摻粗骨料水工混凝土早期收縮率試驗(yàn)研究

陳繼偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司,沈陽(yáng) 110000)

結(jié)合工程統(tǒng)計(jì)資料,現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)、壩面墻體、橋面板和路面板等大體積水工混凝土普遍存在早期開裂的現(xiàn)象,這種量大面廣的早期裂縫很難徹底消除[1]。混凝土早期裂縫一般屬于非荷載應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫,大多形成于硬化期,其中導(dǎo)致混凝土早齡期非荷載因素開裂的原因主要有混凝土干燥收縮和自收縮引起的尺度收縮應(yīng)力以及水化升溫后溫降過(guò)程產(chǎn)生的收縮受力[2-3]。混凝土開裂對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久性、適用性和安全性等造成嚴(yán)重?fù)p害,如結(jié)構(gòu)撓度增大、剛度與承載力下降,滲漏破壞給水工構(gòu)筑物帶來(lái)安全隱患,橋梁行車舒適度下降等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性也會(huì)受到裂縫的嚴(yán)重影響,宏觀裂縫為侵蝕性離子(SO42-、Cl-)、外界CO2、O2、水分等提供了滲入通道,混凝土碳化和Cl-的積聚作用會(huì)加速鋼筋的銹蝕,鐵銹膨脹將進(jìn)一步加速混凝土剝落;同時(shí),外界水分的頻繁進(jìn)出會(huì)在裂縫面上發(fā)生干濕循環(huán)作用,這種周期性的干縮濕脹疲勞變形致使工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能逐漸劣化,干濕循環(huán)產(chǎn)生的化學(xué)鹽結(jié)晶與積聚也會(huì)促進(jìn)裂縫的深入和擴(kuò)展。寒區(qū)頻繁的凍融作用,使得裂縫內(nèi)水分結(jié)冰形成壓力,這也會(huì)在一定程度上加速既有裂縫的發(fā)展[4]。總體而言,早期非荷載裂縫的出現(xiàn)將降低混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限和整體耐久性能,致使結(jié)構(gòu)維護(hù)成本大幅度增加。所以,對(duì)于早期非荷載因素開裂的研究控制具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和重要現(xiàn)實(shí)意義。

從細(xì)觀上,混凝土是一種由骨料、水泥漿基材及二者界面過(guò)渡區(qū)組成的多相復(fù)合材料。一般地,隨水灰比及界面過(guò)渡區(qū)與骨料表面距離的改變,界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)發(fā)生也會(huì)相應(yīng)的變化,難以定量測(cè)定其性質(zhì)與體量尺寸。因此,為了便于定量描述通常將混凝土視為骨料被基材包裹的兩相復(fù)合材料。水泥漿基材是混凝土收縮的來(lái)源,水泥石毛細(xì)孔內(nèi)相對(duì)濕度下降與混凝土的收縮增長(zhǎng)間存在正相關(guān)關(guān)系[5]。天然砂石粗細(xì)骨料相較于早齡期特別是超早齡期水泥漿的彈性模量、體積穩(wěn)定性等要高,骨料具有約束水泥漿早期收縮的作用,而以往研究多側(cè)重于定性分析,系統(tǒng)性驗(yàn)證和定量描述試驗(yàn)較缺乏。另外,水化耗水產(chǎn)生自干燥收縮,混凝土內(nèi)部濕度高于環(huán)境濕度導(dǎo)致毛細(xì)孔擴(kuò)散失水,這對(duì)環(huán)境干燥收縮產(chǎn)生疊加作用,研究骨料約束混凝土干燥收縮和自收縮變化規(guī)律的也較少[6]。水灰比變化范圍較大時(shí),定量分析骨料約束水泥漿早期收縮的作用規(guī)律,可以為高強(qiáng)、中強(qiáng)和低強(qiáng)混凝土的早期收縮開裂控制提供針對(duì)性的對(duì)策建議。鑒于此,本研究利用5～31.5mm連續(xù)級(jí)配、20～40mm和5～20mm二級(jí)配粗骨料配制水工混凝土,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探討了混凝土早期收縮受粗骨料級(jí)配及水膠比的影響,旨在為早期非荷載因素引起的水工混凝土開裂控制及其配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用撫順大伙房水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)P·O42.5級(jí)水泥,細(xì)度2.4%,密度3.11g/cm2,比表面積355m2/kg,主要性能指標(biāo)滿足《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)要求。遼寧中電工程有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度21.5%,燒失量7.88%,需水量比99%,堿含量1.22%。四寨子砂場(chǎng)天然中砂,含泥量1.0%,細(xì)度模數(shù)2.7,密度1.56g/cm3,孔隙率14%。晟豪SH-1聚羧酸高性能緩凝型減水劑,減水率28%,拌合水用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

試驗(yàn)選取鐵嶺市鵬程石料有限公司生產(chǎn)的20～40mm、5～20mm二級(jí)配碎石以及16～31.5mm、10～20mm和5～10mm單粒級(jí)碎石,通過(guò)篩分試驗(yàn)確定二級(jí)配碎石(S0)主要參數(shù)如表1所示,配制混凝土?xí)r20～40mm與5～20mm碎石質(zhì)量比為6∶4。優(yōu)化前(S1)、后(S2)三粒級(jí)碎石的質(zhì)量比為1.5∶2.5∶1和5.1∶2.7∶1,可見優(yōu)化后的碎石級(jí)配更加合理,主要參數(shù)如表2所示。

表1 二級(jí)配碎石主要參數(shù)

表2 三粒級(jí)碎石主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)0.45和0.55兩種水膠比的配合比如表3所示,研究混凝土早期收縮性能受S0、S1、S2不同粗骨料級(jí)配的影響規(guī)律,控制拌合物坍落度為(180±20)mm,適當(dāng)調(diào)整減水劑用量。

表3 試驗(yàn)配合比

1.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)選用CABR NES非接觸式收縮變形儀按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》測(cè)定515mm×100mm×100mm試件的早期收縮性能,試件成型后帶模移入相對(duì)濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環(huán)境中,并利用試驗(yàn)箱每隔15min測(cè)定一次數(shù)據(jù),每組3個(gè)試件,各組早期收縮值取3個(gè)試件的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同粗骨料級(jí)配試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)定0.45和0.55兩種水膠比以及5～31.5mm連續(xù)級(jí)配與20～40mm、5～20mm二級(jí)配粗骨料混凝土早期收縮性能,如圖1所示。結(jié)果表明,初凝10h內(nèi)各組混凝土收縮率均呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),究其原因是初凝后水泥快速水化,孔隙水快速消耗使得該階段收縮率增長(zhǎng)迅速,而外加劑性能、膠凝材料種類和水泥品質(zhì)等因素均會(huì)影響該迅速增長(zhǎng)階段的持續(xù)時(shí)間;初凝10h時(shí)各組混凝土收縮率達(dá)到72h的60%左右,說(shuō)明初凝10h內(nèi)混凝土自應(yīng)力也快速增長(zhǎng)。所以,為有效控制水工混凝土早期開裂,應(yīng)采取防范措施重點(diǎn)控制該階段收縮變形。

圖1 不同配合比和骨料級(jí)配的早期收縮率變化特征

從圖1可以看出,初凝72h后S1-0.55組混凝土收縮率為230×10-6,優(yōu)化后S2-0.55組混凝土收縮率為215×10-6,優(yōu)化后相較于優(yōu)化前的收縮率減小6.52%;初凝72h后S1-0.45組混凝土收縮率為320×10-6,優(yōu)化后S2-0.45組混凝土收縮率為280×10-6,優(yōu)化后相較于優(yōu)化前的收縮率減小12.5%。因此,不同骨料級(jí)配在一定程度上影響著混凝土早期收縮性能,究其原因是優(yōu)化后的粗骨料使得混凝土孔隙率降低,水泥砂漿填充混凝土內(nèi)部孔隙的總用量減少。所以,在骨料粒級(jí)相同的情況下,通過(guò)級(jí)配優(yōu)化可以在一定程度上改善混凝土抗收縮性能,實(shí)際工程中應(yīng)合理優(yōu)化骨料級(jí)配,有效控制混凝土早期收縮開裂的情況。

初凝72h時(shí)優(yōu)化后S2-0.55組混凝土收縮率為215×10-6,而S0-0.55組混凝土收縮率為152×10-6,相較于優(yōu)化后S2-0.55組減小29.3%;初凝72h時(shí)優(yōu)化后S2-0.45組混凝土收縮率為280×10-6,而S0-0.45組混凝土收縮率為242×10-6,相較于優(yōu)化后S2-0.45組減小13.6%。因此,不同骨料級(jí)配對(duì)混凝土早期收縮性能的影響作用具有明顯差異。優(yōu)化后S2相較于S0組混凝土早期收縮值較高,究其原因是S2組粗骨料粒徑

2.2 水膠比試驗(yàn)

水工混凝土早期收縮性能受水膠比的影響作用如圖2。從圖2可以看出,相同粗骨料情況下,混凝土早期收縮率隨水膠比的增大逐漸減小,初凝72h時(shí)水膠比0.55的S0、S1、S2組混凝土收縮率相較于水膠比0.45混凝土依次減小38.0%、25.5%和22.4%,說(shuō)明膠凝材料用量較高或水膠比較小的混凝土更易開裂。

圖2 不同水膠比的早期收縮率變化特征

3 結(jié) 論

1)初凝10h內(nèi)各組混凝土收縮率均呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),初凝后水泥快速水化,孔隙水快速消耗使得該階段收縮率增長(zhǎng)迅速,而外加劑性能、膠凝材料種類和水泥品質(zhì)等因素均會(huì)影響該迅速增長(zhǎng)階段的持續(xù)時(shí)間。為有效控制水工混凝土早期開裂,應(yīng)采取防范措施重點(diǎn)控制該階段收縮變形。

2)水膠比相同情況下,粗骨料級(jí)配優(yōu)化可以在一定程度上減小混凝土早期收縮,故粗骨料級(jí)配優(yōu)化是有效防止混凝土早期收縮開裂的重要措施。相同粗骨料情況下,混凝土早期收縮率隨水膠比的增大逐漸減小,說(shuō)明膠凝材料用量較高或水膠比較小的混凝土更易開裂,實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)防范。