耐久性混凝土收縮因素研究

■ 暢亞文 劉廣利 許開萍

1 概述

武廣高速鐵路建設中大量采用耐久性混凝土技術，其中混凝土結構物種類、數量大部分都是大體積結構。在施工中防止混凝土發生收縮，避免形成裂縫，導致混凝土開裂從而嚴重影響混凝土結構物耐久性尤為重要。

武廣高速鐵路使用的混凝土配合比設計具有以下特點：（1）由于混凝土耐久性的需要，對原材料的品質要求在現行行業標準基礎上有所提高。（2）增加了抗裂性對比試驗。要求進行配合比間的抗裂性能對比試驗，以選擇在標準條件下抗裂性能相對較好的配合比用于施工。（3）增加了在各種環境作用下耐久性的要求，混凝土配合比設計周期經常要比以往長1～2個月。

在保證混凝土質量的前提下，混凝土配制時鼓勵采用較少的水泥用量、摻用較多的摻和料、采用較低的水膠比?！惰F路混凝土工程施工質量驗收補充標準》和《客運專線耐久性混凝土暫行技術條件》等對此做出要求：（1）C30及以下混凝土的膠凝材料總量高于400 kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3；（2）為提高混凝土的耐久性，改善施工性能和抗裂性能，混凝土中宜適量摻加優質粉煤灰、礦渣粉或硅灰等礦物摻和料，不同礦物摻和料的摻和數量應根據混凝土性能通過試驗確定。

2 影響混凝土收縮因素試驗研究

混凝土收縮一般采用線形試件測量全部長度內的平均變形值。為探討混凝土收縮的影響因素，按照GBJ 82—1985規定的混凝土干燥收縮標準方法，設計了不同細骨料細度模數、不同砂率、不同粉煤灰摻量的混凝土對比試驗，從中找出影響混凝土收縮的因素，以有效指導實際施工。

2.1 細度模數的影響

不同細骨料細度模數混凝土配合比見表1。對比試驗配合比相同，其中細骨料細度模數：ss-1為2.8，ss-2為3.3，ss-3為2.3，其他原材料相同。

不同細度模數對應收縮值見表2。

試驗數據可見，如果細骨料細度模數增加，混凝土收縮量則減小。細度模數為2.8的混凝土比細度模數為3.3的混凝土120 d的收縮量增加了4%，細度模數為2.3的混凝土相對另外2種混凝土120 d的收縮量增幅較大（比細度模數為2.8的混凝土增加了11.9%，比細度模數為3.3的混凝土增加了16.5%）。

表1 不同細度模數混凝土配合比 kg

表2 不同細度模數的混凝土收縮值 0.01 mm

理論上講，混凝土收縮主要是水泥石的收縮，骨料對水泥石的收縮起內約束作用?；炷粮鞣N原材料之間相互形成最密實的形態時，混凝土的施工性能、強度及收縮性能方可達到最佳。通常混凝土配合比具有骨料的總空隙填充系數大于100%、砂漿體積大于石子空隙含量的基本特點。當混凝土各組成材料用量不變，連續改變砂的細度模數時，實際上已造成混凝土骨料堆砌體空隙率和比表面積的連續變化，膠凝材料漿體體積不足以填充骨料空隙，混凝土不能完全密實，宏觀表現為細度模數越小，混凝土收縮越大。

2.2 砂率的影響

不同砂率的混凝土配合比見表3。ss-8的砂率為0.37，ss-1的砂率為0.42，ss-9的砂率為0.47。砂的細度模數確定為2.8，其他原材料相同。

不同砂率所對應的混凝土收縮值見表4。從試驗數值可見，混凝土的收縮隨砂率的增大而增大。ss-9的120 d收縮值最大，比ss-1增加了5.0%，比ss-8增加了11.6%，而ss-1比ss-8的120 d收縮值也增加了6.3%。

水泥石和集料的界面并不是一個“面”，而是一個有一定厚度的“過渡層”，其厚度為0～10μm?！斑^渡層”是水泥漿體中的水向集料表面遷移方向形成水灰比的梯度而產生的。從集料表面向水泥石體系，水灰比逐漸減小，直至達到水泥石本體水灰比。其他條件相同時，單個集料和漿體界面過渡層厚度隨集料表面積的大小而變化，粒徑小的集料過渡層厚度小。按照中心質假說，各級中心質和介質之間都存在過渡層，中心質以外所存在的組成、結構和性能的變異范圍都屬于過渡層?；炷恋募蠈儆诖笾行馁|，大中心質對周圍介質所產生的吸附、化合、機械咬合、黏結、稠化、強化、晶核作用、晶體取向、晶體連生等一切物理、化學、物理化學效應均稱為大中心質效應，效應所能達到的范圍稱為“效應圈”，“過渡層”是“效應圈”的一部分。有利的中心質效應不僅可改善“過渡層”的大小和結構，而且能使“效應圈”中的大介質在不同程度上具有大中心質的某些性能；增加有利效應，減少不利效應，對改善混凝土的宏觀行為發揮重要作用。

集料用量一定情況下，砂率較小時，粗集料含量較大，由于集料表面積較大而使“過渡層”變厚，雖然較厚的“過渡層”存在較多的薄弱環節，但其破壞作用由于較大中心質的有利效應而得到抑制，宏觀上表現為混凝土收縮裂縫相對較小。隨著砂率的增大，粗集料減少，粗集料的抑制作用減弱，表現為所測的塑性收縮裂縫面積有增大趨勢。

2.3 粉煤灰摻量的影響

不同粉煤灰摻量混凝土配合比見表5?？偟哪z凝材料不變，ss-1、ss-10、ss-11和ss-12的粉煤灰摻量分別為0、10%、20%和30%，其他原材料相同。

不同粉煤灰摻量所對應的混凝土收縮值見表6。從試驗結果可以看出，混凝土中摻加粉煤灰對混凝土的收縮起到抑制作用，抑制效果隨粉煤灰摻量的增加而增加。粉煤灰摻量為10%時，混凝土收縮值比基準混凝土收縮減小5.0%，粉煤灰摻量達到20%時，收縮量減小14.9%，抑制效果比較明顯。同時也發現粉煤灰摻量達30%時，相對20%摻量的收縮量減小不很明顯。

粉煤灰水化也是一個放熱反應，但其單位放熱量明顯低于水泥，因此摻粉煤灰的混凝土水化熱明顯低于不摻的混凝土，即降低了混凝土內的溫度梯度，減小了混凝土收縮的驅動力，從而降低了收縮值。另外，毛細孔孔徑越小，漿體內部相對濕度越低，毛細管負壓就越大，引起的自收縮就越大。由于粉煤灰具有微集料效應，即粉煤灰細微顆粒均勻分散到水泥漿體中，成為大量水化物沉積的核心，隨著水化齡期的進展，這些細微顆粒及其水化產物填充水泥孔隙，改善了混凝土的孔結構，從而降低了混凝土的收縮值。

表3 不同砂率混凝土配合比 kg

表4 不同砂率的混凝土收縮值 0.01 mm

表5 不同粉煤灰摻量混凝土配合比 kg

3 C50梁體混凝土收縮試驗研究

武廣高速鐵路XXTJⅡ標橋梁梁體設計絕大部分都是混凝土標號C50、跨度達30余m、自重達900 t以上的簡支箱梁。一片C50箱形梁混凝土用量達300余m2，斷面最小尺寸達3 m，屬于典型的大體積耐久性混凝土，是高速鐵路橋梁的關鍵構件，其耐久性直接關系到橋梁的使用壽命。為保證箱形梁施工階段不出現裂縫，對箱形梁的C50混凝土收縮現象進行檢測和分析。

4種不同配合比（見表7）的C50耐久性混凝土收縮值見表8。測試結果表明：幾種摻加高效減水劑和活性礦物摻和料的混凝土的收縮量變化范圍不大，在0.14%～0.16%。在減小骨料最大粒徑、摻加活性礦物摻和料替代水泥、摻加高效減水劑降低單位用水量等有利因素的共同作用下，防止混凝土收縮的效果較好，值得在工程中推廣使用。

同時，試驗結果也反應了高標號、大體積混凝土收縮的某些規律。假定120 d收縮值為混凝土的全部收縮量，各時間段混凝土收縮的百分比見圖1?？梢?，4種混凝土第1天的收縮量都很大，超過全部收縮量的50%，值得注意。

混凝土內部結構組分分子間的距離，隨溫度變化產生體積收縮而引起裂縫。混凝土中水泥和水發生水化反應時放出水化熱，在絕熱狀態下，每100 kg水泥水化放出的水化熱可使混凝土升溫10～12 ℃。在水灰比較低情況下，混凝土中水泥水化放出的熱量較多，混凝土溫度會升得更高，再加上骨料的初始溫度，可使混凝土內部的最高溫度達到70～80 ℃，水化進行得更快，混凝土很快失去可塑性。而混凝土又是熱的不良導體，在硬化初期，混凝土內部因溫度很高而體積膨脹，外部隨氣溫降低而收縮。本試驗C50混凝土雖然使用部分活性礦物料代替水泥，但低于0.35的水膠比依然使單位體積混凝土中水泥用量顯得偏高，而水泥用量越大，在混凝土凝結硬化中水泥水化放出的熱量越多，溫升就越快，混凝土內外溫度越懸殊，表面越容易出現收縮，因此，高強耐久性混凝土在施工后的1～3 d內收縮現象較明顯。

試驗結果表明：摻入活性礦物摻和料可大幅降低耐久性混凝土的自收縮。摻量不超過20%時，其降低值隨摻量的增大而增大；摻量超過20%時，降低作用并不明顯。4組混凝土配合比活性礦物摻和料摻量在35%以上，從試驗數據看，幾組混凝土收縮總量確實沒有太大差別。值得注意的是，ss-5配合比水泥用量最小，其1 d收縮量比其他幾組低10%以上；ss-4的水泥用量最大，其1 d收縮量比ss-5大16%，比ss-6和ss-7大10%?；钚缘V物摻和料在水泥漿體系中的水化非常緩慢。在相同水膠比條件下，用粉煤灰替代部分水泥相當于增大早期有效水灰比。因此粉煤灰可降低混凝土內部的早期自干燥速度，顯著降低早期自收縮。而且由于減少了水泥用量，也在相當大程度上降低了混凝土的水化熱，減小了溫度收縮。后期粉煤灰的繼續水化使水泥石內部自干燥程度提高，但此時混凝土已有較高的彈性模量和很低的自徐變系數，在相同自干燥程度下，產生的自收縮同早期相比要小得多。因此，大摻量活性礦物摻和料代替部分水泥用量，降低早期水化熱，對于降低混凝土早期收縮也有較大貢獻。

表6 不同粉煤灰摻量的混凝土收縮值 0.01 mm

表7 4種C50混凝土配合比 kg

表8 4種C50混凝土收縮值 0.01 mm

4 結論

通過一系列試驗分析和實際施工效果觀察，總結出減小混凝土收縮、提高混凝土耐久性的規律：

（1）混凝土配合比設計時，在滿足相關技術要求的同時，細骨料盡量選擇級配良好、質量優良、平均粒徑較大的中粗砂，從而降低混凝土的干縮，對混凝土的收縮控制具有重要作用。

（2）混凝土砂率對混凝土的收縮有著重要影響。配合比設計時，在滿足混凝土工作性能的情況下，盡量選擇較低的砂率。

（3）混凝土配合比中摻加粉煤灰等活性礦物摻和料以替代水泥用量，可有效降低混凝土收縮。且粉煤灰的大量摻加可顯著降低混凝土的早期水化放熱，從而緩解水化熱對混凝土的不利影響。

另外，在大量的施工實踐中，總結出比較有效的抵抗混凝土收縮變形的方法：

（1）在混凝土尤其是大體積混凝土關鍵部位增設加強鋼筋或鋼筋網。在溫度收縮應力較大的現澆板中，表面布置雙向溫度收縮鋼筋等。某些構造物伸縮縫的間距雖然符合規范要求，但由于施工周期長，又是暴露在大氣中的露天結構，故在結構中斷面薄弱處、應力集中處宜采取加強措施，實踐證明在混凝土結構物關鍵部位增設加強鋼筋或鋼筋網可有效減少混凝土體積收縮，防止裂縫產生。

（2）盡量縮短混凝土澆筑與開始養護時間。初凝后立即養護可有效抑制耐久性混凝土的早期自收縮。為減小混凝土構件的內外溫差，混凝土澆筑后及時（從初凝開始）水養護或密封養護（即在混凝土澆筑后覆蓋塑料薄膜，待混凝土初凝后拆開塑料薄膜，用木抹子搓表面兩遍后，在表面噴涂養護劑，再覆蓋塑料薄膜和保溫材料，待終凝后再灑水養護），以控制混凝土的降溫速度。養護時應根據混凝土種類、環境溫度、濕度等確定養護時間。水灰比低的應及時給予補水養護，但養護時間可以短一些；水灰比很大時，自由水分多，養護可待初凝后開始，但養護時間要長一些；在相對濕度較大的潮濕地區，濕養的影響不大，但養護時間要長，才能使其滲透性穩定；摻用礦物摻和料的混凝土，由于摻和料的二次水化反應進行較慢，故養護時間要長一些。

總之，為了防止混凝土收縮，提高混凝土的耐久性，混凝土施工中，應從原料選擇、配合比設計、施工及養護等方面加強管理，嚴格操作規程，控制混凝土收縮，確?；炷临|量。

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