内部养护UHPC：破解干燥收缩难题的新思路

Tengfei Fu，俄勒冈州立大学，Corvallis或近年来，已经取得了重大进步，不仅要使用内部固化来减轻自动收缩，还可以增强就地的混凝土性能。本届会议的目标是评估各种具体应用中内部固化的经济性，绩效和可持续性。将涵盖以下主题：混合比例，内部固化方法，水合影响，体积变化效应，机械性能，耐用性方面，生命周期成本分析，对可持续性的影响和案例研究，以证明使用内部固化的使用。

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以下演讲中表达的观点是演讲者的观点，并不一定反映ACI或其委员会的看法。ACI网络会议在ACI大会或其他混凝土行业活动中录制，将在之后免费提供观看一周，随后将在ACI网站上存档或添加到ACI的在线继续教育单元（CEU）计划中，具体取决于内容。您可以通过ACI的在线CEU计划获得继续教育学分，请访问www.concrete.org注册。ACI大会为网络交流和了解最新的混凝土技术和实践提供了机会。

我们的下一位演讲者是唐吉·F。唐是一位ACI会员，目前在俄勒冈州立大学（位于俄勒冈州科瓦利斯）攻读博士学位。唐吉获得了俄勒冈州立大学土木工程科学硕士学位，并于2008年在大连理工大学获得本科学位。他的演讲题目是“预测内部养护高性能混凝土的干燥收缩”。请欢迎唐到舞台上。

（掌声）

谢谢安妮尔，大家早上好。我叫唐吉·F，来自俄勒冈州立大学。今天我将谈谈内部养护项目的建模和实验结合的部分。首先，我想概述一下这个由Argan资助、在俄勒冈州立大学进行中的项目。最近Argan遇到的问题是，当他们改用高性能混凝土（HPC）配方后，出现了一些问题。图片的左下角可能不太清楚，但可以看到很多横向裂缝，我们认为这主要是由于新桥梁上的干燥收缩造成的，这种现象可能在浇筑后一年内发生。这座特定的桥梁正遭受这个问题的影响。因此，我们试图研究通过部分替换砂子为预饱和轻质骨料以及添加减缩剂，探索内部养护混凝土的有效性，看看是否能减少长期干燥收缩，并希望缩短外部养护的持续时间（目前在该州为14天）。此外，作为项目的延续，我们试图为桥梁制定一个收缩限值标准，或者说开发一种简单的测试方法，这种方法可以方便地用于提前评估不同的混凝土配方设计。为此，我们需要一个很好的数学描述来解释干燥收缩的发展过程，这也是这个项目的研究内容。我们尝试找到一个模型来描述我们配方中含有轻质骨料和减缩剂的混凝土的干燥行为。此外，我们希望能根据不同当地材料调整配方，进一步研究了ACI 209干燥模型，提出了一种基于短期测量预测长期收缩的方法，结合了建模和实验。

在材料方面，我们使用了来自不同来源的轻质骨料，主要是页岩，但也有一种粘土。我们主要研究了一种页岩和一种粘土的性能。测试结果显示，当相对湿度降至95-96%以下时，轻质骨料开始释放大部分水分。另一个结论是粘土的吸水能力几乎是页岩的两倍，这会影响你在计算所需配方时的考虑。

在配方设计上，我们使用的胶凝材料含量为每立方码633磅，保持所有配方的水灰比为0.37。我们使用了三元混合物，替换了30%的C类飞灰和4%的硅灰。我们测试了几种含有页岩的配方，添加了2%的减缩剂（基于部分胶凝材料的质量）。在这个列表中，我们有三种不同比例的粘土替换和四种不同比例的页岩替换。需要指出的是，12%的粘土和25%的页岩在提供的内部养护水量上是相同的，这是根据测试和计算得出的。我们还尝试了100%页岩替换，也就是完全没有天然砂，只有页岩作为轻质骨料。此外，我们尝试了25%的页岩替换加上减缩剂的组合，目标28天强度为5000 psi（约34.5 MPa）。

我们做了大量的工作，主要是浇筑试件。我们进行了很多ASTM C157测试，这是测量自由干燥收缩的标准方法。我们将所有试件储存在标准条件的环境控制室中，从1天、3天、7天、10天、14天不同龄期开始干燥，持续跟踪长度变化，每次测量都将成为后期评估的一个数据点。

关于长期干燥收缩的结果，这里展示了180天的数据。蓝线是控制组。效果最好的是轻质骨料加减缩剂的组合，单独使用减缩剂的效果也很不错。而100%页岩替换的配方效果也不错，但从耐久性角度来看，100%页岩会导致很多表面剥落和开裂问题。这只是为了探索干燥收缩的极限。如果看2C和3C配方，其结果与控制组相差不大，这说明如果想用细骨料控制干燥收缩，可能需要更多的水来辅助水化，以减少长期收缩。

在模型评估方面，我们研究了六种模型，这些模型已被其他研究人员评估并应用于不同项目。每张图表中，纵轴是模型计算的收缩值，与我们实验室测量的收缩值进行比较。如果数据点落在对角线上，说明预测准确。我们还给出了两条参考线，上下4%的范围。图例中，蓝色菱形是控制组（纯高性能混凝土），橙色三角形是含有轻质骨料的配方，红色圆点是含有页岩的配方。

我们研究的六个模型包括ACI 209模型、CEB90模型（也有人称之为CEB95或CEB99，这是欧洲规范的不同版本，最新版本可能是2010年发布的，试图将自收缩和干燥收缩结合在一个方程中，但时间函数可能需要更新）、Excel规范（主要用于预应力混凝土，与某个模型密切相关）、B3模型（基于理论基础，试图解释干燥收缩的物理机制，新版本可能在今年年底发布）、GL 2000模型和ALS模型（GL 2000和ALS模型在不含减缩剂的混凝土中表现相同，而ALS模型专门针对含减缩剂的混凝土）。

从这些数据中可以看出，最理想的情况是数据点沿着对角线分布，因此GL 2000模型表现得相当好，可能是因为这个模型较新，其开发所用的数据主要基于含有补充材料的混凝土，这与我们的配方更接近。如果不同模型的数据点分布发生变化，说明时间函数对干燥行为的描述不够准确。但如果数据点呈直线分布，说明时间函数描述得不错，但误差主要来自模型中的最佳值。

通过这些分析，我们意识到建模存在局限性，主要因为用于开发这些模型的数据或混凝土配方有限。如今，混凝土中有很多新材料和补充材料，我们并不完全了解其作用，也没有足够的时间和资金去全面研究。如果能通过测试建立一个数学模型来预测长期行为，那就很棒了。首先，我们研究了干燥行为的数学特征，假设其为单调递减，随时间减缓，并最终趋于某个值。一个好的模型应该准确描述时间函数和最终收缩值，并且易于使用。

在六个模型中，我们发现ACI 209模型（完整版）表现不错。你可能见过简化版，设置了一些固定因子，但在完整版中，有三个因子（α、β和最终收缩值），通过调整这些参数，可以很好地描述每种配方的时间函数，并给出合理的最终收缩值。例如，我们从不同配方中随机选取了一些数据，实线是ACI 209模型的拟合曲线，虚线是实际测量值，可以很好地捕捉干燥曲线的特征，并有望预测长期值。

接下来，我们进行了一些敏感性研究，想知道需要测试多长时间。在图表中，我们展示了不同配方和不同龄期的测试结果。我们用特定龄期（例如28天）的数据进行拟合，计算最终收缩值，发现某个龄期后值开始稳定。对于控制组和含轻质骨料的配方，50天的数据与180天的数据差异在5%以内，算是合理的。对于含减缩剂的配方，因为减缩剂会减缓收缩发展，可能需要90天的数据来预测长期收缩。

另一个问题是我们希望知道如何在测试中途停止测试，而不必持续半年甚至更久。目前我们正在研究收缩率、加速度等指标，虽然看到了一些趋势，但还没有得出确定的结论。

我们提出的程序是：进行ASTM C157测试，持续跟踪收缩；在28天后开始进行曲线拟合，代入数据确定参数，找到最终收缩值，并持续跟踪直到值稳定。对于高性能混凝土和含轻质骨料的配方，50天可能足够；对于含减缩剂的配方，90天可能更合适。

测试得出几个结论：减缩剂效果显著，与轻质骨料的协同作用最佳；仅用细骨料可能不足以减少长期收缩，需要更多骨料来辅助；可以通过ACI 209模型基于短期测量预测长期收缩，但我们仍在验证，计划跟踪更长时间的数据，可能3到10年。

未来的工作包括收集更多数据验证这一程序，深入理解干燥收缩的物理机制以改进模型，研究数学特征以优化测试停止时间，最终将模型应用于项目中，结合其他力学测试，制定收缩限值。

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