秦哲煥，朱國軍，劉杰勝，紀憲坤，劉拼
（1.武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430070；
2.武漢輕工大學，湖北 武漢 430070）
混凝土作為建筑行業中的重要材料，其裂縫控制是衡量工程質量的重要指標[1-2]。從材料本身的角度考慮，混凝土在約束狀態下的收縮會使結構內部產生拉應力，當拉應力超過極限抗拉強度時，混凝土開裂[3-4]。混凝土裂縫控制的手段很多，摻入適量膨脹劑，利用其在水化過程中增大固相體積來補償收縮，被認為是最經濟有效的控制方法之一[5]。
目前，混凝土抗裂性能評價是眾多學者的研究熱點，常見的評價方法包括圓環法、平板法[6]，圓環法敏感性較差，只能處于恒溫環境，平板法僅考慮早期塑性收縮和干燥收縮引起的開裂，2種方法均存在一定的局限性，并不能真實反映實際條件下的混凝土抗裂性能[7]。溫度應力試驗機（TSTM）綜合考慮溫度、約束、應力和應變多個因素的影響，是目前定量評價混凝土抗裂性能最準確的裝置之一[8]。TSTM通過測得的14個性能參數，定量評價混凝土的抗裂性能，室溫應力、開裂應力、應力儲備是核心評價指標，開裂溫度為綜合評價指標，但采用不同的指標進行抗裂評價時，也會出現評價結果不同的情況。混凝土的抗裂評價應綜合考慮溫度和極限抗拉強度的發展[9]。
養護溫度和齡期是混凝土強度增長的關鍵，成熟度理論綜合考慮了兩者的影響，已廣泛應用于建筑行業中評價混凝土的實時強度[10-12]。本文通過配制不同摻量的氧化鎂混凝土，基于成熟度理論分析標養環境下的劈裂抗拉強度以及TSTM中溫度、應力的發展規律，以開裂敏感度（約束應力與極限抗拉強度的比值）評價混凝土的抗裂性能。
1.1 成熟度計算
養護溫度和齡期是混凝土強度發展的最主要原因，20世紀初，已有學者開始研究溫度與齡期的綜合效應，并定義混凝土成熟度為養護時間和等效養護溫度的乘積[13]。Freiesleben和Pedersen[14]建立了等效齡期成熟度模型，等效齡期是指同一混凝土在變溫養護下達到一定成熟度的水化時間等效為20℃標養條件下的時間，等效齡期被國際預應力協會列入了混凝土模式規范。等效齡期的公式圖見式（1），經離散化近似處理后為式（2）：
式中：te——等效齡期，h；
T（t）——混凝土養護溫度歷程，℃；
Ti——i時刻對應的養護溫度，℃；
△ti——時間間隔，h；
R——普適氣體常數，R=8.315 J/（mol·K）；
Ea——水化反應的特征活化能，T≥20℃時，Ea（T）=33.5 kJ/mol；
T＜20℃時，Ea（T）=33.5+1.47×（20-T）kJ/mol。
1.2 成熟度-強度關系
成熟度間接反應了混凝土的強度變化，但兩者間并無理論化的公式圖關系[15]，要得到變溫環境下混凝土的強度數據，可通過標養環境下不同齡期的實測強度，擬合得到強度-齡期關系，結合式（2）換算變溫歷程下等效齡期，最后通過擬合公式圖計算混凝土強度，擬合結果的可靠性以決定系數R2做定量判斷，R2值在0～1之間變化，若R2接近1，表明擬合效果好；
否則擬合效果差。
2.1 原材料
水泥：華新水泥股份有限公司產，P·O42.5水泥，主要技術性能見表1；
粉煤灰：武漢青山電廠產，Ⅱ級；
礦粉：武新新型建材有限公司產，S95級；
輕燒氧化鎂：武漢三源特種建材有限責任公司產，主要技術性能見表2，膠凝材料的主要化學成分見表3；
聚羧酸減水劑：武漢三源特種建材有限責任公司產，固含量13%，減水率20%；
細骨料：河砂，細度模數2.71；
粗骨料：5～25 mm連續級配花崗巖碎石；
水：自來水。
表1 水泥的主要技術性能
表2 輕燒氧化鎂的主要技術性能
表3 膠凝材料的主要化學成分 %
2.2 試驗方法
參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土的3、7、28、60、90 d劈裂抗拉強度。采用北京某公司生產的TSTM測試混凝土的溫度、應力發展歷程，TSTM采用絕熱模式，混凝土以（20±1）℃入模，達到溫峰后維持溫峰48 h，后以1℃/h降溫至-15℃左右，若試件中途斷裂則以降溫終點為開裂溫度。其中，TSTM約束試件的理論約束程度接近100%，為較好地匹配約束狀態下的強度發展，劈裂抗拉強度試件采用帶模養護至相應齡期。
2.3 試驗配合比
以某實際工程中的C30混凝土配合比為基準，以內摻等質量取代粉煤灰的方式分別摻入4%、6%、8%輕燒氧化鎂，試驗配合比見表4。為保證混凝土的初始流動狀態與成型溫度接近，通過改變減水劑摻量控制混凝土出機坍落度為（180±20）mm，控制原材料的溫度使混凝土成型溫度為（20±1）℃。
表4 試驗配合比 kg/m3
3.1 氧化鎂對混凝土劈裂抗拉強度的影響（見表5）
表5 氧化鎂對混凝土劈裂抗拉強度的影響
由表5可見，氧化鎂摻量為4%或6%時，摻氧化鎂混凝土各齡期的劈裂抗拉強度均高于基準組，且M-6組各齡期的劈裂抗拉強度均高于M-4組。這是因為氧化鎂水化生成了氫氧化鎂晶體，試件的帶模養護使氫氧化鎂晶體較好地填充于混凝土孔隙中，漿體結構的整體密實性提高，有利于強度的發展。當氧化鎂摻量達到8%時，混凝土的3、7、28 d劈裂抗拉強度高于基準組，但60、90 d劈裂抗拉強度略低于基準組，這說明過高的氧化鎂摻量不利于混凝土后期強度的發展。氧化鎂摻量為6%時，混凝土的劈裂抗拉強度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉強度較基準組分別提高了13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。由此可見，劈裂抗拉強度的增幅隨齡期的延長先增大后減小，這是因為28 d之前氧化鎂的持續水化逐漸提高了混凝土結構密實性，但28 d以后，粉煤灰更多的基準組具有更高的火山灰效應，二次水化程度更高。
3.2 TSTM試驗結果
TSTM約束試件的溫度發展見圖1，應力發展見圖2。
圖1 約束試件的溫度發展
由圖1可見，在升溫階段，M-0、M-4、M-6、M-8的最大溫升分別為27.0、27.2、27.9、29.2℃，相比于M-0基準組，M-4、M-6、M-8的溫升分別提高了0.2、0.9、2.2℃。這是因為氧化鎂的早期活性比粉煤灰高，并且隨著溫度的升高，活性逐漸提高，采用氧化鎂取代粉煤灰，增加了升溫階段膠凝材料的水化速率，因此溫升值增大。在降溫階段，M-0、M-4、M-6、M-8的開裂溫度分別為8.6、3.7、-3.0、-1.1℃，這說明摻入氧化鎂可以降低混凝土的開裂溫度。以開裂溫度為評價指標，抗裂性能由高到低依次為：M-6＞M-8＞M-4＞M-0。摻6%氧化鎂的混凝土開裂溫度較基準組降低了11.6℃。
圖2 約束試件的應力發展
由圖2可見，在升溫階段，混凝土壓應力的增長速率隨氧化鎂摻量的增加而提高，在保溫階段，各組的壓應力達到最大值，M-0、M-4、M-6、M-8的最大壓應力分別為0.68、1.00、1.47、1.60MPa。這是因為氧化鎂水化增大了固相體積，在100%約束條件下，膨脹變形越大，壓應力越大。降溫階段，試件壓應力逐漸降低并轉為拉應力，最終斷裂。降至20℃室溫時，M-0、M-4、M-6、M-8的約束應力（即室溫應力）分別為1.46、1.27、1.10、1.10MPa；
試件斷裂時，各組的開裂應力分別為2.18、2.37、2.47、2.31 MPa。定義應力儲備為混凝土開裂應力和室溫應力的差值與開裂應力的比值，各組的應力儲備分別為33.0%、46.4%、55.5%、52.4%。
相比于M-0基準組，M-4、M-6、M-8的室溫應力分別降低了13.0%、24.7%、24.7%，開裂應力分別提高了8.7%、13.3%、6.0%，應力儲備分別提高了40.6%、68.2%、58.8%。室溫應力是試件對溫度、變形以及約束程度的反應，以室溫應力為開裂指標，抗裂性能順序為：M-6=M-8＞M-4＞M-0；
以開裂應力為評價指標，抗裂性能順序為：M-6＞M-4＞M-8＞M-0；
應力儲備反映混凝土降溫至環境溫度時儲備應力的大小，以應力儲備為評價指標，抗裂性能順序為：M-6＞M-8＞M-4＞M-0。
綜上，摻入氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，但采用不同的指標，抗裂評價結果存在差異。這些指標可以在一定程度上反應混凝土的抗裂性能，但并未考慮溫度歷程和抗拉強度對混凝土的影響。
3.3 等效齡期與開裂敏感度
各組TSTM的溫度歷程可分為升溫-保溫-降溫3個階段，保溫和降溫階段呈線性變化，升溫階段數據較為復雜，為方便計算，以每小時的平均溫度（△ti）為該時間段內養護溫度（Ti），根據式（2）計算各組開裂時的等效齡期。實際齡期與等效齡期對應關系見圖3。
圖3 實際齡期-等效齡期關系
由圖3可見，TSTM溫度歷程下的實際齡期較20℃標養下的等效齡期要短得多，說明在TSTM中混凝土試件的強度增長高于標準養護。M-0、M-4、M-6、M-8斷裂時的等效齡期分別為322.7 h（13.45 d）、340.8 h（14.20 d）、337.8 h（14.08 d）、354.6 h（14.78 d）。
采用Origin 2019按照Allometricl模型對各組實測劈裂抗拉強度進行擬合，擬合曲線及擬合公式圖分別見圖4、表6。
圖4 混凝土劈裂抗拉強度的擬合曲線
表6 混凝土劈裂抗拉強度的擬合公式圖和決定系數
由圖4和表6可見，各組的擬合決定系數R2均接近1，表明擬合效果較為理想。根據各組試件斷裂的等效齡期分別代入表6中的抗拉強度擬合公式圖，得到M-0、M-4、M-6、M-8斷裂時的劈裂抗拉強度。定義開裂敏感度為開裂應力與劈裂抗拉強度的比值，其反映混凝土約束狀態下的開裂概率，考慮了混凝土約束應力與劈裂抗拉強度的發展，是評價混凝土抗開裂性能的重要指標。各組混凝土的開裂敏感度見表7。
由表7可見，相比于基準組，M-4、M-6、M-8組的開裂應力有所提高，且開裂敏感度分別降低了4.6、5.0、1.8個百分點，這說明混凝土中摻入氧化鎂，開裂概率變低，即抗裂性能提高，抗裂性能評價結果與TSTM開裂應力評價指標結果一致。混凝土的開裂敏感度隨氧化鎂摻量的增加先減小后增大，說明氧化鎂對混凝土抗裂性的提高存在最佳摻量。本研究中，氧化鎂摻量為6%時混凝土的抗裂性能最優。
表7 混凝土的開裂敏感度
（1）摻4%或6%的氧化鎂可以提高混凝土約束狀態下的劈裂抗拉強度，摻8%的氧化鎂不利于混凝土后期劈裂抗拉強度的發展。其中，6%摻量時混凝土的劈裂抗拉強度最高，3、7、28、60、90 d劈裂抗拉強度較基準組分別提高了13.1%、19.0%、19.4%、16.5%、12.1%。
（2）TSTM評價體系中，采用不同的指標，評價結果存在差異。以開裂溫度為評價指標，混凝土抗裂性能依次為M-6＞M-8＞M-4＞M-0；
以室溫應力為開裂指標，抗裂性能依次為M-6=M-8＞M-4＞M-0；
以開裂應力為評價指標，抗裂性能依次為M-6＞M-4＞M-8＞M-0；
以應力儲備為評價指標，抗裂性能依次為M-6＞M-8＞M-4＞M-0。
（3）相比于基準組，M-4、M-6、M-8的開裂敏感度分別降低了4.6、5.0、1.8個百分點，混凝土中摻入氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，6%的摻量效果最好。
（4）成熟度理論考慮了混凝土的溫度場變化，開裂敏感度考慮了抗拉強度的發展，兩者相結合可以更加準確地評價混凝土的抗裂性能。
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