2.3　混凝土抗裂性綜合評價試驗

采用溫度-應力試驗法，考慮一種粉煤灰和一種礦渣，四種不同摻量配伍（無摻合料、15%粉煤灰加35%礦渣、20%粉煤灰加40%礦渣以及60%礦渣），采用0.35、0.36、0.38和0.40四種水膠比共計8組試驗，開展混凝土抗裂性指標的綜合評價試驗。

本書中采用溫度-應力試驗和B4cast溫度應力分析軟件聯合對混凝土的綜合抗裂性進行分析。

具體步驟為：先用B4cast軟件進行建模，輸入邊界條件和材料參數，計算模擬施工澆筑條件下，不同配合比混凝土溫度發展歷程，根據模擬得到的溫度過程線進行混凝土的溫度-應力試驗。

B4cast軟件計算溫度場時，需要輸入20℃條件下各成熟度下膠凝材料的水化熱。混凝土的成熟度按照等效齡期來計算，即認為混凝土絕對零度強度不發展。成熟度M（等效齡期）計算公式為

式中 Ti——i時刻對應的溫度；

Δti——時間間隔。

根據式（2.1）得出相應齡期時混凝土的成熟度。

同時，根據混凝土絕熱溫升，計算混凝土膠凝材料體系的水化熱。式（2.2）如下：

式中 θn——n天齡期混凝土絕熱溫升，℃；

Ck——混凝土試件的質量與混凝土平均比熱的乘積，kJ/℃；

Qn——n天齡期膠凝材料水化熱，kJ/kg；

W——混凝土試件的膠凝材料用量，kg/m3。

根據式（2.2）得出相應齡期混凝土膠凝材料的水化熱。

表2.48以YSD38作為示例，給出了通過絕熱溫升，計算成熟度和膠凝材料體系的水化熱，用于B4cast軟件溫度場的計算。

根據OriginPro 8.0非線性擬合功能，擬合成熟度與水化熱的關系。圖2.48以YSD38為例，給出擬合曲線及雙曲線關系函數。

進行溫度-應力試驗的8組混凝土膠凝材料體系的水化熱擬合見表2.49。

在B4cast分析軟件中進行建模，計算溫度場。

根據《深圳地鐵11號線后海站結構設計說明》，車站主體結構構件最大厚度尺寸為1100mm。建模：底板長5m×寬5m×高1.1m。

根據《福永站—地下高架分界區間設計說明》，要求控制入模溫度≤28℃，溫度-應力試驗時，控制澆注溫度為28℃。

參數取值如下：比熱0.97kJ/（kg·℃），混凝土上表面對流散熱系數45kJ/（m2·h·℃），底板與基巖的對流散熱系數65kJ/（m2·h·℃）。

輸入膠凝材料總量、水化熱等參數，得出各個混凝土中心點的溫度曲線。

以YSD38為例，計算得出的溫度曲線如圖2.49所示。

根據所得溫度曲線，進行混凝土的溫度-應力試驗。

2.3.1　溫度-應力試驗方法

溫度-應力試驗是主要研究單軸約束狀態下溫度應力導致的混凝土開裂風險的方法，所采用的主要設備是混凝土溫度-應力試驗機。這種設備最早由R.Springenschmid于20世紀80年代在開裂試驗架的基礎之上開發出來的。Kovler在此基礎上增加了不受約束的自由變形試件，其結構原理示意如圖2.50所示。受約束試件的一端固定在試驗機機架上，另外一端可活動。混凝土試件的兩端由兩個鉗狀夾頭夾緊，可以對試件實際發生的變形進行控制。通過變形測量系統可以測量試件的實際變形，在整個實驗過程中，當這個變形達到1μm，計算機控制系統根據設定使位移控制系統運行起來，把這個變形減小并保持在1μm以內，在這種狀態下試件的約束程度為100%。與此同時，所測量出的應力即為約束應力。試驗時，活動端經由荷載傳感器連接在步進電機的減速箱上。試件的溫度變形和自生體積變形累計達到預先設定閾值（比如1μm）時，步進電機對活動端進行一次拉/壓的回復動作，使其始終保持在原點，從而實現近似100%至其他不同程度的約束。

試件處于溫控模板的包圍中。溫控模板是空心的，可通過其內的循環介質對試件進行加熱或冷卻，使試件處于不同的溫度歷程（絕熱、恒溫或其他特定的溫度曲線）。試件兩側平行設置兩個位移傳感器（LVDT）。計算機控制系統通過溫度傳感器、荷載傳感器和位移傳感器自動記錄試件的溫度、應力和變形。本試驗所用溫度-應力試驗機如圖2.51所示。

試驗制度：采用溫度匹配養護模式進行溫度-應力試驗。采用B4cast計算的溫度曲線進行溫度設定。混凝土澆注溫度28℃。試驗歷時168h后混凝土降溫至30℃左右，然后進行強制降溫（降溫速率1℃/h），直至試件斷裂。溫度-應力試驗混凝土配合比參數見表2.50。

2.3.2　溫度-應力試驗

9組混凝土溫度-應力試驗結果如圖2.52～圖2.69所示，混凝土開裂指標見表2.51～表2.59。

1.試件YSD351

2.試件SD36

3.試件YSD36

4.試件SD38

5.試件YSD38

6.試件YSD38J

7.試件YSD383

8.試件YSD40

9.試件YSD400

混凝土試件的開裂溫度、開裂溫降和開裂時間見表2.60。

混凝土的開裂溫降即為混凝土的最高溫度與開裂溫度的差值，綜合考慮混凝土在溫度應力、近似100%約束度、徐變等各項影響因素作用下混凝土約束應力發展，表征混凝土的綜合抗裂性。開裂溫降越大，表明混凝土容許的溫度變化范圍越大，抗裂性越好。混凝土的開裂溫降為20～31℃。

開裂溫度表明混凝土開裂時的溫度，開裂溫度越低，在施工中溫控壓力就越小。在施工監測中，關注開裂溫度，即時采取必要措施，改善溫控措施，減小混凝土開裂的風險。

2.3.3　結果分析

1.水膠比的影響

比較YSD36、YSD38、YSD40和SD36、SD38的抗裂性。對于引氣的YSD36、YSD38、YSD40而言，水膠比對開裂溫度、開裂溫降以及開裂時間的影響不明顯。

對非引氣混凝土而言，SD36開裂溫降為25.3℃，SD38開裂溫降30.0℃，開裂溫度高出4.7℃。

總體而言，隨著水膠比的增大，混凝土的開裂溫降有增大的趨勢。

2.摻和料配伍的影響

比較YSD38、YSD383和YSD40、YSD400的抗裂性。

YSD383摻入60%礦渣、未摻加粉煤灰，開裂溫度為20.1℃，是混凝土試驗中開裂溫降最低的一個配合比。在摻和料總摻量同樣為60%時，摻和料組合為20%粉煤灰加40%礦渣，即YSD38混凝土的開裂溫降增大為30.5℃。因此，改變摻和料組合，雙摻礦渣和粉煤灰較單摻礦渣改善了混凝土的抗裂性。

YSD400未摻入任何摻和料，為純水泥混凝土。混凝土最高溫度為72.5℃，開裂溫降為30.1℃，開裂溫度為42.4℃。由于YSD400溫升較高，混凝土產生了較大的預壓應力，使混凝土的開裂時間得以延遲。YSD40開裂溫降為30.5℃，開裂溫度為24.3℃。盡管YSD40與YSD400開裂溫降基本相當，但是YSD400開裂溫度超過了40℃，兩者的開裂溫度相差高達18℃。在實際施工中，考慮深圳地區澆注溫度的影響，混凝土極易開裂。

增大摻和料摻量，優化摻和料組合，有利于減小混凝土的開裂溫度，提高混凝土的抗裂性。

3.含氣量的影響

比較YSD36與SD36、YSD38與SD38的抗裂性。

摻加引氣劑后，YSD36比SD36增大了開裂溫降5℃。SD36開裂時間為147h，YSD36的開裂時間為172h。摻引氣劑提高了混凝土的抗裂性能。

摻加引氣劑后，YSD38與SD38開裂溫降區別不明顯，相差為0.5℃。開裂時間基本相同。

摻引氣劑后，微小氣泡減小了混凝土的彈性模量，提高了混凝土的彈性變形能力。總體來說，摻引氣劑改善了混凝土的抗裂性能。

4.外加劑品種的影響

比較YSD38與YSD38J的抗裂性。

YSD38開裂溫降為30.5℃，YSD38J開裂溫降為27.9℃，兩者相差2.6℃，YSD38J開裂溫降略低，可能與該組混凝土摻加了聚羧酸減水劑有關，聚羧酸減水劑使水泥分散更均勻，加速了水泥的水化速度。總體來說，YSD38與YSD38J抗裂性能沒有顯著的差異。

改變外加劑品種，對混凝土的抗裂性影響不明顯。