基于成熟度理论掺氧化镁混凝土开裂敏感性的评价_秦哲焕.pdf

NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS0引言混凝土作为建筑行业中的重要材料，其裂缝控制是衡量工程质量的重要指标1-2。从材料本身的角度考虑，混凝土在约束状态下的收缩会使结构内部产生拉应力，当拉应力超过极限抗拉强度时，混凝土开裂3-4。混凝土裂缝控制的手段很多，掺入适量膨胀剂，利用其在水化过程中增大固相体积来补偿收缩，被认为是最经济有效的控制方法之一5。目前，混凝土抗裂性能评价是众多学者的研究热点，常见的评价方法包括圆环法、平板法6，圆环法敏感性较差，只能处于恒温环境，平板法仅考虑早期塑性收缩和干燥收缩引起的开裂，2 种方法均存在一定的局限性，并不能真实反映实际条件下的混凝土抗裂性能7。温度应力试验机（TSTM）综合考虑温度、约束、应力和应变多个因素的影响，是目前定量评价混凝土抗裂性能最准确的装置之一8。TSTM 通过测得的 14 个性能参数，定量评价混凝土的抗裂性能，室温应力、开裂应力、应力储备是核心评价指标，开裂温度为综合评价指标，但采用不同的指标进行抗裂评价时，也会出现评价结果不同的情况。收稿日期：2022-05-17；修订日期：2022-11-10作者简介：秦哲焕，男，1991 年生，工程师，E-mail：。基于成熟度理论掺氧化镁混凝土开裂敏感性的评价秦哲焕1，朱国军1，刘杰胜2，纪宪坤1，刘拼1（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉430070；2.武汉轻工大学，湖北 武汉430070）摘要：通过研究氧化镁掺量为 0、4%、6%、8%混凝土的劈裂抗拉强度、变温历程下的约束应力发展，并结合成熟度理论和数据拟合计算混凝土变温历程下的等效龄期，评价混凝土的开裂敏感性。结果表明，掺 4%、6%氧化镁可提高混凝土的劈裂抗拉强度，掺 8%氧化镁可提高混凝土的早期劈裂抗拉强度，但不利于后期劈裂抗拉强度发展；温度-应力试验表明，掺氧化镁可以提高混凝土的抗裂性能，但开裂温度和开裂应力的定量评价结果存在差异；开裂敏感度综合考虑了混凝土温度历程和劈裂抗拉强度发展，其作为评价指标更加准确，氧化镁掺量为 4%、6%、8%的混凝土开裂敏感度较基准组分别减小了 4.6、5.0、1.8 个百分点。关键词：成熟度理论；等效龄期；劈裂抗拉强度；温度应力试验机；开裂敏感度中图分类号：TU528.01文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0011-04Evaluation of cracking sensitivity of MgO-doped concrete based on maturity theoryQIN Zhehuan1，ZHU Guojun1，LIU Jiesheng2，JI Xiankun1，LIU Pin1（1.Wuhan Sanyuan Special Building Materials Co.Ltd.，Wuhan 430070，China；2.Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430070，China）Abstract：By adding 0，4%，6%，8%magnesium oxide to concrete，splitting tensile strength and restraint stress development under varying temperature history were studied.Combined with maturity theory and data fitting，the equivalent age of concrete underchanging temperature history was calculated.It evaluated the cracking susceptibility of concrete.The results showed that the splitting tensile strength of concrete can be improved by adding 4%and 6%magnesium oxide.The early tensile strength of concretecould be improved by adding 8%magnesium oxide.However，it is not conducive to the development of later splitting tensilestrength.The evaluation index of temperature-stress test showed that adding magnesium oxide could improve the crack resistance ofconcrete.There were differences in the quantitative evaluation results of cracking temperature and cracking stress.Cracking susceptibility considering concrete temperature history and tensile strength development.It was more accurate as an evaluation index.Compared with the reference group，the cracking sensitivity of concrete with 4%，6%and 8%MgO decreased by 4.6，5.0 and 1.8percentage points respectively.Key words：maturity theory，equivalent age，splitting tensile strength，temperature stress testing machine，cracking sensitivity中国科技核心期刊11新型建筑材料202302混凝土的抗裂评价应综合考虑温度和极限抗拉强度的发展9。养护温度和龄期是混凝土强度增长的关键，成熟度理论综合考虑了两者的影响，已广泛应用于建筑行业中评价混凝土的实时强度10-12。本文通过配制不同掺量的氧化镁混凝土，基于成熟度理论分析标养环境下的劈裂抗拉强度以及 TSTM中温度、应力的发展规律，以开裂敏感度（约束应力与极限抗拉强度的比值）评价混凝土的抗裂性能。1成熟度理论1.1成熟度计算养护温度和龄期是混凝土强度发展的最主要原因，20 世纪初，已有学者开始研究温度与龄期的综合效应，并定义混凝土成熟度为养护时间和等效养护温度的乘积13。Freiesleben和 Pedersen14建立了等效龄期成熟度模型，等效龄期是指同一混凝土在变温养护下达到一定成熟度的水化时间等效为20 标养条件下的时间，等效龄期被国际预应力协会列入了混凝土模式规范。等效龄期的公式见式（1），经离散化近似处理后为式（2）：te=t0expEaT（t）R 1293-1273+T（t）dt（1）te=ni=1expEa（Ti）R 1293-1273+Titi（2）式中：te等效龄期，h；T（t）混凝土养护温度历程，；Tii 时刻对应的养护温度，；ti时间间隔，h；R普适气体常数，R=8.315 J/（mol K）；Ea水化反应的特征活化能，T20 时，Ea（T）=33.5kJ/mol；T20 时，Ea（T）=33.5+1.47（20-T）kJ/mol。1.2成熟度-强度关系成熟度间接反应了混凝土的强度变化，但两者间并无理论化的公式关系15，要得到变温环境下混凝土的强度数据，可通过标养环境下不同龄期的实测强度，拟合得到强度-龄期关系，结合式（2）换算变温历程下等效龄期，最后通过拟合公式计算混凝土强度，拟合结果的可靠性以决定系数 R2做定量判断，R2值在 01 之间变化，若 R2接近 1，表明拟合效果好；否则拟合效果差。2原材料与试验方法2.1原材料水泥：华新水泥股份有限公司产，P O42.5 水泥，主要技术性能见表 1；粉煤灰：武汉青山电厂产，级；矿粉：武新新型建材有限公司产，S95 级；轻烧氧化镁：武汉三源特种建材有限责任公司产，主要技术性能见表 2，胶凝材料的主要化学成分见表 3；聚羧酸减水剂：武汉三源特种建材有限责任公司产，固含量 13%，减水率 20%；细骨料：河砂，细度模数 2.71；粗骨料：525 mm 连续级配花岗岩碎石；水：自来水。表 1水泥的主要技术性能表 2轻烧氧化镁的主要技术性能表 3胶凝材料的主要化学成分%2.2试验方法参照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准 测试混凝土的 3、7、28、60、90 d 劈裂抗拉强度。采用北京某公司生产的 TSTM 测试混凝土的温度、应力发展历程，TSTM 采用绝热模式，混凝土以（201）入模，达到温峰后维持温峰 48 h，后以 1/h 降温至-15 左右，若试件中途断裂则以降温终点为开裂温度。其中，TSTM 约束试件的理论约束程度接近 100%，为较好地匹配约束状态下的强度发展，劈裂抗拉强度试件采用带模养护至相应龄期。2.3试验配合比以某实际工程中的 C30 混凝土配合比为基准，以内掺等质量取代粉煤灰的方式分别掺入 4%、6%、8%轻烧氧化镁，试验配合比见表 4。为保证混凝土的初始流动状态与成型温度接近，通过改变减水剂掺量控制混凝土出机坍落度为（18020）mm，控制原材料的温度使混凝土成型温度为（201）。表 4试验配合比kg/m3比表面积/（m2/kg）凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa安定性初凝3 d3 d28 d34322528027.250.94.78.4合格终凝28 d项目SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3MgO烧失量水泥23.365.123.3658.622.682.361.57粉煤灰58.1521.476.687.200.831.062.86矿粉32.7213.981.4939.840.647.461.84氧化镁1.860.430.781.960.2189.842.92水化活性值/s比表面积/（m2/kg）0.08 mm筛筛余/%含水率/%7 d 限制膨胀率/%20 水中 40 水中1203241.40.290.0190.059编号水泥粉煤灰矿粉砂石水氧化镁 减水剂M-02406040764109517003.10M-424046407641095170143.30M-624040407641095170203.45M-824033407641095170273.65秦哲焕，等：基于成熟度理论掺氧化镁混凝土开裂敏感性的评价12NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS3试验结果及分析3.1氧化镁对混凝土劈裂抗拉强度的影响（见表 5）表 5氧化镁对混凝土劈裂抗拉强度的影响由表 5 可见，氧化镁掺量为 4%或 6%时，掺氧化镁混凝土各龄期的劈裂抗拉强度均高于基准组，且 M-6 组各龄期的劈裂抗拉强度均高于 M-4 组。这是因为氧化镁水化生成了氢氧化镁晶体，试件的带模养护使氢氧化镁晶体较好地填充于混凝土孔隙中，浆体结构的整体密实性提高，有利于强度的发展。当氧化镁掺量达到 8%时，混凝土的 3、7、28 d 劈裂抗拉强度高于基准组，但 60、90 d 劈裂抗拉强度略低于基准组，这说明过高的氧化镁掺量不利于混凝土后期强度的发展。氧化镁掺量为 6%时，混凝土的劈裂抗拉强度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉强度较基准组分别提高了 13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。由此可见，劈裂抗拉强度的增幅随龄期的延长先增大后减小，这是因为 28 d 之前氧化镁的持续水化逐渐提高了混凝土结构密实性，但 28 d 以后，粉煤灰更