基于降低C30混凝土塑性開裂風(fēng)險的配合比調(diào)整試驗(yàn)研究*

彭丙杰，和德亮，羅小東，吳濤，胡順忠，楊勇

（1. 成都建工賽利混凝土有限公司，四川 成都 610015；2. 成都軍區(qū)善后工作辦公室，四川 成都 610000）

0 前言

混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，一般抗拉強(qiáng)度低、極限抗拉應(yīng)變小，并且普通混凝土具有應(yīng)變軟化的特性[1]。尤其是在終凝前，混凝土幾乎沒有強(qiáng)度，極易開裂。混凝土開裂后，裂縫寬度迅速加大，很快達(dá)到宏觀可見的水平，通常裂縫寬度大于 0.02mm。依據(jù)裂縫成因，可將裂縫分為兩大類，一類是荷載裂縫，一類是非荷載裂縫。大量工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，混凝土裂縫中，荷載裂縫所占比例僅為 20%，而非荷載裂縫比例卻高達(dá) 80%[2]。非荷載裂縫包括收縮裂縫、溫度裂縫等，此類裂縫出現(xiàn)的時間，存在典型的早齡期化，尤其是房建結(jié)構(gòu)中的水平構(gòu)件及大面積薄板結(jié)構(gòu)等，其早期塑性階段的失水收縮開裂，基本出現(xiàn)在 24h 內(nèi)，且較為普遍。同時，隨著大面積水平結(jié)構(gòu)連續(xù)施工的推廣，塑性開裂問題也越來越引起人們的重視。

對于塑性開裂的機(jī)理，學(xué)者們的觀點(diǎn)不一，試驗(yàn)方法也不盡相同[3-6]，其中 Wittmann 的毛細(xì)管壓力理論[3]得到了學(xué)術(shù)界的普遍支持。他認(rèn)為新拌混凝土表面逐步變干，使得固體顆粒之間的水與空氣界面形成毛細(xì)管彎液面，產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓，由于表面張力的作用，被毛細(xì)管水隔開的顆粒之間相互吸引產(chǎn)生應(yīng)力[7]，當(dāng)此力值超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時，即產(chǎn)生開裂。目前，針對此類塑性開裂采取的措施包括表面保濕養(yǎng)護(hù)、添加膨脹劑、添加減縮劑、添加纖維等。除保濕養(yǎng)護(hù)外，其他措施僅在一些特殊工程部位應(yīng)用，還未大面積推廣，究其原因，主要是控制技術(shù)有一定的難度。如膨脹劑的添加，需要進(jìn)行膨脹率的計算，但工程條件發(fā)生變化，以及施工過程發(fā)生變化，膨脹率的計算也就只能作為參考。因此，如何通過傳統(tǒng)混凝土配合比調(diào)整和原材料調(diào)整，從而降低開裂風(fēng)險，變得非常具有研究價值。

本文即通過研究骨料緊密堆積，降低骨料空隙率，從而降低漿體用量，以改善混凝土的抗裂性能?；炷林泄橇嫌昧康脑龆啵瑫鸬较拗茲{體位移的作用。通過降低膠漿用量來減少水泥的用量，以降低混凝土的整體水化熱，減小混凝土拌和物中自由水的損失速率，從而提高塑性抗裂性能。鑒于此，筆者通過連續(xù)級配粗骨料、兩級配骨料進(jìn)行試配，達(dá)到緊密堆積，保持水膠比不變，降低水泥用量等措施，研究骨料緊密堆積狀態(tài)下，混凝土拌和物塑性開裂性能的變化，確定既有配合比的調(diào)整方向和塑性失水開裂的高風(fēng)險期。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：試驗(yàn)采用四川亞東水泥廠有限公司P·O42.5R 水泥，具體性能見表 1。

表1 水泥物理指標(biāo)

（2）粗骨料：選用 5～31.5mm 連續(xù)級配碎石，以及 5～16mm 和 16～31.5mm 兩級配碎石以 1∶1 比例混合，產(chǎn)于周邊，具體性能見表 2。

表2 碎石物理指標(biāo)

（3）細(xì)骨料：采用兩種砂，產(chǎn)于成都周邊，具體性能見表 3。

表3 砂物理指標(biāo)

（4）摻合料：礦粉選用四川雙實(shí)建筑有限公司生產(chǎn)的 S75 級，粉煤灰選用濟(jì)鵬公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，具體性能見表 4。

表4 摻合料物理指標(biāo)

（5）減水劑：采用石家莊長安育才有限公司生產(chǎn)高性能聚羧酸減水劑，固含量 16.6%，減水率 27.9%。

1.2 試驗(yàn)方法

通過測試粗、細(xì)骨料空隙率，測得空隙率最小的搭配比例，同時，保持水膠比不變，容重不變，降低膠材用量。在滿足工作性和強(qiáng)度要求的前提下，依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，測試混凝土平板開裂風(fēng)險。

每條裂縫的平均開裂面積：

單位面積的裂縫數(shù)目：b=N/A

單位面積上總開裂面積：c=a·b

其中：

Wi——第 i 條裂縫的最大寬度，mm，精確到 0.01；

Li——第 i 條裂縫的長度，mm，精確到 1；

N——裂縫條數(shù)，條；

A——平板面積，mm2，精確到 0.01；

a——每條裂縫的平均開裂面積，mm2/條，精確到1；

b——單位面積的裂縫條數(shù)，條/mm2，精確到 0.1；

c——單位面積上總開裂面積，mm2/m2，精確到 1。

混凝土早期塑性開裂風(fēng)險等級，參照 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。同時，觀測平板混凝土的水分蒸發(fā)速率，以及第一條裂縫出現(xiàn)的時間，以評價裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險期。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)配合比的選定

平板試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，為 800mm×600mm×100mm，混凝土沉降和溫度應(yīng)力可忽略不計。本文針對混凝土塑性階段失水收縮的影響因素，進(jìn)行配合比調(diào)整。通過采用二級配碎石，降低碎石空隙率，增加骨料用量，減少膠漿用量，達(dá)到利用骨料來限制漿體失水收縮的目的。

依據(jù)前文措施，通過 36 組試驗(yàn)，不斷進(jìn)行配合比的微量調(diào)整，優(yōu)選出 4 組配合比，見表 5，其工作性和強(qiáng)度均較優(yōu)，見表 6、表 7 和圖 1、圖 2。

表5 C30 混凝土配合比

由表 6、表 7 和圖 1、圖 2 及可見，通過降低砂率，增加骨料用量，降低骨料空隙率，可以實(shí)現(xiàn)保持水膠比不變，降低膠材用量的目的，同時，保持坍落度、擴(kuò)展度和強(qiáng)度與基準(zhǔn)相當(dāng)。混凝土拌和物倒提流速隨著膠漿量的減少而變慢，DM4 流速最慢，達(dá)到 8.99s，但滿足施工要求。DM3 中水泥用量最少，倒提流速為5.63s，滿足泵送施工，并且對提高拌和物塑性抗裂性較為有利。因此，選擇采用連續(xù)級配碎石的 DM1 為基準(zhǔn)組，選擇采用二級配碎石的 DM3 為對比試驗(yàn)組（空隙率降低 7.4%，膠材降低 26kg）進(jìn)行平板開裂試驗(yàn)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度

表7 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

圖1 C30 混凝土拌和物性能

表6 C30 混凝土拌和物性能

2.2 混凝土初始流態(tài)對 DM1 和 DM3 平板開裂試驗(yàn)的影響

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能》規(guī)定進(jìn)行混凝土平板試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為10～22℃，相對濕度為 55%～65%，風(fēng)速 5m/s，觀測水分蒸發(fā)速率和裂紋發(fā)展情況。通過調(diào)整兩組配合比的擴(kuò)展度，驗(yàn)證不同流態(tài)下，DM1 和 DM3 抗裂性能的優(yōu)劣。

2.2.1 低流態(tài) DM1 和高流態(tài) DM3 的平板開裂性能

通過降低外加劑 0.1% 的摻量，將 DM1 擴(kuò)展度調(diào)整到 500mm，提高外加劑摻量 0.1%，將 DM3 擴(kuò)展度調(diào)整度 600mm，兩組混凝土均未泌水，其裂縫發(fā)展及失水速率見表 8、表 9 和圖 3。

由表 8、表 9 和圖 3 可見，兩組配合比混凝土拌合物自加水開始計時，均在第 4 個小時出現(xiàn)第一條裂縫，在第 4 小時和第 7 小時之間，裂縫快速發(fā)展。在第 9 小時后，裂縫趨于穩(wěn)定。失水速率亦有同樣的規(guī)律，由于 DM3 初始流態(tài)較大，其表面自由水較多，造成早期失水速率較快。同時，裂縫條數(shù)與裂縫面積均是 DM1大于 DM3。裂紋擴(kuò)展在第 9 個小時基本終止，此時，混凝土達(dá)到終凝，最終裂紋面積分別為 1257mm2和658mm2，DM1 裂紋面積幾乎是 DM3 的 2 倍。

圖3 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累計失水量 1

表8 裂縫和開裂面積 1

表9 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累計失水量 1 m2/kg

2.2.2 高流態(tài) DM1 和低流態(tài) DM3 的平板開裂性能

通過外加劑調(diào)整，提高 0.1% 摻量，將 DM1 擴(kuò)展度調(diào)整到 600mm，降低 0.1% 摻量，將 DM3 擴(kuò)展度調(diào)整度 500mm，兩組混凝土均未泌水，其裂縫發(fā)展及失水速率見表 10、表 11 和圖 4。

表10 裂縫和開裂面積 2

由表 10、表 11 和圖 4 可見，DM1 在第 4h 出現(xiàn)第一條裂縫，DM3 在第 3.5h 出現(xiàn)第一條裂縫，兩組配合比混凝土拌合物均在第 4～7h 裂縫快速發(fā)展，第 8h 后趨于穩(wěn)定。從裂紋的發(fā)展速度來看，采用兩級配碎石，降低膠材后，其裂紋發(fā)展速度較慢。由于，裂紋寬度測量存在較大誤差，所以，單從裂紋長度來看，基準(zhǔn)樣 DM1 裂紋長度和條數(shù)，在后期超過了 DM3，同時，兩組混凝土裂紋面積相差不大。并且，從失水速率來看，兩組配合比混凝土拌合物相差不大，DM1 略大于DM3，這和初始自由水含量有關(guān)系。

圖4 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累計失水量 2

2.2.3 相同流態(tài) DM1 和 DM3 的平板開裂性能

通過外加劑將混凝土拌和物擴(kuò)展度調(diào)整到一致，摻量均為 1.6%，擴(kuò)展度均為 500mm。同時，試驗(yàn)過程關(guān)閉風(fēng)扇，避免風(fēng)速不均勻造成的誤差。其裂縫發(fā)展及失水速率見表 12、表 13 和圖 5。

由表 12、表 13 和圖 5 可見，關(guān)掉風(fēng)扇后，水分蒸發(fā)較慢，持續(xù)觀測 11 個小時，未出現(xiàn)裂紋。24h 發(fā)現(xiàn)裂紋，但裂紋很細(xì)，并沒有貫通。采用兩級配骨料的混凝土僅出現(xiàn)了三條非常細(xì)的裂紋，裂紋寬度僅0.02mm，后期保濕養(yǎng)護(hù)，此種裂紋是可以恢復(fù)的?；鶞?zhǔn)樣出現(xiàn)的裂紋條數(shù)較多，但較短，裂紋最大寬度為0.1mm。

圖5 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累計失水量 3

表12 裂縫和開裂面積 3

表13 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累計失水量 3 m2/kg

?

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

新拌混凝土拌和物初始，表面水分較多，隨著水分的蒸發(fā)，不斷有自由水遷移到表面，此時，表面毛細(xì)孔水分處于飽和狀態(tài)，混凝土不會出現(xiàn)塑性開裂現(xiàn)象[8]。依據(jù)毛細(xì)孔負(fù)壓理論（P=2rcosθ/R)，當(dāng)混凝土表面水分蒸發(fā)速度大于自由水向表面的遷移速度時，毛細(xì)孔內(nèi)液面半徑 R 逐漸減小，接觸角 θ 逐漸變小，負(fù)壓力 P 逐漸增大。當(dāng)此負(fù)壓力增大到超過混凝土的極限拉應(yīng)力時，出現(xiàn)開裂。

前兩批次試驗(yàn)中，兩組配合比 DM1 和 DM3 的擴(kuò)展度差距較大。第一批次試驗(yàn)，DM1 擴(kuò)展度小于 DM3，相差 100mm。雖然，DM3 表面水分蒸發(fā)較快，但其整體自由水較多，接觸角 θ 在 4h 之前變化不大，同時，二級配骨料會限制漿體的部分位移，所以，DM3 裂紋面積遠(yuǎn)小于 DM1。

第二批次試驗(yàn)，DM3 擴(kuò)展度小于 DM1，相差100mm。DM3 水分蒸發(fā)速率略小于 DM1，說明 DM1自由水含量可能高于 DM3，并且 DM3 比 DM1 較早出現(xiàn)第一條裂縫，這也說明 DM3 提前達(dá)到了蒸發(fā)速率和水分遷移速率的失衡現(xiàn)象。但是，隨著裂紋發(fā)展可以看出，在第 6 和第 7 小時，兩者裂紋長度已相差不多，在24h時，DM1 裂紋長度已超過 DM3，這說明依據(jù)骨料緊密堆積設(shè)計的 DM3 配合比中，二級配碎石有阻裂效應(yīng)。同時，在試驗(yàn)過程中也觀察到，表面裂紋在遇到碎石時，裂紋出現(xiàn)長時間的停滯狀態(tài)。

第三批次試驗(yàn)，DM1 和 DM3 擴(kuò)展度相同，但是由于 DM3 膠漿量較少，所以，其自由水也相對較少，理論上，DM3 會首先達(dá)到水分蒸發(fā)速率和遷移速率的失衡。但在前 11h，均未開裂，說明二級配碎石起到了阻裂效果。24h 后，DM3 裂紋長度、條數(shù)和寬度，以及開裂面積均遠(yuǎn)小于 DM1。第三批次試驗(yàn)排除了風(fēng)速的影響，僅存在配合比上的不同，這說明通過降低骨料空隙率，減少膠漿用量，可以有效地改善混凝土的塑性抗裂性。

通過前文試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在有風(fēng)的影響下，塑性階段的失水收縮開裂高風(fēng)險期在混凝土拌和后 4～7h。同時，混凝土表面水分蒸發(fā)速度較快，并不代表其會提前開裂，關(guān)鍵是水分蒸發(fā)速率和遷移速率何時失衡[9]。二級配碎石在接近緊密堆積的情況下，可以起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，從而，降低了混凝土開裂的風(fēng)險。

依據(jù) JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》，對三次平板開裂試驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)險評價，見表 14。

表14 開裂風(fēng)險等級

由表 14 可見，在有風(fēng)影響的情況下，同一組配合比擴(kuò)展度 600mm 的開裂風(fēng)險大于擴(kuò)展度 500mm 的。無風(fēng)影響的情況下，開裂風(fēng)險小于有風(fēng)影響的情況。

不同配合比，降低膠材、降低骨料空隙率的開裂風(fēng)險小于高膠材、高骨料空隙率的開裂風(fēng)險。

通過前文分析，傳統(tǒng)配合比塑性抗裂風(fēng)險的調(diào)整，應(yīng)是降低骨料空隙率，增加骨料用量，降低膠漿量。同時，應(yīng)采取必要的措施，減少水分散失，保持混凝土表面水分蒸發(fā)與遷移速率相當(dāng)，即保持毛細(xì)孔負(fù)壓小于混凝土的極限拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

（1）采用二級配碎石，可降低骨料空隙率。通過調(diào)整二級配碎石搭配比例，空隙率可降低率 7.4%，降低膠材 26kg，和易性和強(qiáng)度與基準(zhǔn)相當(dāng)。在保證和易性的前提下，同一混凝土配合比高流態(tài)的開裂風(fēng)險低于低流態(tài)的開裂風(fēng)險。

（2）通過骨料緊密堆積，降低空隙率、降低 26kg膠材后，擴(kuò)展度 600mm 的混凝土塑性抗開裂風(fēng)險由L-Ⅱ降低到 L-Ⅲ。無風(fēng)影響下，擴(kuò)展度 500mm 的混凝土塑性抗開裂風(fēng)險由 L-Ⅳ 降低到 L-Ⅴ，抗裂效果顯著。

（3）同一配合比同一流態(tài)混凝土塑性失水開裂，取決于塑性階段表面水分蒸發(fā)速率和水分向表面的遷移速率。采取措施保持兩者的均衡，可有效降低開裂風(fēng)險。

（4）通過調(diào)整骨料級配，達(dá)到緊密堆積，碎石可阻礙和延緩裂縫的發(fā)展，可有效降低混凝土塑性失水開裂風(fēng)險，同時，塑性階段的失水收縮開裂高風(fēng)險期在混凝土拌和后 4～7h。