掺粗骨料水工混凝土早期收缩率试验研究

陈继伟

(辽宁水利土木工程咨询有限公司,沈阳 110000)

结合工程统计资料,现浇混凝土基础、坝面墙体、桥面板和路面板等大体积水工混凝土普遍存在早期开裂的现象,这种量大面广的早期裂缝很难彻底消除[1]。混凝土早期裂缝一般属于非荷载应力产生的裂缝,大多形成于硬化期,其中导致混凝土早龄期非荷载因素开裂的原因主要有混凝土干燥收缩和自收缩引起的尺度收缩应力以及水化升温后温降过程产生的收缩受力[2-3]。混凝土开裂对工程结构的耐久性、适用性和安全性等造成严重损害,如结构挠度增大、刚度与承载力下降,渗漏破坏给水工构筑物带来安全隐患,桥梁行车舒适度下降等。钢筋混凝土结构耐久性也会受到裂缝的严重影响,宏观裂缝为侵蚀性离子(SO42-、Cl-)、外界CO2、O2、水分等提供了渗入通道,混凝土碳化和Cl-的积聚作用会加速钢筋的锈蚀,铁锈膨胀将进一步加速混凝土剥落;同时,外界水分的频繁进出会在裂缝面上发生干湿循环作用,这种周期性的干缩湿胀疲劳变形致使工程结构的力学性能逐渐劣化,干湿循环产生的化学盐结晶与积聚也会促进裂缝的深入和扩展。寒区频繁的冻融作用,使得裂缝内水分结冰形成压力,这也会在一定程度上加速既有裂缝的发展[4]。总体而言,早期非荷载裂缝的出现将降低混凝土结构的使用年限和整体耐久性能,致使结构维护成本大幅度增加。所以,对于早期非荷载因素开裂的研究控制具有显著的经济效益和重要现实意义。

从细观上,混凝土是一种由骨料、水泥浆基材及二者界面过渡区组成的多相复合材料。一般地,随水灰比及界面过渡区与骨料表面距离的改变,界面过渡区的性质发生也会相应的变化,难以定量测定其性质与体量尺寸。因此,为了便于定量描述通常将混凝土视为骨料被基材包裹的两相复合材料。水泥浆基材是混凝土收缩的来源,水泥石毛细孔内相对湿度下降与混凝土的收缩增长间存在正相关关系[5]。天然砂石粗细骨料相较于早龄期特别是超早龄期水泥浆的弹性模量、体积稳定性等要高,骨料具有约束水泥浆早期收缩的作用,而以往研究多侧重于定性分析,系统性验证和定量描述试验较缺乏。另外,水化耗水产生自干燥收缩,混凝土内部湿度高于环境湿度导致毛细孔扩散失水,这对环境干燥收缩产生叠加作用,研究骨料约束混凝土干燥收缩和自收缩变化规律的也较少[6]。水灰比变化范围较大时,定量分析骨料约束水泥浆早期收缩的作用规律,可以为高强、中强和低强混凝土的早期收缩开裂控制提供针对性的对策建议。鉴于此,本研究利用5～31.5mm连续级配、20～40mm和5～20mm二级配粗骨料配制水工混凝土,通过室内试验探讨了混凝土早期收缩受粗骨料级配及水胶比的影响,旨在为早期非荷载因素引起的水工混凝土开裂控制及其配合比的优化设计提供技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

试验采用抚顺大伙房水泥有限责任公司生产P·O42.5级水泥,细度2.4%,密度3.11g/cm2,比表面积355m2/kg,主要性能指标满足《水工混凝土砂石骨料试验规程》有关要求。辽宁中电工程有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰,细度21.5%,烧失量7.88%,需水量比99%,碱含量1.22%。四寨子砂场天然中砂,含泥量1.0%,细度模数2.7,密度1.56g/cm3,孔隙率14%。晟豪SH-1聚羧酸高性能缓凝型减水剂,减水率28%,拌合水用当地自来水。

试验选取铁岭市鹏程石料有限公司生产的20～40mm、5～20mm二级配碎石以及16～31.5mm、10～20mm和5～10mm单粒级碎石,通过筛分试验确定二级配碎石(S0)主要参数如表1所示,配制混凝土时20～40mm与5～20mm碎石质量比为6∶4。优化前(S1)、后(S2)三粒级碎石的质量比为1.5∶2.5∶1和5.1∶2.7∶1,可见优化后的碎石级配更加合理,主要参数如表2所示。

表1 二级配碎石主要参数

表2 三粒级碎石主要参数

1.2 试验配合比

试验参照《水工混凝土配合比设计规程》设计0.45和0.55两种水胶比的配合比如表3所示,研究混凝土早期收缩性能受S0、S1、S2不同粗骨料级配的影响规律,控制拌合物坍落度为(180±20)mm,适当调整减水剂用量。

表3 试验配合比

1.3 测试方法

试验选用CABR NES非接触式收缩变形仪按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》测定515mm×100mm×100mm试件的早期收缩性能,试件成型后带模移入相对湿度(60±5)%、温度(20±2)℃环境中,并利用试验箱每隔15min测定一次数据,每组3个试件,各组早期收缩值取3个试件的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 不同粗骨料级配试验

试验测定0.45和0.55两种水胶比以及5～31.5mm连续级配与20～40mm、5～20mm二级配粗骨料混凝土早期收缩性能,如图1所示。结果表明,初凝10h内各组混凝土收缩率均呈快速增长趋势,究其原因是初凝后水泥快速水化,孔隙水快速消耗使得该阶段收缩率增长迅速,而外加剂性能、胶凝材料种类和水泥品质等因素均会影响该迅速增长阶段的持续时间;初凝10h时各组混凝土收缩率达到72h的60%左右,说明初凝10h内混凝土自应力也快速增长。所以,为有效控制水工混凝土早期开裂,应采取防范措施重点控制该阶段收缩变形。

图1 不同配合比和骨料级配的早期收缩率变化特征

从图1可以看出,初凝72h后S1-0.55组混凝土收缩率为230×10-6,优化后S2-0.55组混凝土收缩率为215×10-6,优化后相较于优化前的收缩率减小6.52%;初凝72h后S1-0.45组混凝土收缩率为320×10-6,优化后S2-0.45组混凝土收缩率为280×10-6,优化后相较于优化前的收缩率减小12.5%。因此,不同骨料级配在一定程度上影响着混凝土早期收缩性能,究其原因是优化后的粗骨料使得混凝土孔隙率降低,水泥砂浆填充混凝土内部孔隙的总用量减少。所以,在骨料粒级相同的情况下,通过级配优化可以在一定程度上改善混凝土抗收缩性能,实际工程中应合理优化骨料级配,有效控制混凝土早期收缩开裂的情况。

初凝72h时优化后S2-0.55组混凝土收缩率为215×10-6,而S0-0.55组混凝土收缩率为152×10-6,相较于优化后S2-0.55组减小29.3%;初凝72h时优化后S2-0.45组混凝土收缩率为280×10-6,而S0-0.45组混凝土收缩率为242×10-6,相较于优化后S2-0.45组减小13.6%。因此,不同骨料级配对混凝土早期收缩性能的影响作用具有明显差异。优化后S2相较于S0组混凝土早期收缩值较高,究其原因是S2组粗骨料粒径

2.2 水胶比试验

水工混凝土早期收缩性能受水胶比的影响作用如图2。从图2可以看出,相同粗骨料情况下,混凝土早期收缩率随水胶比的增大逐渐减小,初凝72h时水胶比0.55的S0、S1、S2组混凝土收缩率相较于水胶比0.45混凝土依次减小38.0%、25.5%和22.4%,说明胶凝材料用量较高或水胶比较小的混凝土更易开裂。

图2 不同水胶比的早期收缩率变化特征

3 结 论

1)初凝10h内各组混凝土收缩率均呈快速增长趋势,初凝后水泥快速水化,孔隙水快速消耗使得该阶段收缩率增长迅速,而外加剂性能、胶凝材料种类和水泥品质等因素均会影响该迅速增长阶段的持续时间。为有效控制水工混凝土早期开裂,应采取防范措施重点控制该阶段收缩变形。

2)水胶比相同情况下,粗骨料级配优化可以在一定程度上减小混凝土早期收缩,故粗骨料级配优化是有效防止混凝土早期收缩开裂的重要措施。相同粗骨料情况下,混凝土早期收缩率随水胶比的增大逐渐减小,说明胶凝材料用量较高或水胶比较小的混凝土更易开裂,实际工程中应重点防范。