現代預拌混凝土收縮估算及試驗對比分析

范潔群

預拌混凝土施工期間開裂仍是目前混凝土現澆施工中普遍存在的問題,有成功的防治經驗也有很多失敗教訓。對預拌混凝土施工期間裂縫的防治可從3個方面著手:1)減小混凝土的絕對收縮量;2)改善混凝土的內、外約束條件;3)提高混凝土的抗(拉)裂能力。其中,首要方面要采取措施減小混凝土的絕對收縮量。

現代大量使用的預拌混凝土由于泵送施工對拌合物性能的要求,水泥性能的改變及外加劑、摻合料等組分的使用使現代混凝土的收縮產生了較大的變化,正確認識現代預拌混凝土收縮發展的變化規律,分析其對混凝土開裂的影響,從而正確選擇有效的裂縫防治措施有非常重要的意義。

1 混凝土收縮的估算模式及影響因素分析

國內外很多技術文獻基于不同的試驗研究和經驗,對于混凝土收縮建議有不同的估算方法,其中具有代表性的有我國學者王鐵夢推薦提出的國內模式、ACI209委員會提出的ACI式、歐洲使用較多的CEB式、Bazant和Pantula提出的BP式等估算模式。

國內估算模式:任意時間素混凝土(包括低配筋混凝土)收縮量計算公式如下:

公式含義詳見文獻[1]。該模式主要考慮了水泥品種、水泥細度、骨料種類、水灰比、水泥漿量、初期養護時間、使用環境濕度、構件尺寸、操作方法及配筋率十種影響因素。

ACI混凝土收縮估算公式是在標準狀態混凝土收縮值的基礎上,通過實驗確定各影響因素偏離標準條件時的校正系數建立的,其基于Branson的試驗研究按兩種初養方式估算。

影響混凝土收縮性能的因素可以總結為以下4個大項:時間(齡期);原材料及配合比;操作方法、養護、環境條件;構件情況,共26個小項。以上各收縮估算模式均是時間(齡期)的函數,均考慮了環境濕度的影響,多數考慮了構件的形狀、尺寸及水灰比、水泥用量的影響。均沒有考慮水泥強度等級、骨料級配、骨料含泥量、骨料用量、單位用水量的影響。另外也均沒有考慮礦物摻合料、外加劑、纖維摻加的影響,目前在我國預拌混凝土中幾乎都摻加了一定量的外加劑和礦物摻合料。風速也會在很大程度上影響新澆混凝土的水分蒸發、散失速率,進而影響混凝土的干燥收縮,這在大坍落度混凝土澆筑的早期尤其明顯。水泥細度也是影響預拌混凝土收縮性能的重要因素,但在上述估算模式中,只有王鐵夢教授推薦的模式中考慮了這一因素。B—P模式直接考慮了混凝土強度等級因素對收縮的影響。

2 國內估算模式和ACI模式收縮值與齡期關系計算對比分析

1)國內估算模式模擬計算。

國內估算模式中(文獻[1]),按目前國內常見情況之一(地下結構墻,C40),確定其各修正系數:

使用普通硅酸鹽水泥,取 M1=1.00;

水泥細度,比表面積按360m2/kg,取 M2=1.08;

采用花崗巖粗骨料,取 M3=1.00;

按水灰比0.400,取 M4=1.00;

水泥漿量(重量比)按28%,取 M5=1.35;

初期養護時間按3 d,自然狀態硬化,取 M6=1.09;

環境濕度按50%,取 M7=1.00;

構件(墻體)高 4m,厚 350mm,r=0.6,自然狀態硬化,取M8=1.40;

機械振搗,取 M9=1.00;

按配筋率(包括模量比)0.02,取 M10=0.94。

另外,考慮養護條件一般,取經驗系數b=0.01,將以上系數代入下式,得混凝土任意時間收縮值:

為方便對比,收縮以微應變(10-6)表達。

2)ACI估算模式模擬計算。

ACI估算模式中,按混凝土潮濕養護,計算其后的收縮值。式中的t是指“混凝土經最初的潮濕養護或蒸汽養護之后的時間”,以天表示,因此,該模式并不能估算最初的潮濕養護或蒸汽養護這段時間的收縮。

其他條件保持與1)相同,確定如下:

混凝土潮濕養護7 d后的自由收縮:

各修正系數取值如下:

考慮到混凝土墻體養護困難,并盡可能估算出早期的收縮,潮濕養護天數取為1 d,取 γcp=1.2;

環境濕度按50%,取 γλ=0.90;

仍考慮為墻體,高4m,長6m,厚350mm,分別按兩種方法修正,綜合取 γh=0.64;

混凝土坍落度按180mm,取γs=1.18;

砂率按40%,取 γφ=1.0;

水泥用量按470kg,取 γc=1.04;

新拌混凝土含氣量按1%,取 γα=0.96。

將以上系數代入下式,得該模式下混凝土任意時間收縮值:

應注意混凝土收縮的實際齡期是(t+1)d。

在混凝土澆筑后至30d齡期內,ACI估算模式的計算結果明顯高于國內估算模式,究其原因,與國內模式相比,ACI模式多考慮了水泥用量、混凝土坍落度、構件形狀尺寸等影響因素,而這些因素在本算例中均有增大收縮量的作用:水泥用量偏多(470kg);混凝土坍落度偏大(180mm);構件為墻體,與空氣接觸面積大,水分蒸發、散失快;同時,ACI模式沒有考慮配筋等可以抑制混凝土收縮的因素。

另外,與傳統干硬性混凝土相比,現代預拌混凝土使用的水泥顆粒細度更大(比表面積達350m2/kg～400m2/kg),普遍摻加外加劑、礦物摻合料,泵送施工要求混凝土流動性大等,造成其收縮性能尤其是早期收縮性能與傳統干硬性混凝土有明顯不同,其中,水泥顆粒細度加大,大流動性導致現代預拌混凝土總收縮量更大,早期收縮發展更快,見圖1。

3 結語

需要說明的是,雖然已經有較多的試驗及工程實踐數據表明現代預拌混凝土的總收縮量變大,且早期收縮發展快(這兩點對混凝土施工期間的早期開裂影響尤為嚴重),但仍然沒有足夠的數據可以對以上收縮估算模式進行修改,還需要不斷的數據積累及理論分析,以期使以上收縮估算模式更完善,更符合我國目前普遍使用的預拌混凝土的實際情況。

[1]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[2]汪 瀾.水泥混凝土組成、性能及應用[M].北京:中國建材工業出版社,2005.

[3]馮乃謙,顧晴霞.混凝土結構的裂縫與對策[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]匡 燁.混凝土收縮和徐變影響因素分析[J].山西建筑,2008,34(1):173-174.