堿激發超高性能混凝土早齡期約束收縮特性研究

鄭書元,尤偉杰,劉慧寧,劉 憲,楊國濤,*

(1.青島理工大學 土木工程學院,青島 266525;2.山東高速工程建設集團有限公司,濟南 250014)

鋼-UHPC組合結構作為一種新型結構形式發展迅速,其中,鋼-UHPC組合橋面板是橋梁工程中常用的一種結構形式,由正交異性板、剪力連接件、鋼筋網和UHPC組成[1],可以充分發揮UHPC的受壓性能和鋼材的受拉性能。鑒于其良好的受力機理,鋼-UHPC組合橋面板具有承載力高、剛度大和自重輕等優點,在橋梁建設領域得到廣泛應用[2-3]。

盡管將UHPC應用到組合橋面板上可以充分發揮鋼、UHPC二者的優勢,但UHPC的主要成分是水泥,在生產與服役過程中過度消耗自然資源,排放大量的CO2氣體,嚴重加劇了全球氣候變暖,低碳節能材料愈受關注。堿激發膠凝材料是一種利用工業廢渣制成的新型膠凝材料,主要包括磨細的礦粉、優質粉煤灰、硅灰等礦物摻合料[4]。用堿激發膠凝材料代替UHPC中的水泥不僅可以制備出強度高、凝結硬化快、耐腐蝕性強的堿激發超高性能混凝土(AAUHPC)[5],還可以降低工程成本,減少CO2的排放量,改善環境。但是,眾多研究表明,堿激發混凝土早齡期收縮變形較大,因此對AAUHPC的收縮性能展開研究顯得尤為重要。顧亞敏等[6]通過和普通硅酸鹽水泥進行對比,綜合論述了堿礦渣水泥漿體的收縮特性、開裂特性和收縮原因,并且針對這一性質提出了有關減縮與防裂的建議、辦法。LI等[7]對堿礦渣/粉煤灰混凝土在約束條件下的收縮行為進行了試驗研究,并且與普通硅酸鹽水泥混凝土進行對比,發現堿礦渣/粉煤灰混凝土的自收縮相對較大。

為了探究各因素對堿激發混凝土收縮的影響,前人做了大量研究。王維才等[8]以礦渣為膠凝材料,使用水玻璃與氫氧化鈉作為堿激發劑制備出堿礦渣混凝土,對堿礦渣混凝土的力學強度、工作性能及干燥收縮性能開展研究,研究發現堿礦渣混凝土早期收縮較大,干燥收縮應變隨礦渣摻量的增加而增大,并提出了堿礦渣混凝土的干燥收縮預測模型。HOJATI等[9]以粉煤灰和礦渣作為膠凝材料,研究膠凝材料摻入比例對混凝土強度和收縮的影響,研究表明,混凝土收縮隨著粉煤灰摻量的增加而減小。根據許多試驗研究發現,不同膠凝材料和養護條件對堿激發混凝土的收縮性能有顯著影響。當AAUHPC的早期收縮變形受外部約束影響時,極有可能引起結構的早期變形和開裂。

若將AAUHPC應用到鋼-UHPC組合橋面板上,AAUHPC早齡期收縮受到內部鋼筋、焊釘及外部鋼板的約束,會引起較大的收縮應力和變形,從而導致橋面板結構變形增加、表面產生裂縫、內力重分布和預應力損失等工程問題。針對上述問題,研究人員開展了一系列約束收縮試驗,以分析約束與收縮的相互影響。趙辛瑋等[10]設計了鋼-常溫養護型UHPC組合橋面板模型,通過足尺收縮試驗和有限元模擬,研究常溫養護型UHPC的收縮對栓釘、鋼筋網及鋼板的影響,試驗結果表明邊側栓釘在垂直于鋼板的方向上一側受壓,受力情況最為不利,鋼板與鋼筋網整體均表現出受壓的狀態。韓方玉等[11]通過設計約束收縮試驗研究了UHPC鋼橋面鋪裝的約束收縮應力發展變化規律,并提出了約束收縮應力的計算方法,研究發現對UHPC收縮起主要約束作用的是鋼橋面,配筋率過高(≥3%)雖然可以提高結構剛度,但是會顯著增加鋪裝層的開裂風險。對于UHPC的約束收縮性能,已有大量的研究,但對AAUHPC約束收縮性能還未開展研究,因此,對AAUHPC的約束收縮性能進行相關研究具有重要意義。

綜上所述,AAUHPC作為一種具有超高力學性能、良好耐久性和環保型的工程材料,是替代現有UHPC材料的選擇之一,但其在約束條件下的早齡期變形和開裂問題的研究仍然不足。本文在研究AAUHPC流動性及基礎力學性能的基礎上,進一步研究在不同約束條件下AAUHPC的早齡期收縮性能,主要探究U形加勁肋、焊釘約束度、鋼筋約束度以及養護環境溫濕度對AAUHPC收縮性能的影響規律。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗中AAUHPC所用的材料包括:S95級礦粉、98硅灰、石英砂、鍍銅鋼纖維、水玻璃、NaOH、水、減水劑和緩凝劑。石英砂采用3種不同粒徑的級配,占比分別為:8～16目占60%,40～70目占25%,70～120目占15%。鍍銅鋼纖維的直徑為0.18～0.23 mm,長度為12～14 mm。水玻璃中SiO2與Na2O的含量分別為27.3%和8.54%,模數為3.30。NaOH的純度為98.6%。水為青島市自來水。減水劑為聚羧酸減水劑。緩凝劑為葡萄糖酸鈣緩凝劑。

1.2 配合比設計

AAUHPC是由多種材料構成的復合材料,因此各組分的比例及摻量會對其力學性能、耐久性等產生至關重要的影響。本研究的配合比設計在參考相關學者研究[12]的基礎上進行改進,AAUHPC的配合比如表1所示。在試驗開始前,需提前在水玻璃中摻入氫氧化鈉,充分攪拌后靜置24 h,使水玻璃模數降低至1.3。

表1 AAUHPC配合比

為驗證配合比的可行性,提前進行預試驗,測試其流動性、初凝時間及7 d抗壓強度。預試驗結果:流動度為180 mm,初凝時間為19 min,7 d抗壓強度為99 MPa。因此該配合比制得的AAUHPC的強度與流動度均滿足正式試驗要求。

1.3 試件設計及監測方案

組合板模型采用正交異性組合橋面板節段模型(圖1)。底部鋼板和U形加勁肋為Q355B鋼材,焊釘的材質為ML15,尺寸為13 mm×35 mm,由直徑10 mm的HRB400螺紋鋼筋構成鋼筋網,U形加勁肋厚度為8 mm,上開口寬度為100 mm,肋高70 mm,下翼板寬度為70 mm。圖2為試件A1的尺寸示意圖。分別考慮鋼板剛度、焊釘約束度、鋼筋約束度以及養護環境溫濕度對于鋼-AAUHPC組合板收縮的影響,共設計5個鋼-AAUHPC組合板和1個無約束的AAUHPC板,構件主要設計參數如表2所示。

圖1 鋼-AAUHPC組合板模型

圖2 鋼-AAUHPC組合板尺寸示意(單位:mm)

表2 構件主要設計參數

分別采用振弦式應變計及溫濕度傳感器監測AAUHPC上表面應變和內部溫濕度變化。試件測點布設位置如圖2所示:①在AAUHPC上表面,板面中心的位置,沿縱向布置1個振弦式應變計,測量AAUHPC收縮應變;②溫濕度傳感器豎向布置于板面中心右側10 cm處的位置,監測AAUHPC內部的溫濕度變化。構件澆筑完成后,分別在收縮實驗室與自然條件下養護24 h后拆除模板。其中收縮實驗室溫度為(20±2) ℃,濕度為(60±5)%RH,監測3～28 d齡期內各測點應變及溫濕度隨時間變化情況,各測點數據采用人工讀取的方式進行記錄,3～7 d齡期內,每隔12 h監測1次;7～28 d齡期內,每隔24 h監測1次。

2 試驗結果與討論

2.1 AAUHPC基礎力學性能

試塊制作完成后,放于混凝土標準養護室進行養護,待試塊養護到試驗齡期后,測量AAUHPC 3個齡期(7,14,28 d)的抗壓強度fc、劈裂抗拉強度fts和靜彈性模量Ec,基礎力學性能試驗結果如表3所示。

表3 各齡期AAUHPC基礎力學性能試驗結果

2.2 AAUHPC收縮性能

2.2.1 不同約束條件對AAUHPC收縮的影響

如圖3(a)所示,在AAUHPC收縮過程中,內部溫度早期變化較為顯著,隨著齡期的增長,變化趨勢逐漸趨于穩定。早期內部溫度逐漸降低是由于AAUHPC澆筑完成后,其內部發生劇烈的水化反應產生水化熱,導致監測的內部初始溫度較高,初始溫度在22 ℃左右。隨著齡期增長,水化熱逐漸散失,溫度逐漸降低,最終趨近于收縮實驗室的環境溫度20 ℃。通過對比A6與組合板A1,A2,A3的內部溫度可以發現,A1,A2,A3的內部溫度均低于A6,這是由于組合板構件內部設置了鋼筋、焊釘,導致AAUHPC的相對體積減小,因此在水化反應過程中產生的水化熱較低。通過對比A4與其他組合板構件的內部溫度可以發現,減少焊釘數量,相對增大了AAUHPC的體積,因此其內部溫度偏高于其他組合板構件。

如圖3(b)所示,所有構件的內部相對濕度變化趨勢基本一致,均表現出早期相對濕度較高,隨著齡期的增長,相對濕度逐漸降低,最終趨于穩定。在早期構件剛澆筑完成時,AAUHPC凝結硬化還未完成,各熟料成分的空隙之間存在水分,因此內部相對濕度較高,早期組合板構件內部相對濕度在75%～85%之間。后期隨著AAUHPC水化反應消耗水分,并且內部水分可以通過表面不斷向環境中揮發外逸,因此相對濕度隨著齡期逐漸降低,后期組合板構件內部相對濕度在70%～78%之間。通過對比A6與組合板構件的內部相對濕度可以發現,組合板構件的內部相對濕度均高于A6,這是由于在A6中,未設置鋼筋、焊釘和鋼板這些約束,在拆模后AAUHPC層上下表面均直接與外界環境接觸,水分揮發的速率加快,因此內部相對濕度偏低。

如圖4所示,在3～28 d齡期之間,A6收縮應變不斷發展增大,這是AAUHPC自生收縮與干燥收縮共同作用的結果。在自生收縮過程中,膠凝材料礦粉和硅灰與水發生反應,不斷消耗水分,使得各熟料之間水分空隙減小,并且在干燥收縮過程中,內部水分不斷與環境進行交換,因此在這2種收縮的共同作用下,收縮應變隨齡期不斷增大。在7,28 d時,A6的收縮應變分別為-97.2,-258.9 με。通過對比組合板構件與A6的收縮應變可以發現,在設置了焊釘、鋼筋和鋼板這些約束后,AAUHPC在收縮過程中會受到來自焊釘、鋼筋和鋼板的約束作用,約束會對AAUHPC產生約束拉應力,因此收縮應變表現出拉應變。通過對比圖4中組合板的收縮應變可以發現,4組構件的收縮應變發展趨勢基本一致,以A1為例,可將收縮過程分為2個階段:階段1,3～7 d收縮快速發展階段,在該階段收縮增長速率較大,收縮值較高,在7 d齡期的收縮應變為66.6 με,約為28 d齡期收縮應變的62.9%;階段2,7～28 d收縮緩慢發展階段,在該階段收縮增長速率較小,收縮值較低,在28 d齡期的收縮應變為105 με。當改變焊釘、鋼筋的約束度及鋼板剛度后,不改變收縮的發展模式,會影響收縮應變大小。與A1相比:①A2的鋼板底部焊有U形加勁肋,鋼板剛度增大,鋼板對于收縮的約束作用也會隨之增強,在7,28 d齡期的收縮應變分別為37.1,67.1 με,相比A1分別降低了44.3%,36.1%;②A3增加了AAUHPC層厚度,配筋率由2.61%降低為2.24%,相關研究[13]表明降低配筋率會減小約束對混凝土的收縮抑制作用,因此鋼筋對于收縮的抑制作用降低,在7,28 d齡期的收縮應變分別為82,128.1 με,相比A1分別增加了23.1%,22%。③A4降低了焊釘的約束度,焊釘對于收縮的約束作用主要分為2種,一種是通過焊釘與AAUHPC之間的黏結力來發揮約束作用,另一種是處于同一軸線上的焊釘所形成的約束帶,這種約束帶也會對收縮產生約束作用。焊釘數量減少,導致焊釘與AAUHPC的接觸面積減小,并且焊釘由雙排布置變為單排布置后,處于同一縱軸上的焊釘形成的約束帶減少,因此焊釘對收縮的約束作用降低,在7,28 d齡期的收縮應變分別為84.1,112.2 με,相比A1分別增加了26.3%,6.8%。因此,當降低焊釘、鋼筋的約束度及鋼板的剛度后,相應的約束作用也會減小,從而導致AAUHPC的收縮應變增大。為了盡量減少早齡期收縮變形造成的開裂,在滿足工程安全及最小配筋率的前提下,應盡量減少配制約束。

2.2.2 養護環境對AAUHPC收縮的影響

如圖5所示,自然環境的溫濕度度受到晝夜溫差及天氣的影響,變化較為顯著。A5內部溫度變化受環境溫度的影響較大,與環境溫度的變化趨勢基本相同,由于自然環境相較于收縮實驗室的濕度較低,因此A5內部相對濕度相較于A1更低。

如圖6所示,A5的收縮應變發展趨勢與A1基本相同,但是收縮應變大小有所不同。這主要是由于收縮實驗室相較于自然環境下的溫度及濕度更高,AAUHPC內部水分的擴散速度更快,水化反應程度相較于A5更大,因此在高溫高濕的環境下會增大AAUHPC的收縮應變,這與相關研究[14]發現的規律一致。在7 d齡期時的收縮應變為65.7 με,在28 d齡期時的收縮應變為93.3 με,相比A1減小了11.1%。較高的環境溫濕度會促進AAUHPC的水化反應,加劇內部水分的散失,因此在夏季施工時應加強對AAUHPC的保水工作。試驗過程中構件表面均未出現裂縫,這說明摻入鋼纖維的AAUHPC具有優異的受拉性能及韌性,在不同約束條件下受到的收縮應力未超過其抗拉強度。

3 結論

通過AAUHPC基礎力學性能試驗、鋼-AAUHPC組合板收縮試驗對AAUHPC的力學性能及不同約束條件下AAUHPC早齡期收縮性能進行了系統的研究,得出以下結論:

1) 本研究制作的AAUHPC的流動度在180 mm左右,初凝時間為19 min,在混凝土標準養護室養護28 d后抗壓強度、劈裂抗拉強度及彈性模量可達122.4 MPa,14.5 MPa,32.8 GPa。AAUHPC具有和UHPC相當的工作性能和力學強度,并且具有優異的環保性能。

2) AAUHPC早齡期的水化反應及干燥收縮大部分集中在前48 h,在48 h內的濕度變化量約為28 d的78%～85%。AAUHPC與UHPC收縮發展規律相似,均表現出早期收縮速度快,后期速度逐漸降低的特點。前7 d的收縮應變占早齡期收縮應變的比重偏高,約為62.9%。

3) 在設置U形加勁肋、鋼板、焊釘及鋼筋等約束后,AAUHPC層上表面表現出拉應變,且拉應變大小與焊釘、鋼筋的約束度呈負相關,在鋼板底部焊接U性加勁肋后,28 d的收縮應變降低36.1%,U形加勁肋的約束作用在約束條件中占據主導地位。在整個試驗過程中,所有構件表面均未出現裂縫。

4)與恒溫恒濕實驗室中的構件相比,在自然養護條件下,環境溫度變化顯著,且組合板內部的溫度與環境溫度變化趨勢基本一致。受低濕度環境的影響,組合板內部濕度偏低,AAUHPC內部水分的擴散速度較慢,水化反應程度較低,因此AAUHPC的收縮應變較小。