外加劑對(duì)橋梁混凝土干縮性能的影響分析

馬 迪

（邯鄲市交通運(yùn)輸局公路工程一處，河北 邯鄲 056000）

橋梁結(jié)構(gòu)在公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛，是交通工程的樞紐，加之我國(guó)幅員遼闊，江河湖泊縱橫交錯(cuò)，因此至20世紀(jì)末我國(guó)的橋梁建造技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。但是混凝土的碳化、氯離子侵蝕等導(dǎo)致混凝土橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，使得橋梁耐久性不足，造成了很大的損失，超過(guò)了人們的預(yù)期，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為嚴(yán)重的財(cái)政負(fù)擔(dān)。美國(guó)1984年的調(diào)查表明，現(xiàn)役的57.5萬(wàn)座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須做修復(fù)與加固處理，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億元[1]；1988年報(bào)道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi)用每年需要2 500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)用為1 550億美元。我國(guó)北方地區(qū)許多的橋梁使用不到10年就普遍出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象。北京西直門立交橋投入使用僅19年，就因?yàn)閲?yán)重侵蝕和鋼筋銹蝕破壞等原因于1999年報(bào)廢重建。因此提高橋梁混凝土的抗裂性是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵。本文主要研究外加劑對(duì)橋梁混凝土干縮性能的影響。

1 原材料選擇

1.1 水泥

水泥的技術(shù)性能對(duì)于橋梁混凝土抗裂性的影響非常大，應(yīng)該選用質(zhì)量穩(wěn)定、水化熱低、含堿量較低的水泥。本試驗(yàn)選用普通硅酸鹽水泥（42.5R），其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥的技術(shù)性質(zhì)

1.2 粗集料

混凝土所用粗集料為天然卵石；預(yù)制橋面板、塔柱及山坡展線橋使用的粗集料是由天然碎石和卵石破碎石按一定比例搭配而成。應(yīng)嚴(yán)格控制粗集料的含泥量，如果含泥量大，不僅會(huì)增加混凝土的收縮，還會(huì)降低橋梁混凝土的抗拉強(qiáng)度，對(duì)橋梁混凝土的抗裂性非常不利。

1.3 細(xì)集料

細(xì)集料為天然砂及砂礫，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.4 外加劑

外加劑可以有效改善混凝土的各項(xiàng)性能。引氣劑被認(rèn)為是目前提高混凝土抗凍性能的最常用和最有效的辦法之一。加入引氣劑能產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定、封閉、互不連通的微小氣泡，避免了毛細(xì)管道的形成，改善了混凝土的抗凍耐久性?？?jié)B性方面，對(duì)混凝土的“引氣”與其偶然截留的空氣不同，引氣產(chǎn)生的氣泡直徑數(shù)量級(jí)約為0.05mm，而偶然截留的空氣形成的氣泡要大得多。引氣后可在水泥漿中形成彼此分離的孔隙，因此不會(huì)形成連通的透水孔道，從而降低了混凝土的滲透性能。

高效緩凝減水劑在保證混凝土強(qiáng)度指標(biāo)不變的條件下，經(jīng)濟(jì)有效地改善了新拌混凝土的和易性，滿足高塔泵送要求?？梢?jiàn)，外加劑的加入將有效改善混凝土的工作性和耐久性。

高效緩凝減水劑的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。引氣劑的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 高效緩凝減水劑的技術(shù)指標(biāo)

表3 引氣劑的技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

每組混凝土配比成型三個(gè)混凝土試件，其中兩個(gè)用于測(cè)試混凝土1～7d由干燥失水引起的變形；另一個(gè)用于測(cè)量1～7d內(nèi)的水分蒸發(fā)量。干燥收縮試驗(yàn)裝置由三部分組成，包括千分表、測(cè)試夾具及混凝土試件，其中試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下：

a）按標(biāo)準(zhǔn)方法拌合混凝土，澆筑并振實(shí)；

b）混凝土試件成型好后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，1d后立即拆模（也可以在室溫下用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋以防止水分過(guò)快蒸發(fā)）；

c）將混凝土試件移入恒溫恒濕室內(nèi)，架設(shè)千分表進(jìn)行測(cè)試；

d）測(cè)試過(guò)程中，前3d每隔2h進(jìn)行讀數(shù)并測(cè)定混凝土試件的質(zhì)量變化，3d后每隔4h進(jìn)行一次測(cè)量；

e）測(cè)試期間，保持恒溫恒濕室內(nèi)的溫度及濕度恒定，以橫向?qū)Ρ炔煌牧辖M成的混凝土的自由收縮值。

3 試驗(yàn)分析

3.1 減水劑

在混凝土中摻入高效緩凝減水劑，減水劑的分散作用破壞了膠凝材料的絮凝結(jié)構(gòu)，增加了混凝土內(nèi)自由水的比例，從而導(dǎo)致混凝土澆筑成型后在內(nèi)部形成大量連通孔道，影響了混凝土早期的干燥收縮變形[2]。減水劑摻量與混凝土干縮值及水分蒸發(fā)量的關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 不同減水劑摻量對(duì)應(yīng)的早期干燥收縮

圖2 不同減水劑摻量對(duì)應(yīng)的水分蒸發(fā)量

由圖1與圖2可以看出：混凝土水膠比相同時(shí)，隨著高效減水劑摻量的改變，混凝土的早期干燥收縮和水分蒸發(fā)量均不相同。隨著減水劑的增加，相同齡期內(nèi)混凝土的水分蒸發(fā)量增大。同時(shí)，高效緩凝減水劑的不僅減水效果好，而且使得坍落度經(jīng)時(shí)損失小，尤其對(duì)于高寒地區(qū)混凝土工作性有很大的改善，有效解決了橋梁施工面臨的混凝土泵送問(wèn)題，同時(shí)降低了水膠比，使橋梁混凝土干縮減少，提高了混凝土的均勻性，也使早期強(qiáng)度大幅度提高，增強(qiáng)了橋梁混凝土的抗裂性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，一方面，高效緩凝減水劑的加入將會(huì)使水泥石孔隙分布細(xì)化，有增大橋梁混凝土的干燥收縮的趨勢(shì)；另一方面，將有效降低水的表面張力，有減少收縮的作用[3]。因此，在這兩方面的共同作用下，高效緩凝減水劑的種類和摻量將影響干混凝土的干燥收縮變形。

減水劑摻量為0.8%時(shí)，橋梁混凝土具有相對(duì)較小的收縮變形，它的干縮值是摻入減水劑0.5%和1%時(shí)干縮變形值的89%和92.9%，這說(shuō)明了減水劑存在一個(gè)最佳摻量，在這一摻量下，橋梁各部位混凝土的收縮變形較小。

3.2 引氣劑

在橋梁混凝土中摻入適量的引氣劑后，由于引氣劑引入大量微小且獨(dú)立的微氣泡，這些球狀氣泡可作為體積膨脹的“緩沖閥”，降低和延緩其他物理膨脹和化學(xué)反應(yīng)膨脹引起的混凝土破壞。因此，選用性能較好的引氣劑并控制其摻量，有利于防止混凝土的收縮開(kāi)裂。引氣劑摻量與混凝土干縮值及水分蒸發(fā)量的關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 不同引氣劑摻量對(duì)應(yīng)的早期干縮

由圖3與圖4可以看出：引氣劑的加入可改善橋梁混凝土的和易性和流動(dòng)度，同時(shí)橋梁混凝土的塑性和內(nèi)粘聚性提高，并且細(xì)小氣泡的作用使橋梁混凝土用水量有所下降，后期強(qiáng)度損失較小，可以提高高寒地區(qū)橋梁混凝土的抗裂性。橋梁混凝土中的引氣劑摻量為5?時(shí)，混凝土的含氣量和水分蒸發(fā)量與基準(zhǔn)混凝土的相差不大，混凝土的收縮值與基準(zhǔn)混凝土相比也大致相同?？梢?jiàn)，橋梁混凝土水分蒸發(fā)量與引氣劑摻量相關(guān)性不大。

圖4 不同引氣劑摻量對(duì)應(yīng)的水分蒸發(fā)量

橋梁混凝土的早期干燥收縮變形先增大后減小，因此橋梁混凝土的引氣劑摻量不能過(guò)高也不能過(guò)低，應(yīng)該選用性能好的引氣劑并控制其摻量，有利于防止橋梁混凝土的早期收縮開(kāi)裂。引氣劑的引氣作用可在混凝土中產(chǎn)生不連續(xù)的微小、封閉、穩(wěn)定的氣泡，從而減小連通孔隙率，作為水結(jié)冰或鹽結(jié)晶膨脹的緩沖閥，可以減少可凍水，讓水盡量吸附在毛細(xì)孔或凝膠孔，有利于提高高寒地區(qū)橋梁混凝土的抗裂性。

4 結(jié)論

4.1 高效緩凝減水劑的加入，減小了橋梁混凝土的干燥收縮，提高了混凝土的均勻性和早期強(qiáng)度，增強(qiáng)了橋梁混凝土的抗裂性能。

4.2 橋梁混凝土中引入引氣劑，可以改善橋梁混凝土的流動(dòng)性和和易性，橋梁混凝土的引氣劑摻量應(yīng)該控制在5?左右，有利于降低橋梁混凝土的早期收縮開(kāi)裂。

[1]Parrot L J.A study of carbonation-induced corrosion[J].Magazine of Concrete Research， 1994， 46（166）： 23-28.

[2]錢曉倩，詹樹(shù)林，方明暉.減水劑對(duì)混凝土收縮和裂縫的負(fù)影響[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，（2）： 19-25.

[3]黃煜鑌，呂偉民，徐建達(dá).減水劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石物理力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2005，（3）： 311-315.