外加劑對公路高性能混凝土變形性能的影響

中國高速公路建設(shè)項目多，里程長，由于地形地貌特征，西南地區(qū)高速路中橋隧比例高，混凝土用量大。作為結(jié)構(gòu)主體材料的混凝土性能對工程質(zhì)量控制至關(guān)重要，在混凝土性能當(dāng)中，變形性能是影響混凝土外觀和結(jié)構(gòu)安全的重要性能之一，有必要進行針對性研究。

1 高性能混凝土與體積穩(wěn)定性

在公路建設(shè)中使用高性能混凝土已成為工程技術(shù)人員的共識。美國多年前就有一項“戰(zhàn)略公路研究計劃”[1]，該計劃主要目標(biāo)之一是研究、評價和推廣高性能混凝土(簡稱HPC)在公路橋梁中的應(yīng)用。

高性能混凝土的典型特征之一是它的高耐久性，而高體積穩(wěn)定性則是高耐久性非常重要的保證條件。僅僅將高性能混凝土認(rèn)為是高強和大坍落度混凝土，而忽視其體積穩(wěn)定性，容易引起不良工程后果。例如在美國，3座HPC示范橋已經(jīng)開裂；國內(nèi)工程中也出現(xiàn)所用的“高性能混凝土”和傳統(tǒng)概念混凝土一樣開裂的現(xiàn)象。

2 公路工程對摻外加劑混凝土變形性能的要求

公路水泥混凝土工程對混凝土強度等級、耐久性和質(zhì)量要求越來越高，且混凝土中廣泛地使用外加劑。外加劑對混凝土變形性能的影響，在工程應(yīng)用中往往被忽視，摻外加劑后的混凝土變形性能復(fù)雜，在外加劑使用不當(dāng)時容易出現(xiàn)混凝土開裂并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，尤其是公路工程混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件中有兩個顯著特點[2]:一是混凝土薄壁結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位；二是公路工程混凝土結(jié)構(gòu)是承受動載為主的結(jié)構(gòu)。因此，掌握摻外加劑混凝土的變形性能非常重要，如果變形過大，薄壁結(jié)構(gòu)混凝土易出現(xiàn)裂縫，一旦遭遇超載、振動、沖擊和超飽和交通流，結(jié)構(gòu)裂縫將快速擴展，混凝土結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)可能發(fā)生破壞。

由于較大的收縮變形會對混凝土結(jié)構(gòu)造成不利影響，因此我國混凝土外加劑標(biāo)準(zhǔn)對摻外加劑混凝土性能指標(biāo)中的收縮率比有具體要求，如《混凝土外加劑》（GB8076-1997）中規(guī)定緩凝高效減水劑混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，28d收縮率比不大于135%；《公路工程混凝土外加劑》（JT-T523-2004）中規(guī)定緩凝高效減水劑混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，28d收縮率比不大于125%。可見，由于公路混凝土的特點，其對混凝土收縮變形的限制比普通混凝土更嚴(yán)格。

3 外加劑品種對混凝土變形性能的影響

混凝土外加劑是在混凝土攪拌之前或拌制過程中加入的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料。按照外加劑的定義，除了常用的化學(xué)外加劑之外，用于混凝土中的合成纖維由于符合上述定義，現(xiàn)代研究者也把合成纖維當(dāng)作外加劑的一種。

混凝土變形性能是多樣和復(fù)雜的，這里主要研究的是非荷載引起的化學(xué)外加劑和合成纖維外加劑對混凝土變形性能的影響。研究過程中的試驗方法參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTJE30-2005）[3]。

3.1 減水劑類型對混凝土變形性能的影響

公路工程中使用最多的外加劑是減水劑，或者是以高效減水劑為基礎(chǔ)配制的泵送劑。因此，選擇引起混凝土收縮變形小的高效減水劑在高性能混凝土設(shè)計中是關(guān)鍵之一。

減水劑是混凝土外加劑中的最核心材料，該類產(chǎn)品的發(fā)展水平基本上反映了一個國家的混凝土外加劑的總體水平。我國目前減水劑品種以第二代萘系產(chǎn)品為主體，占總量的90%以上，聚羧酸系高效減水劑為新興的第三代減水劑，目前在交通、水利等工程以及商品混凝土中已有應(yīng)用。但相對于萘系減水劑，聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用尚屬起步，工程應(yīng)用數(shù)據(jù)積累相對較少，尤其是混凝土的收縮變形數(shù)據(jù)，因測試時間長、要求高而研究更少[4]。

研究中選用巴斯夫化學(xué)建材(上海)有限公司銷售的聚羧酸系高性能減水劑（以下簡稱Rc），分析測試聚羧酸系高性能減水劑與萘系高效減水劑應(yīng)用于混凝土后的收縮變形性能區(qū)別。 基準(zhǔn)配合比——水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水∶減水劑=1∶1.63∶2.44∶0.13∶0.37∶0.014。 材料品種規(guī)格:地維P.O52.5R水泥；中砂；4.75～26.5mm碎石；I級粉煤灰。分別采用聚羧酸減水劑、萘系高效減水劑配制混凝土，其收縮試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同減水劑混凝土收縮變形

通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無論是早期或是后期，聚羧酸減水劑混凝土各齡期收縮值都遠小于萘系減水劑混凝土。按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中水泥混凝土干縮性試驗方法，測得的硬化后聚羧酸減水劑混凝土的變形值比萘系減水劑混凝土的變形值在28天后降低20%以上。

聚羧酸系高性能減水劑混凝土的收縮率低于萘系減水劑混凝土，證明聚羧酸減水劑混凝土具有優(yōu)異的體積穩(wěn)定性，這點對公路混凝土尤其重要。

3.2 合成纖維外加劑對混凝土變形性能的影響

選用聚丙烯（PP）纖維，并研究其對混凝土收縮變形性能的影響，實驗結(jié)果見圖2。其中PP纖維混凝土除加入0.7kg/m3纖維外，混凝土配合比同基準(zhǔn)混凝土配合比一樣——水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水∶減水劑=1∶1.13∶2.35∶0.17∶0.41∶0.01；材料品種規(guī)格:地維P.O42.5水泥；中砂；4.75～26.5mm碎石；II級粉煤灰；萘系減水劑。

圖2 PP纖維混凝土的收縮變形

從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，PP纖維混凝土（19mm長聚丙烯纖維，摻量0.7kg/m3）各齡期收縮值明顯小于基準(zhǔn)混凝土。合成纖維加入混凝土后，較大程度地改善了混凝土的收縮變形性能。

合成纖維分散在混凝土中，起到了類似篩網(wǎng)的作用，緩解了粗顆粒的快速下沉和游離水的上升，減低了混凝土失水速率，對早期塑性收縮有一定防治作用。纖維的阻裂作用，減少了混凝土的微裂縫，即切斷了水分散失的通道，從而減少了混凝土的干燥收縮。水泥基體凝結(jié)硬化后與握裹的纖維絲相粘連成為致密的、亂向分布的網(wǎng)狀增強系統(tǒng)，有助于削弱混凝土各種收縮（如化學(xué)收縮、溫度收縮、干縮等）產(chǎn)生的應(yīng)力，從而極為有效地抑制混凝土變形。

4 結(jié)論

（1）公路工程中摻外加劑混凝土的非荷載變形控制不當(dāng)，引起的混凝土開裂可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，或降低混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能。通過正確地選擇和使用外加劑，使公路混凝土盡量避免大的非荷載變形，避免工程質(zhì)量問題的發(fā)生，可提高混凝土的耐久性，節(jié)約高速公路將來的巨額維護費用。

（2）本研究中的聚羧酸減水劑混凝土早齡期及硬化后期的收縮變形均遠小于萘系減水劑混凝土，且28d降低值在20%以上。

（3）合成纖維外加劑混凝土各齡期的收縮變形遠低于普通混凝土。在合適的纖維摻量下，合成纖維可以很好地抑制由于干縮、塑性沉降、自生收縮等引起的混凝土變形。

（4）在現(xiàn)有混凝土原材料狀況、施工水平條件下，通過添加能夠改善混凝土體積穩(wěn)定性的外加劑及其組合，并充分考慮設(shè)計、施工因素，可以控制和減少混凝土收縮變形。聚羧酸減水劑與合成纖維外加劑的復(fù)合使用是減少混凝土不利變形，提高混凝土耐久性，配制高性能混凝土的有效途徑。

[1]程日盛.美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)簡介[J].河南交通科技，1999（5）:35-38.

[2]交通部公路科學(xué)研究院.公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3]JTJE30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程[S].

[4]俞海勇.摻有聚羧酸高性能混凝土減水劑的混凝土收縮與變形[J].化學(xué)建材，2005，6.