混凝土收縮開(kāi)裂性能控制研究

左俊卿 房霆宸 陳逸群 季京安 周 虹

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2.上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080；3. 上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司 上海 200086

混凝土是應(yīng)用最廣泛的一種建筑材料。在建筑工程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)受到水泥水化作用會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力[1]。在水泥水化過(guò)程中，熱應(yīng)力、水分?jǐn)U散與干燥收縮同時(shí)進(jìn)行，熱脹冷縮引起的體積變化和收縮產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生微裂縫、裂紋和結(jié)構(gòu)損傷[2]。然而，這些微裂縫可能不會(huì)立即降低混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，但會(huì)使外部有害物質(zhì)更容易進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[3]。

同時(shí)，根據(jù)ACI-116要求，對(duì)于一些大體積的混凝土構(gòu)件，如混凝土基礎(chǔ)、混凝土梁和混凝土柱等，應(yīng)采取特殊的措施以緩解水泥水化產(chǎn)生的熱應(yīng)力。因此，研究混凝土早期抗裂性能，以及如何提高混凝土早期抗裂性能并保證混凝土的耐久性，已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土工程技術(shù)中亟待解決的問(wèn)題。

目前，混凝土早期抗裂問(wèn)題已經(jīng)成為水泥基材料領(lǐng)域中最普遍的技術(shù)難題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者圍繞著混凝土早期裂縫開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，不斷探索提高混凝土早期抗裂性能的有效措施和方法。其中，在混凝土中添加膨脹劑、減縮劑和纖維材料是最重要的途徑。

大量研究表明，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，有利于增強(qiáng)混凝土的抗裂性能[4]。膨脹劑的摻入會(huì)引起水泥漿體體積的膨脹，抵消混凝土早期部分的收縮[5]。減縮劑（SRA）是一種新型的抑制混凝土早期開(kāi)裂的外加劑，Soliman等人[6]的研究證實(shí)SRA的摻入減少了超高性能混凝土早期收縮。

由上述可知，膨脹劑、減縮劑和聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期抗裂性能均有改善作用，但目前關(guān)于三者改善效果優(yōu)良對(duì)比的研究比較缺乏。因此，本文采用平板試驗(yàn)法對(duì)比研究了膨脹劑、減縮劑和纖維材料對(duì)混凝土早期抗裂性能的改善效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本文采用P.O 42.5水泥，其密度和比表面積分別為3.15 g/cm3和350 m2/kg。礦物摻合料主要包括Ⅱ級(jí)粉煤灰（FA）和S95礦粉（MP）。細(xì)骨料為構(gòu)件五廠水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.4，含泥量＜0.5%，泥塊含量0，大于5 mm顆粒含量＜1%。粗骨料為人工碎石，粒徑為5～20 mm，堆積密度為1 450 kg/m3。外加劑為803外加劑，SBT-SRA（Ⅰ）混凝土減縮劑，膨脹劑采用HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑和DENKA HP-CSA。纖維采用聚丙烯纖維（polypropylene fiber，PP）。水為自來(lái)水。試驗(yàn)所用膠凝材料的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為研究膨脹劑、減縮劑和聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期開(kāi)裂的影響，本文設(shè)計(jì)了三種體系的混凝土：Mix-Ⅰ，HP-CSA和HME-V分別為20 kg/m3和34.4 kg/m3；Mix-Ⅱ，減縮劑摻量分別為1%和2%；Mix-Ⅲ，聚丙烯纖維的摻量分別為0.1%和0.2%?；炷林兴z比為0.37，膠凝材料的總量為430 kg/m3，砂率為0.43。具體的混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì) 單位：kg/m3

1.3 試驗(yàn)方案

本研究采用了平板試驗(yàn)方法，以反映在四邊約束條件下混凝土早期開(kāi)裂的情況。根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，本試樣所采用的模具尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，如圖1所示。

圖1 平板試樣模具示意

混凝土攪拌好后分2層進(jìn)行插搗振實(shí)，待成形后將試樣置于密封條件下養(yǎng)護(hù)2 h，然后將試樣放置在溫度（20±1）℃、相對(duì)濕度（60±5）%、風(fēng)速0.8 m/s的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間：養(yǎng)護(hù)初期5 min觀察一次；當(dāng)出現(xiàn)裂縫后，觀察時(shí)間為10 min/次；待裂縫發(fā)展穩(wěn)定后，每隔30 min記錄一次；養(yǎng)護(hù)3 d后，觀察時(shí)間為0.5 d/次。利用放大倍數(shù)為50的顯微鏡讀數(shù)并記錄裂縫寬度最大的數(shù)據(jù)（圖2），其他還包括試樣裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度。

圖2 裂縫測(cè)寬儀讀數(shù)示意

1.4 抗裂性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

混凝土的平均開(kāi)裂面積、單位面積的裂縫數(shù)目和單位面積上的總開(kāi)裂面積根據(jù)其澆筑24 h后測(cè)量得到的裂縫數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：Wi——第i條裂縫的最大寬度，mm；

Li——第i條裂縫的長(zhǎng)度，mm；

N——總裂縫數(shù)量；

A——試樣的表面積，取0.48 m2；

a——每條裂縫的平均開(kāi)裂面積，mm2/條；

b——單位面積的裂縫數(shù)目，條/m2；

c——單位面積上的總開(kāi)裂面積，mm2/m2。

本文根據(jù)每條裂縫的平均開(kāi)裂面積、單位面積的裂縫數(shù)目和單位面積上的總開(kāi)裂面積對(duì)混凝土的抗裂性能等級(jí)進(jìn)行劃分[7]。

試件早期的開(kāi)裂敏感性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下：①僅有非常細(xì)的裂紋；②平均開(kāi)裂面積＜10 mm2；③單位面積裂縫數(shù)目＜10條/m2；④單位面積上的總裂開(kāi)面積＜10 mm2/m2。按以上4個(gè)準(zhǔn)則，將開(kāi)裂敏感性劃分為5個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)——全部滿足上述4個(gè)條件；Ⅱ級(jí)——滿足上述4個(gè)條件中的3個(gè)；Ⅲ級(jí)——滿足上述4個(gè)條件中的2個(gè)；Ⅳ級(jí)——滿足上述4個(gè)條件中的1個(gè)；Ⅴ級(jí)——1個(gè)條件也不滿足。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3給出了7個(gè)試樣混凝土表面裂縫的狀況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，減縮劑、膨脹劑和聚丙烯纖維的摻入均減少了混凝土早期裂縫的數(shù)量。對(duì)于含減縮劑混凝土而言，隨著SRA摻量的增加，混凝土早期抗裂性能逐漸增強(qiáng)，含2%SRA試樣的裂紋數(shù)量雖然增加至2條，但其裂紋寬度明顯減?。粚?duì)比HP和HME膨脹劑可以發(fā)現(xiàn)，HME對(duì)混凝土早期抗裂性能的提高效果更加顯著，表面未觀察到明顯的微裂紋。隨著聚丙烯纖維的摻入，混凝土表面裂紋數(shù)量進(jìn)一步減少，其中含0.2%PP試樣的表面基本上無(wú)微裂紋。通過(guò)混凝土表面裂紋的變化可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維的改善效果最優(yōu)，其次是膨脹劑，減縮劑的改善效果最弱。

圖3 混凝土表面裂縫的實(shí)物

混凝土早期開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，與基準(zhǔn)組相比，無(wú)論是摻入減縮劑、膨脹劑還是聚丙烯纖維，其對(duì)混凝土的平均開(kāi)裂面積、單位面積的裂縫數(shù)目和總開(kāi)裂面積總體上均有明顯的改善作用。C＋1%SRA試樣每條裂縫的平均開(kāi)裂面積高于基準(zhǔn)組，這是因?yàn)榛炷帘砻鎯H存在一條較長(zhǎng)的裂紋，但是其他指標(biāo)均明顯低于基準(zhǔn)組。C＋2%SRA試樣的a、b和c指標(biāo)與基準(zhǔn)組相比分別降低了95%、60%和98%，這是因?yàn)镾RA分子吸附在水和空氣界面，降低其表面張力，促進(jìn)混凝土孔隙內(nèi)部的毛細(xì)管負(fù)壓下降，導(dǎo)致混凝土收縮降低。同時(shí)，SRA還會(huì)降低混凝土孔溶液的離子濃度并調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度，這對(duì)降低混凝土收縮均有積極作用[8-9]。通過(guò)將膨脹劑試樣和基準(zhǔn)組對(duì)比可知，膨脹劑的摻入，使混凝土開(kāi)裂性能進(jìn)一步增強(qiáng)。其中C＋HME試樣的效果更好，試樣的a、b和c指標(biāo)與基準(zhǔn)組相比分別降低了96%、80%和99%，其機(jī)理為：在混凝土早期，膨脹劑的摻入增加了孔隙溶液中堿離子、氫氧根離子和硫酸根離子的濃度，促進(jìn)鈣離子的溶出，形成更多氫氧化鈣和鈣礬石晶體，使混凝土基體出現(xiàn)膨脹效應(yīng)，抵消部分混凝土收縮[10]。

表3 混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

與上述結(jié)果相似，含聚丙烯纖維混凝土的早期抗裂性能更優(yōu)，并且隨著聚丙烯纖維摻量的增加，其改善效果逐漸增強(qiáng)。C＋0.2%PP試樣的a、b和c指標(biāo)與基準(zhǔn)組相比分別降低了97.2%、80%和99.4%，這主要?dú)w因于聚丙烯纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度，與混凝土基體具有良好的黏結(jié)性，有效抑制原生裂縫的擴(kuò)展，在混凝土中起到橋接的作用[11]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著減縮劑、膨脹劑和聚丙烯纖維的摻入，混凝土的最大裂縫寬度、單位面積內(nèi)的裂縫數(shù)量均顯著減少，混凝土的早期收縮開(kāi)裂性能得到顯著的改善。綜合抗裂性指標(biāo)來(lái)看，C＋0.2%PP＞C＋HME＞C＋0.1%PP＞C＋2%SRA＞C＋HP＞C＋1%SRA＞C0。減縮劑的改善機(jī)理歸因于降低了孔隙毛細(xì)管壓力和孔溶液的離子溶度以及調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度。膨脹劑對(duì)混凝土早期表現(xiàn)出良好的膨脹效應(yīng)，抵消混凝土早期的部分收縮。另外，聚丙烯纖維的增強(qiáng)作用是因?yàn)槔w維能有效抑制原生裂縫的擴(kuò)展，在混凝土中起到橋接的作用。

裂縫控制的優(yōu)劣直接影響到大體積混凝土澆筑的成敗。除了在材料上采取優(yōu)化大體積混凝土配合比、控制混凝土水膠比、增加粉煤灰的摻量、減少水泥用量等措施外，在施工方面也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地布置，綜合考慮大體積混凝土使用量、澆搗時(shí)間、混凝土攪拌車(chē)停放及運(yùn)輸?shù)缆?、泵?chē)布置等因素，合理確定澆搗路線及方案。在大體積混凝土養(yǎng)護(hù)方面采用2層薄膜、2層麻袋保溫養(yǎng)護(hù)，可滿足溫控及防裂要求。在養(yǎng)護(hù)階段，薄膜、麻袋邊緣要搭接好，不允許漏縫。大體積混凝土不僅要保溫，還要注意保濕，以減小混凝土的收縮，特別是高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土前期收縮較大。在混凝土終凝后，保溫薄膜應(yīng)及時(shí)覆蓋，盡快形成保溫保濕養(yǎng)護(hù)環(huán)境。在混凝土初終凝階段，采用兩次抹面技術(shù)，消除表面裂縫。