨界時間,混凝土表面干燥越迅速,失水越快,其臨界時間越短。不考慮外界水分進入時,由于水泥水化會消耗大量水分,無論混凝土表面干燥狀態(tài)如何,其內(nèi)部相對濕度總會出現(xiàn)下降,只是臨界時間的長短不同。在無外部水分進入混凝土中時,密封狀態(tài)下混凝土的臨界時間最長?；炷撂幱跐穸蕊柡蜖顟B(tài)時,由于內(nèi)部沒有毛細張力的作用,不會產(chǎn)生干燥收縮,其收縮主要由化學減縮引發(fā)。臨界時間是混凝土干燥(包括自干燥)收縮的起點。本實驗僅研究了密封狀態(tài)下不同混凝土的臨界時間,一是可以為臨界時間提供可供參考的上限值,同時通過模型模擬混凝土凝結(jié)之后至濕度下降這一階段的收縮,可以為計算化學減縮引起的自收縮提供可靠的模型參數(shù)。后文中提及的臨界時間均特指密封狀態(tài)下混凝土的臨界時間?；炷羶?nèi)部濕度下降與水泥水化耗水相關(guān),而水泥水化速率與混凝土內(nèi)溫度歷程有關(guān)。為消除不同溫度歷程對水泥水化程度的影響,現(xiàn)引入等效齡期的概念,即混凝土在參考溫度下(一般取20℃)達到實際溫度歷程下某一時刻的成熟度所需要的時間,稱之為等效齡期,即:式中:te為等效齡期;T為混凝土的養(yǎng)護溫度;R為氣體常數(shù),取8.314J/(mol·K);Uar為參考溫度時的水泥水化反應活化能;UaT為溫度為T時的反應活化能。其中Ua是時間和溫度的函數(shù),可近似表達為:采用等效齡期,不僅可以把任意溫度歷程下混凝土凝結(jié)時間和臨界時間轉(zhuǎn)化為參考溫度下的相應參數(shù)以便相互比較,且只要建立了混凝土水膠比在參考溫度(通常取20℃)與相應等效齡期的關(guān)系,就可以利用等效齡期預測任意溫度歷程下混凝土的凝結(jié)和臨界時間。圖3所示為實驗測定的不同強度等級混凝土的等效凝結(jié)時間和密封狀態(tài)下的等效臨界時間?？梢钥闯?混凝土的等效凝結(jié)時間均小于等效臨界時間,即密封條件下內(nèi)部濕度開始下降時間晚于凝結(jié)時間。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是當水化產(chǎn)物相互搭接,混凝土整體強度足以支撐其自重時,混凝土表現(xiàn)為凝結(jié)。而此時混凝土內(nèi)部還有較多自由水,且自由水形成連通的網(wǎng)絡,其內(nèi)部相對濕度仍等于100%。只有當水泥水化繼續(xù)進行,液態(tài)水連通網(wǎng)絡被阻斷,其內(nèi)部因化學減縮形成的毛細孔中的水氣含量達不到飽和時,相對濕度即開始下降。所以通常情況下混凝土凝結(jié)在先,內(nèi)部相對濕度下降在后。其次,二者之差異隨水膠比的增大而增加。3個強度等級混凝土,按等效凝結(jié)時間和等效臨界時間從大到小依次為:C30、C50、C80?；炷了z比越大,水泥顆粒間水膜越厚,水化產(chǎn)物搭接形成骨架的時間越長,所以其凝結(jié)時間長,同時因其含水量越大,混凝土濕度飽和期持續(xù)時間越長,臨界時間越長。為了便于應用,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計,混凝土水膠比與等效凝結(jié)時間(teq,0)和臨界時間(teq,c)與水膠比(w/b)之間的關(guān)系可回歸為:2.2混凝土中水化度的計算從圖2所示的混凝土早期收縮隨齡期發(fā)展曲線可以發(fā)現(xiàn),在濕度飽和期內(nèi)收縮有明顯的兩階段發(fā)展特征。根據(jù)2.1節(jié)分析,在混凝土內(nèi)部濕度飽和期,由于水泥水化形成的化學減縮仍能使混凝土宏觀上形成收縮,但由于此時混凝土內(nèi)部液態(tài)水仍能夠形成相互連通的網(wǎng)絡,其內(nèi)部濕度仍就表現(xiàn)為100%。由于混凝土已經(jīng)凝結(jié),自身剛度的形成使其有一定的抵抗變形能力,化學減縮導致的體積減小只有一部分轉(zhuǎn)化為混凝土收縮,且轉(zhuǎn)化程度與混凝土的彈性模量相關(guān)。設(shè)某時刻混凝土的收縮應變?yōu)棣?化學減縮引起的單位體積減少為Vcs。同時假設(shè)混凝土剛度影響系數(shù)(f)為混凝土彈性模量(E)的函數(shù),且可表達為:其中k1、k2可通過實驗數(shù)據(jù)回歸求得。對棱柱體試件,混凝土化學減縮和實際體積減少之間的關(guān)系為:式中:V0為混凝土凝結(jié)時的化學減縮;1–(1–ε)3為混凝土凝結(jié)后收縮導致的體積減小;(Vc-V0)為混凝土凝結(jié)后的化學減縮。根據(jù)Powers的水泥水化模型,對不摻加硅灰的混凝土:對摻加硅灰的混凝土:式中:ρw/ρc為水與水泥的密度比;w/c為水與水泥質(zhì)量比,即水灰比;s/c為硅灰與水泥的質(zhì)量比。因此,考慮混凝土剛度和化學減縮的混凝土濕度飽和期收縮可由式(6)獲得,即:利用式(12)計算混凝土濕度飽和期收縮的前提是知曉水泥水化度和混凝土彈性模量。關(guān)于混凝土中水泥的水化度的確定,采用水化熱法,通過混凝土絕熱溫升試驗確定,即將混凝土中水泥水化度定義為:式中:Tad(t)為t時刻的絕熱溫升值;Tad(∞)為最終絕熱溫升值;αu為混凝土中水泥的最終水化程度。由式(13)獲得的試驗數(shù)據(jù),可將水泥水化度模擬為等效齡期的函數(shù),即:式中:A、B為試驗確定的常數(shù);te為參考溫度為20℃時的等效齡期,h。αu通常是水灰比(w/c)和礦物摻合料的函數(shù)。Mills在大量實驗的基礎(chǔ)上給出了普通水泥混凝土中水泥最終水化度的表達式:現(xiàn)代混凝土的一個重要特征是礦物摻合料的使用,而礦物摻合料會影響水泥的最終水化度。Schindler等就粉煤灰和礦渣對混凝土中水泥最終水化度的影響進行了大量實驗研究,對Mills提出的水泥最終水化度模型進行了修正,即:式中:PFA為粉煤灰質(zhì)量與總的膠凝材料質(zhì)量比;PSLAG為礦渣質(zhì)量與總的膠凝材料質(zhì)量比。在高強混凝土中,硅粉被廣泛使用。硅粉的摻加會降低混凝土中水泥最終水化程度,因為火山灰反應會生成額外的C–S–H凝膠,將一部分水分限制在凝膠孔內(nèi),無法參加水泥水化反應。值得注意的是,雖然硅粉會降低水泥最終水化度,但是并不意味著C–S–H凝膠總量會減少。因為硅粉參與的火山灰反應也會生成的C–S–H凝膠,事實上,硅粉的摻加會增加C–S–H凝膠的總量。Luzio等給出了摻加硅灰的混凝土中水泥水化的最終水化度:式中:αs∞為硅粉的最終反應程度,可由下式計算:式中:ke為硅粉“有效系數(shù)”,因為硅粉中只有SiO2參加火山灰反應,剩余的部分不參加任何化學反應,僅僅起填充孔隙的作用,可以表達為硅粉中SiO2質(zhì)量與硅粉總質(zhì)量的比值。通常情況下,ke的取值為0.85~0.95,根據(jù)對試驗中使用硅粉的成分分析,本研究中ke取0.95;(s/c)req=min(0.16,0.4w/c)。此外,混凝土的彈性模量與膠凝材料的水化程度有關(guān),基于水化度的混凝土彈性模量可模擬為:式中:E28是28d彈性模量;β為曲線形狀參數(shù),可由試驗確定;α0為混凝土凝結(jié)時的水泥水化度,可通過等效凝結(jié)時間利用式(14)進行計算。通過上述模型,如已知水泥水化程度,即可對濕度飽和期收縮進行模擬。為此首先對試驗用3個強度等級混凝土的彈性模量進行了模擬,圖4所示為3種混凝土彈性模量實驗值和模型預測值,其中混凝土的水化度計算參數(shù)和28d的彈性模量列于表2。可見模型結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。圖5所示為3個強度等級混凝土濕度飽和期收縮實驗結(jié)果和模型計算結(jié)果,C30、C50、C80混凝土的k1回歸值分別為0.0133、2.8100和1.4000,k2的回歸值分別為–0.20、–1.50和–1.13。表3為3個強度等級混凝土的等效凝結(jié)時間和凝結(jié)時