配合比参数对C50箱梁混凝土收缩性能的影响

刘家彬， 秦鸿根， 郭 飞， 马 彪， 庞超明(.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 0096； .东南大学 材料科学与工程学院， 江苏 南京 89； .江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京 0)

大型桥梁的设计寿命一般为100a，因此需要耐久性良好的混凝土材料.桥梁上部结构如箱梁等常用C50高性能混凝土.该混凝土具有高强度、高砂率、大流动性等特点，同时还掺加活性掺和料和高效减水剂[1-2]，但由于水泥水化、骨料沉降、环境温湿度变化以及水分蒸发等因素使得混凝土产生较大收缩变形，甚至出现开裂现象[3].国内外许多专家学者对混凝土收缩性能非常重视，并进行了大量研究[4-7]，但在混凝土配合比参数对箱梁高性能混凝土收缩影响方面的深入研究不够，未能全面揭示配合比参数变化对混凝土全过程收缩性能的影响.为此，本文研究了水胶比、砂率、单位用水量、减水剂掺量等配合比参数的变化对C50箱梁混凝土全过程收缩性能的影响规律，并提出了低收缩混凝土的制备技术，为类似的箱梁混凝土裂缝控制提供参考.

1 试验

1.1 原材料

胶凝材料(B)采用P·O 52.5水泥，密度3110kg/m3；Ⅰ级粉煤灰，密度2310kg/m3.其化学组成(质量分数，文中涉及的组成、含量、减水率水胶比等均为质量分数或质量比)见表1.细骨料(S)采用Ⅱ类天然河砂，表观密度2610kg/m3，堆积密度1580kg/m3，细度模数2.75，含泥量0.6%.粗骨料(G)采用大小两个级配的碎石按8∶2复配成5～25mm的连续级配，表观密度2650kg/m3，堆积密度1450kg/m3， 针片状含量6.8%，压碎值指标8.5%，含泥量0.3%.外加剂采用南京某单位生产的PCA-I型聚羧酸高性能减水剂，减水率28%.

表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical compositions(by mass) of binders %

1.2 试验方法

混凝土早期收缩试验参照田倩等[8]提出的试验方法，采用SBT-AS100混凝土收缩测试仪进行.混凝土各收缩试验装置如图1所示，其中凝缩[9]试验在密封容器中进行，混凝土试件内预埋温度传感器，非接触式位移传感器用于测量置于顶端的测试端头随混凝土凝缩而产生的位移，测试时间自试件成型后开始测试至混凝土终凝；早期自收缩试验将混凝土拌和物装入塑料波纹管中，两端封闭，卧放于测试仪上，30min后开始采集数据，测试至24h；长期自收缩试验采用已养护24h的密封波纹管混凝土试件，安装于立式千分表测定仪上，测试混凝土不同龄期的自收缩率；干燥收缩试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行，成型后标养3d，将试件移入恒温恒湿室内，安装于立式千分表测定仪上，进行测试.各收缩性能测试均在(20±2) ℃，相对湿度(60±5)%进行.

1.3 试验方案与配合比

为研究混凝土配合比参数对C50箱梁混凝土收缩变形规律的影响，采用不同水胶比(mW/mB)、砂率(βS)、单位用水量、减水剂(PCA)掺量及石子掺量制备了10组高性能混凝土，其28d抗压强度均为60～70MPa.配合比列于表2.

图1 混凝土收缩试验装置Fig.1 Shrinkage experimental devices for concrete

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对混凝土收缩性能的影响

对水胶比为0.30，0.33，0.36的3组C50箱梁混凝土试件(WB30，JZ，WB36)进行收缩试验，结果如图2所示.

由图2(a)可见，混凝土凝缩值随水胶比增大而增大，水胶比从0.30增加到0.33和0.36时，在砂率不变、浆体含量稍有降低的条件下，凝缩值增加了10.3%和25.3%.这是因为增大水胶比，新拌混凝土流动性有所增大，沉降收缩增大，有利于水泥的水化，化学减缩也有所增大.

由图2(b)可见，前8h混凝土化学减缩发展很快，8h后自收缩占主导地位，随着水泥石的弹性模量逐渐增大，自收缩的增长速度随龄期延长而逐渐减缓；随着水胶比的减小，混凝土早期自收缩明显增大，与一般混凝土自收缩的变化规律相同.

Notes:JZ is the reference group；GY is the concrete with low dosage of water reducing agent and has low slumps；MJ is the concrete with high dosage of water reducing agent and has segregation and bleeding；JP is the concrete with the coarse aggregate in optimal gradation.

图2 水胶比对混凝土收缩的影响Fig.2 Effect of water-binder ratio on concrete shrinkage

由图2(c)可见，混凝土长期自收缩随着龄期延长而不断增大，混凝土体系中水泥颗粒的水化主要发生在早期，而且水泥石早期的弹性模量较低，所以其早期自收缩增长幅度较大，28d后水泥水化减慢，自收缩明显减缓，60d时自收缩几乎趋于稳定；随着水胶比的降低，混凝土后期自收缩明显增大，且水胶比越小，混凝土自收缩增加幅度越大.

由图2(d)可见，水胶比为0.33的混凝土90d干燥收缩率达228×10-6；干燥收缩随着龄期的延长而增大，随着水胶比的增加而增大.这是因为干燥收缩主要受混凝土自身密实度和弹性模量的影响，水胶比减小，孔隙率降低，大孔比例减少，结构更加密实，水分迁移速度减慢，且水泥石的弹性模量增大，因而使其干燥收缩降低.

由图2还可见，混凝土凝缩比其他收缩高1个数量级；凝缩与干燥收缩的收缩率均随着水胶比的增大而增大，而早期自收缩与长期自收缩均随着水胶比的增大而减小；水胶比为0.30，0.33和0.36的3组混凝土60d自收缩率分别占同期干燥收缩的68.4%，47.6%和44.4%，这表明随着水胶比减小，混凝土自收缩所占的比重明显增大.

2.2 砂率对混凝土收缩变形性能的影响

对砂率为35%，38%，41%的3组C50混凝土试件(Sp35，JZ，Sp41)进行收缩性能试验，结果如图3所示.

图3 砂率对混凝土收缩的影响Fig.3 Effect of sand percentage on shrinkage of concrete

由图3(a)，(b)可见，砂率增大，C50混凝土试件凝缩和早期自收缩明显增大，当砂率从35%增加到38%，41%时，7.5h凝缩率相应增加了9.2%，19.3%，早期(1d)自收缩率相应增加了31%，59%.在本测试条件下，砂率为41%的C50混凝土凝缩率达1889×10-6，早期(1d)自收缩率为371×10-6.

由图3(c)，(d)可见，混凝土长期自收缩在28d内发展较快，以后逐步变缓，60d后基本趋于稳定；砂率对混凝土长期自收缩和干燥收缩的影响均较明显，砂率越大，混凝土的长期自收缩率和干燥收缩率越大；砂率为35%的C50混凝土试件60d自收缩率达101×10-6，90d干燥收缩率达203×10-6.当砂率从35%增加到38%和41%时，C50混凝土60d自收缩率分别增加了9.0%，16.1%，干燥收缩率分别增加了14.5%和30%.3组箱梁C50混凝土的60d自收缩率分别占同期干燥收缩的50%，47.6%，44.6%，表明其所占比重随着砂率增加而有所减小.

图3表明，随着砂率的增大，混凝土的各种收缩率均有所增加.随着混凝土砂率的增加，体系中粗骨料用量减少，一方面使混凝土流动性增大，混凝土的沉降收缩增大；另一方面，砂率增大，粗骨料的用量减少，对混凝土自收缩和干燥收缩的限制能力减弱.且细集料含量增大会使体系总比表面积增大，水泥石中界面过渡区增大，孔隙增多，因此，使得各类收缩均有不同程度的增大.

2.3 单位用水量对混凝土收缩性能的影响

对单位用水量141，156，171kg/m3的3组C50高性能混凝土试件(W141，JZ，W171)进行收缩试验，结果如图4所示.

由图4可见，单位用水量从141kg/m3增加到156，171kg/m3时，混凝土试件8h凝缩值相应增加了9.5%，11.1%；60d自收缩率分别增加了25.3%和57.5%；90d干燥收缩率分别增加了11.1%和26.7%.这表明随着单位用水量减小，混凝土的凝缩减少，早期自收缩、长期自收缩和干燥收缩率均降低.JZ组混凝土8h凝缩值达1720×10-6，60d自收缩率达107×10-6，90d干燥收缩率达228×10-6.

图4 单位用水量对混凝土收缩的影响Fig.4 Effect of water content on shrinkage of concrete

图4表明，随着单位用水量的增加，混凝土的各种收缩均增加.在水胶比相同的情况下，增加单位用水量，混凝土中胶凝材料用量和浆体体积分数上升，水泥浆体积增大，骨料体积分数减小，从而使混凝土的流动性增大，黏聚性减小，在重力作用下的沉降收缩增大，使水分蒸发通道增多；同时骨料含量减小又会使抑制收缩的骨架作用减弱，从而加速了混凝土的自收缩和干燥收缩.

2.4 流动性对混凝土收缩性能的影响

通过改变外加剂掺量，制备了3种流动度的C50混凝土(低坍落度塑性混凝土GY、流动性适中的混凝土JZ以及有少量离析和泌水的大流动性混凝土MJ)，对其进行收缩试验，结果如图5所示.

由图5可见，在水胶比一定的条件下，随着外加剂掺量的增大，混凝土的流动性增加，凝缩值增大；长期自收缩明显增加，长期干燥收缩率增大，尤其是MJ组干燥收缩更大.3组混凝土试件GY，JZ，MJ的60d自收缩分别占同期干燥收缩的45.0%，47.6%，47.7%，这表明随着拌和物流动性的增加，混凝土的长期自收缩所占的比例变化不大.

出现离析泌水的MJ组C50混凝土试件7.5h凝缩值比JZ组混凝土试件增加了14.8%，早期(24h)自收缩比JZ组混凝土试件增加了6.5%,60d 自干收缩率比JZ组混凝土试件分别增加了12%，90d 干燥收缩比JZ组混凝土试件增加了12.0%.

图5的结果表明，流动性越大，混凝土各类收缩率均越大.在混凝土表观密度相同的条件下，减水剂掺量越高，浆体的黏度越小，混凝土其黏聚性变差，骨料的沉降增大，促使混凝土的凝缩率增大.当混凝土拌合物流动性过大时，其黏聚性和保水性降低，易出现离析泌水现象，混凝土沉降速度加快，内部泌水通道严重增加，混凝土失水加快，产生的收缩应力增大，造成收缩率增大.同时，流动性增大，混凝土中骨料界面层厚度增加，内部孔隙率增大，体系均匀性变差，骨料对收缩的抑制作用减弱，加速了混凝土的收缩.增加混凝土流动性不但会提高混凝土成本，而且使混凝土均匀性变差，收缩和开裂风险明显增大.因此，在保证施工要求的前提下，应尽量减小混凝土的流动度，以提高其均匀性和抗裂性.

图5 流动性对混凝土收缩的影响Fig.5 Effect of flow ability on shrinkage of concrete

2.5 骨料级配对混凝土收缩性能的影响

采用一般连续级配石子和严格按照级配曲线中值配制的石子级配制备的2组C50箱梁混凝土试件(JZ，JP)进行收缩变形试验，结果如图6所示.

图6 骨料级配对混凝土收缩的影响Fig.6 Effect of aggregate gradation on shrinkage of concrete

由图6可见，优化石子级配后，混凝土早期收缩受到抑制，8h凝缩减小了11.7%，早期(1d)自收缩减小了47.4%；混凝土长期收缩明显减小，60d的自收缩率降低36.5%，90d的干燥收缩率降低了6%.由于2组混凝土试件流动性相近，在优化骨料级配后，粗骨料空隙率减小，集料所形成的骨架结构更为致密，混凝土内部骨料分布更为均匀.合理的空间分布会加强骨架对水泥石收缩的抑制作用，限制混凝土的收缩.同时，石子阻断了混凝土内部连通孔，减少了泌水通道，使得混凝土的收缩率明显降低.

3 结论

(1)降低水胶比，C50箱梁混凝土凝缩减小，干燥收缩减小，但早期(1d)自收缩和长期自收缩均增大.

(2)砂率增大或者单位用水量增大，C50箱梁混凝土凝缩、自收缩和干燥收缩均增大.通过降低砂率、减少单位用水量、优化石子级配均可有效减小箱梁混凝土的收缩变形.

(3)随着减水剂掺量的增大，C50箱梁混凝土流动性增大，凝缩、自收缩和干燥收缩均增大.在保证混凝土泵送和密实成型的条件下，适当减小流动性，不但可改善混凝土黏聚性和保水性，减小收缩，还可以减小原材料成本.

(4)采用优选原材料、优化粗骨料级配、适当调整单位用水量、水胶比和砂率等配合比参数，控制混凝土流动性等技术措施，可明显改善C50箱梁高性能混凝土的收缩变形性能，特别是减小了混凝土早期塑性收缩，从而有效提高了其抗塑性开裂性能.

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