轻质、高性能是混凝土材料发展的永恒方向．本课题组采用内养护球形陶砂替换超高性能混凝土(UHPC)的石英砂，研制出了一种密度小于2 100 kg/m3、强度高于100 MPa、收缩小于3×10-4ε (ε为应变)、免蒸养的轻质超高性能混凝土(LUHPC)[1]，当应用于桥梁工程时能减小截面尺寸，显著降低结构自重，提高结构承载能力，应用前景非常广阔．目前，课题组已对LUHPC材料性能[1]、LUHPC梁抗弯性能[2]、抗剪性能[3]及LUHPC与钢筋的粘结性能[4]等开展了一系列试验研究，LUHPC徐变长期性能研究亟待开展．国内外学者已经开展了许多关于UHPC、超高强混凝土(UHSC)、高强混凝土徐变特性的研究[5-6]．文献[7]对不同钢纤维含量和不同水灰比的UHPC试件的徐变性能进行了试验研究，提出一种适用于UHPC的徐变模型．文献[8]研究了超低水灰比UHSC在早龄期加载下的徐变行为，根据试验结果提出一种计算UHSC徐变的修正模型．文献[9]将长期观测的混凝土收缩徐变试验结果与不同规范模型的计算结果进行对比分析，并对JTGD62-2004模型进行了修正．文献[10]对室内环境下普通及补偿收缩UHPC的收缩徐变特征进行了试验研究，并引入相应的修正系数对既有收缩徐变模型进行修正．从上述研究可知：对新型高性能混凝土材料开展徐变试验研究，拟合分析徐变试验数据，建立相应的高性能混凝土徐变模型，是材料应用于工程实际的前提条件．基于此，本研究考虑加载龄期和钢纤维体积掺量等参数，设计制作12组LUHPC棱柱体试件进行徐变和收缩参比试验，以明确对LUHPC徐变性能的影响规律，建立LUHPC徐变模型，为LUHPC材料在桥梁工程中的应用提供技术支撑．1 LUHPC徐变试验方案1.1　徐变试件设计试验以钢纤维体积掺量(2.0%，2.5%，3.0%)和加载龄期(7，28 d)为变量，共设计了12组LUHPC棱柱体试件，其中6组为徐变试件，6组为收缩参比试件，尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm，加载应力为40%的棱柱体轴心抗压强度．徐变试件分组见表1，表中编号说明如下：以C-07-2.0为例，C是Creep的首字母缩写，表示徐变试件；07-2.0表示试件的徐变加载龄期为7 d，钢纤维体积掺量为2.0%．10.13245/j.hust.230021.T001表1徐变试件分组试件编号试件个数钢纤维体积掺量/%加载龄期/d加载应力比C-07-2.032.070.4C-28-2.022.0280.4C-07-2.532.570.4C-28-2.522.5280.4C-07-3.033.070.4C-28-3.023.0280.41.2　LUHPC材料性能制备LUHPC的原材料主要如下．水泥：52.5级早强普通硅酸盐水泥．硅灰：需水量比为125%，烧失量为3.7%．粉煤灰微珠：需水量比为98%，比表面积为1 300 m2/kg，球体密度为2.32 g/cm3．减水剂：本研究采用上海三瑞聚羧酸高效减水剂，固含量为50%，减水率为28%．水：采用实验室自来水．陶砂：根据粒径范围可将陶砂分为粗陶砂(粒径为0.075~4.750 mm)和细陶砂(粒径为0.075~2.360 mm)，陶砂相关物理性能如表2所示．钢纤维：型号为CW01-02/13的微细镀铜短钢纤维，相关性能参数如表3所示．10.13245/j.hust.230021.T002表2陶砂相关物理性能陶砂类型破碎等级细度模数饱和吸水率/%表观密度/(kg∙m-2)堆积密度/(kg∙m-2)细陶砂8003.49.81 380765粗陶砂8004.411.01 32074510.13245/j.hust.230021.T003表3钢纤维性能参数纤维种类弹性模量/GPa公称长度/mm当量直径/mm断裂强度/MPa微细镀铜短钢纤维80~90130.252 000LUHP材料的配合比如表4所示，棱柱体轴心抗压强度由尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm的试件测量得到．当加载龄期为7 d、钢纤维体积掺量分别为2.0%，2.5%和3.0%时，LUHPC的棱柱体抗压强度分别为93.3，102.2和107.6 MPa；当加载龄期为28 d、钢纤维体积掺量分别为2.0%，2.5%和3.0%时，LUHPC的棱柱体抗压强度分别为118.1，124.0和128.0 MPa．10.13245/j.hust.230021.T004表4LUHPC材料的配合比钢纤维体积掺量/%水泥硅灰粉煤灰陶砂钢纤维水减水剂2.0810190200667160204342.53.08108101901902002006676672002402042043434kg/m3采用陶砂替代石英砂，使得LUHPC的表观密度与普通UHPC相比降低20%~30%．在搅拌和浇筑前须要对陶砂进行预湿至饱和面干状态，这样可当混凝土内部相对湿度下降时释放水分促进周围胶凝材料的水化，产生内养护效应，提高界面过渡区密实性；同时，由于钢纤维体积掺量较高，因此须利用专用筛网将钢纤维均匀地筛入搅拌机中．1.3　徐变加载测试方案由于混凝土长期变形测试数据包括收缩变形和徐变变形，因此当开展LUHPC徐变试验研究时也同步进行收缩参比试验，如图1所示．试验地点为恒温(20±2 ℃)和恒湿(60%±5%)的徐变室内．10.13245/j.hust.230021.F001图1徐变及收缩参比试验徐变试验设备采用武汉理工大学RCX-50弹簧式压缩徐变仪，其承受最大荷载为500 kN．每台徐变仪可同时测试1~2个试件，采用徐变仪上自带的力传感器监测轴向荷载；棱柱体高度中部200 mm标距段相对位移采用成量千分表来测量，千分表通过自主设计的变形测量装置对称布置在棱柱体的两个平行的侧面，取其测试结果的平均值．收缩试验在定制的立式收缩测量仪上进行．2 LUHPC徐变试验方案2.1　徐变系数计算徐变系数是国内外公认的衡量徐变大小的指标．徐变系数是指混凝土在τ时刻加载，到t时刻所发生的徐变应变εc(t,τ)与τ时刻弹性应变εc(τ)的比值，用符号φ(t,τ)表示，有φ(t,τ)=εc(t,τ)/εc(τ)；εc(t,τ)=(ΔLt-ΔL0)/Ld-εst，式中：ΔLt为t时刻测得的千分表读数；ΔL0为千分表初始读数；ΔLτ为当加载到预设应力时的千分表读数；Ld为测量标距，本试验中为200 mm；εst为同龄期的收缩应变．通过试验计算得到LUHPC在300 d内的徐变系数如表5所示，可以看出：LUHPC在300 d的徐变系数已趋于稳定，变化范围为0.6~0.9．10.13245/j.hust.230021.T005表5LUHPC在300 d内的徐变系数试验值试件编号1 d7 d14 d28 d60 d90 d120 d180 d270 d300 dC-07-2.00.1910.2310.2950.3940.5220.5940.6810.8140.8730.902C-28-2.00.0440.1190.1690.2380.3690.4690.5670.6650.7030.731C-07-2.50.1100.2250.2850.3760.5050.5870.6670.7780.8440.870C-28-2.50.0570.1240.1740.2390.3400.4370.5320.6270.6530.677C-07-3.00.0800.1840.2260.3120.4040.4760.5420.6710.7020.724C-28-3.00.0550.1270.1710.2350.3280.4130.4950.5820.6020.6222.2　加载龄期对LUHPC徐变系数的影响规律不同加载龄期下，LUHPC试件徐变系数随时间的发展规律如图2~4所示．由图可知：a．7和28 d龄期加载试件的徐变系数均在前期发展较快，其后发展速率逐渐放缓，当钢纤维体积掺量为2.0%，2.5%和3.0%时，7 d龄期加载试件在持荷90 d时的徐变系数达到了300 d时的65.9%，67.5%和65.7%，28 d加载龄期加载试件在持荷90 d时的徐变系数达到了300 d时的64.2%，64.5%和66.4%；b．加载龄期对LUHPC徐变特性的影响较大，加载龄期越小，徐变系数越大，当持荷为300 d时，与28 d加载的试件相比，7 d加载的三类试件的徐变系数分别增加了23.4%，28.5%和16.4%．10.13245/j.hust.230021.F002图22.0%掺量试件徐变系数随时间的变化10.13245/j.hust.230021.F003图32.5%掺量试件徐变系数随时间的变化10.13245/j.hust.230021.F004图43.0%掺量试件徐变系数随时间的发展变化混凝土水化作用需要一定的时间，不同加载龄期对应的混凝土水化情况直接影响后期的徐变结果．对于加载龄期为7 d的LUHPC试件，当加载时仍处于水化反应的早期，减水剂、活性粉末等的效应未被完全激活，混凝土内部结构致密性较差，凝胶微粒与与毛细管空隙之间还存在有较多的毛细管水和吸附水，当试件承受外部轴压荷载作用时，与28 d龄期加载的试件相比，混凝土的强度更低，且内部有更多的水分从高压力处流向低压力处及从水泥石中逸散出来，从而表现出更大的徐变变形．2.3　钢纤维体积掺量对LUHPC徐变系数的影响规律本试验采用的纤维是微细镀铜短钢纤维，具有高弹性模量且长度较短，当制备混凝土时可均匀分布在浆体中．由于钢纤维体积掺量对混凝土的徐变性能具有重要影响，因此对三种钢纤维体积掺量下的LUHPC 徐变系数进行对比分析，其徐变系数随时间的发展曲线如图5所示．10.13245/j.hust.230021.F005图5不同钢纤维掺量试件徐变系数随时间的变化从图5可以看出：随着钢纤维体积掺量的提高，LUHPC的徐变系数逐渐减小，在长期荷载作用下的变形更小，C-07-3.0和C-28-3.0组试件在300 d的徐变系数比C-07-2.0和C-28-2.0组试件减少了19.7%和14.9%．在混凝土在硬化过程中，由于收缩产生的应力、骨料等的沉降及水分的析出，会导致混凝土内部存在一些微裂缝，在徐变应力作用下，微裂缝范围进一步扩展．钢纤维具有较高的弹性模量，在增强材料的同时能够横跨在混凝土内部裂纹之间，起到桥接作用，通过减少裂缝尖端的应力集中抑制了徐变过程中微裂纹的发展和新裂缝的产生，从而限制了砂浆的进一步变形，使混凝土表现出更小的徐变变形．在一定掺量范围内，随着钢纤维体积掺量的增加，这种限制作用进一步加强．同时，钢纤维体积掺量的增加能够带来混凝土抗压强度的提升，而徐变与加载时混凝土的抗压强度成反比，这也是钢纤维能够减小LUHPC徐变变形的原因．3 LUHPC徐变模型的建立3.1　规范徐变计算模型在研究混凝土徐变性能的过程中，越来越多的徐变模型被提出．目前应用最广泛的混凝土徐变计算模型有CEB-FIP(1990)模型[11]、GL2000模型[12]、Realm B3[13]模型和ACI 209R(1992)模型[14]．为验证现有混凝土规范徐变模型对LUHPC徐变系数计算的适用性，对比分析上述四种徐变模型计算值与徐变系数试验值，具体见表6．10.13245/j.hust.230021.T006表6规范徐变模型计算值与试验值误差对比徐变模型90 d180 d300 dCEB-FIP(1990)153.0110.7111.0GL2000293.5224.7225.2Realm B3280.6283.8371.0ACI 209R(1992)262.7229.9200.3%由表中数据可以看出：现有规范的混凝土徐变模型对试件徐变系数的计算结果均大于实测结果，与试验值相差较大，不能用于LUHPC材料的徐变性能分析，须要根据试验数据提出LUHPC徐变模型．3.2　模型修正由于LUHPC在混凝土组成、制作工艺及性能上与普通混凝土存在明显差别，既有的混凝土徐变模型难以准确分析LUHPC徐变的发展情况，因此本研究基于我国规范采用的CEB—FIP(1990)模型[13]，建立LUHPC徐变模型，为LUHPC在桥梁工程上的大规模应用提供依据．由试验结果可知：LUHPC的28 d抗压强度超过100 MPa，强度相比于普通混凝土提升很多，徐变变形与加载时LUHPC的抗压强度成反比，因此在我国现行规范[15-16]中的徐变模型(CEB—FIP(1990)模型[13])引入抗压强度影响系数kα，考虑混凝土强度的影响修正徐变模型；同时，钢纤维的加入能够限制LUHPC徐变过程中微裂缝的发展和新裂纹的产生，在很大程度上提高了混凝土抵抗徐变变形的能力，因此在模型中引入钢纤维掺量影响系数kβ．修正后的LUHPC徐变模型为φ(t,t0)=φ0kββc(t-t0)kα；kα=λfco；kβ=η；βc(t-t0)=(t-t0)βH+(t-t0)0.3；βH=150[1+(1.2RH/RH0)18]h/h0+250≤1 500，式中：fco为当加载龄期为t0时混凝土的轴心抗压强度；λ和η均为常数；φ(t,t0)为加载龄期为t0，计算时间为t的徐变系数；φ0为名义徐变系数；βH为与环境相对湿度相关的系数；βc(t-t0)为加载后徐变随时间的发展系数；h为构件的理论厚度；h0=100 mm；RH为周围环境相对湿度；RH0=100%．利用数据回归统计分析徐变试验结果，得到每一组试验数据的抗压强度影响系数kα和钢纤维影响系数kβ，再通过最小二乘法线性拟合得到λ=0.018，η=0.3．对比分析不同徐变模型计算值与徐变试验值，如图6所示．从图6可以看出：LUHPC徐变模型值与试验实测值符合较好，300 d的平均误差仅为6.6%．因此，本研究建立的LUHPC徐变模型计算精度高，能够较为准确反映LUHPC的徐变发展规律．10.13245/j.hust.230021.F006图6不同模型精度对比分析4 结论a．当持荷为300 d时，LUHPC的徐变系数变化范围为0.6~0.9，且徐变在前期发展较快，90 d的徐变系数可达到300 d的64%以上，300 d时徐变已趋于稳定．b．加载龄期对LUHPC徐变性能的影响较大，加载龄期越大，LUHPC徐变越小．当钢纤维体积掺量为2.0%，2.5%和3.0%时，7 d龄期加载试件在持荷300 d的徐变系数比28 d龄期加载试件分别增加了23.4%，28.5%和16.4%．c．钢纤维体积掺量的增加可以提高LUHPC抵抗徐变的能力，钢纤维体积掺量越高对徐变的抑制作用越明显．当钢纤维体积掺量从2.0%增加到3.0%时，7和28 d龄期加载试件的300 d徐变系数分别减小了19.7%和14.9%．d．基于CEB-FIP(1990)模型和LUHPC徐变试验数据，引入抗压强度影响系数kα和钢纤维掺量影响系数kβ，建立了LUHPC徐变模型．当持荷为300 d时，模型的计算误差仅为6.6%，验证了本研究LUHPC徐变模型的准确性，为LUHPC材料在桥梁工程中的应用提供了计算依据．