改善高強(qiáng)高性能混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究

翟 超，唐新軍，肖 楊

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，烏魯木齊 830000； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 3.新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

高強(qiáng)高性能混凝土與普通混凝上相比，強(qiáng)度和耐久性上都有很大程度的提高，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1]。但是由于其水泥用量大、水膠比低以及加入多種超細(xì)摻和料，增加了高強(qiáng)高性能混凝土對(duì)環(huán)境的敏感性[2]，從而更容易發(fā)生早期塑性開裂。在不養(yǎng)護(hù)情況下，高強(qiáng)高性能混凝土的開裂面積是高性能混凝土的4倍[3]，使其在實(shí)際應(yīng)用、推廣過程中遇到了很大阻力。在實(shí)際施工的環(huán)境中，如何防止高強(qiáng)高性能混凝土發(fā)生塑性開裂是工程建設(shè)中非常關(guān)注的問題。本文以新疆三屯河水庫(kù)放水洞閘底板混凝土作為研究對(duì)象，分析探討改善高強(qiáng)高性能混凝土抗裂性能的工程措施。

1 試驗(yàn)材料及配合比

1) 水泥：新疆TS水泥廠生產(chǎn)的52.5R普通硅酸鹽水泥。

2) 粉煤灰：新疆MNS電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

3) 礦渣：新疆八鋼和屯河水泥廠聯(lián)合生產(chǎn)。

4) 硅粉：研科-Ⅲ。

5) 膨脹劑：研科-ZY。

6) 減水劑：江蘇南京蘇博特有限公司研制的聚羧酸型減水劑，最優(yōu)摻量1.5%(固體)。本次試驗(yàn)配合比使用稀釋后(液體)減水劑。

7) 骨料：骨料采用一級(jí)配，粗骨料用當(dāng)?shù)厥钠扑榈乃槭畲罅?6 mm，水洗后含泥量0.1%，超徑、遜徑顆粒已剔除；細(xì)骨料用當(dāng)?shù)氐纳埃?xì)度模數(shù)為2.7，屬中砂，級(jí)配屬Ⅱ區(qū)，含泥量2.7%，已剔除大于5 mm顆粒。

8) 水：自來水。

9) 減蒸劑：江蘇南京蘇博特有限公司研制的減蒸劑，減蒸劑∶水=1∶9稀釋后使用，每平方米用量200 g。

10) 緩凝劑：新疆Sodium Gluconate ，與水的配合比為1∶10，每平方米用量200 g。

11) 塑膜：1.5 m×1.5 m的塑料薄膜。

試驗(yàn)配合比見表1。

表1 C80高強(qiáng)高性能混凝土配合比

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法與環(huán)境條件

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50082-2009)[4]中混凝土早期抗裂試驗(yàn)規(guī)程要求進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境參照三屯河放水洞內(nèi)溫度和濕度，在實(shí)驗(yàn)室模擬施工現(xiàn)場(chǎng)情況：溫度為18℃，濕度為56%。

2.2 試驗(yàn)方案

1) 不養(yǎng)護(hù)：試件成型后，不做任何養(yǎng)護(hù)措施。

2) 覆膜養(yǎng)護(hù)：試件成型后，30 min內(nèi)進(jìn)行覆膜養(yǎng)護(hù)。

3) 噴減蒸劑或緩凝劑+覆膜養(yǎng)護(hù)：試件澆筑后，在試件表面噴減蒸劑或緩凝劑，待試件表面無液態(tài)水分時(shí)進(jìn)行覆膜養(yǎng)護(hù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不養(yǎng)護(hù)條件下混凝土表面開裂情況

由試驗(yàn)可知，暴露在環(huán)境中不做任何養(yǎng)護(hù)的混凝土試件，在抹面后15 min開始出現(xiàn)裂縫，最終共產(chǎn)生4條裂縫。其中，沿導(dǎo)裂梁方向3條，垂直導(dǎo)裂梁方向1條，最大裂縫寬度2.6 mm，最大裂縫長(zhǎng)度755 mm，單位面積總開裂面積2 620 mm2/m2，詳見表2。

表2 不同時(shí)間下試件的單位面積總開裂面積

試驗(yàn)結(jié)果表明，不養(yǎng)護(hù)條件下高強(qiáng)高性能混凝土試件，15 min內(nèi)就會(huì)發(fā)生塑性開裂，塑性開裂的高峰期發(fā)生在抹面后的3 h內(nèi)，開裂面積占24 h的82%。與不養(yǎng)護(hù)的高性能混凝土相比，高強(qiáng)高性能土的塑性開裂時(shí)間提前大約45 min，這說明高強(qiáng)高性能混凝土需要在更早的時(shí)間實(shí)施抗裂措施。

原因分析：造成高強(qiáng)高性能混凝土塑性開裂嚴(yán)重的原因有兩個(gè)，一是水化速率快，膨脹劑未能發(fā)揮補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)。高強(qiáng)高性能混凝土水膠比低，水化速率快，尤其是硅粉，水化更為迅速。水化消耗了表層混凝土的水分，導(dǎo)致膨脹劑在短時(shí)間內(nèi)沒有足夠的水用于水化膨脹，影響了補(bǔ)償收縮的作用。二是摻和料阻塞了水分補(bǔ)給通道，表層混凝土失水嚴(yán)重。摻和料中硅粉、粉煤灰、礦渣細(xì)度較小，填充作用好，同時(shí)也阻塞了混凝土內(nèi)部水分補(bǔ)給表層水分的通道，在實(shí)際環(huán)境中失水速率超過補(bǔ)給速率，加速干燥收縮。導(dǎo)裂梁約束了混凝土的水化收縮和失水收縮，當(dāng)約束應(yīng)力大于混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生了沿導(dǎo)裂梁方向的裂縫。由于混凝土不是均質(zhì)材料，各區(qū)域水化反應(yīng)速率不同，水化速率快的區(qū)域硬化程度較高，相對(duì)于水化程度較低的區(qū)域便產(chǎn)生內(nèi)部約束，當(dāng)內(nèi)部約束應(yīng)力大于混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生了不規(guī)律、垂直于導(dǎo)裂梁的裂縫。

3.2 覆膜養(yǎng)護(hù)對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土塑性開裂的影響

由試驗(yàn)可知，試件在抹面后30 min覆蓋塑膜養(yǎng)護(hù)，觀測(cè)到試件表面已出現(xiàn)1條裂縫，單位面積總開裂面積為313.4 mm2/m2。在隨后的24 h至48 h，裂縫呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，直到48 h保持1條裂縫，寬度為0.82 mm，長(zhǎng)度為312.6 mm，單位面積總開裂面積為267.0 mm2/m2，詳見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)高性能混凝土抹面后30 min內(nèi)進(jìn)行覆蓋塑膜養(yǎng)護(hù)，與比不養(yǎng)護(hù)混凝土相比，開裂面積減少89.3%。及時(shí)覆膜養(yǎng)護(hù)有助于裂縫的愈合，是因?yàn)楦采w塑膜能夠有效降低混凝土表面水分的損失，使表層混凝土能夠充分水化，水化產(chǎn)物填補(bǔ)了裂縫末端細(xì)小的縫隙，加之膨脹劑也有足夠的水分水化膨脹，補(bǔ)償收縮，加快了裂縫愈合。另一方面，覆膜很大程度上減弱了混凝土水分蒸發(fā)的毛細(xì)作用，減少了毛細(xì)通道，增強(qiáng)了表層混凝土的整體性，提高抗拉強(qiáng)度，能夠有效抑制混凝土塑性開裂。

表3 試件隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)單位面積總開裂面積變化情況

3.3 噴減蒸劑或緩凝劑+覆塑膜養(yǎng)護(hù)對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土塑性開裂的影響

由試驗(yàn)可知，試件澆筑成型后立即噴減蒸劑或緩凝劑，并在60 min后覆蓋塑膜養(yǎng)護(hù)，試件均未發(fā)現(xiàn)裂縫，詳見表4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)方式下各試件單位面積總開裂面積

試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土試件抹面后，立即噴減蒸劑和緩凝劑，在60 min內(nèi)進(jìn)行覆蓋塑膜養(yǎng)護(hù)可以避免混凝土塑性開裂的現(xiàn)象發(fā)生。減蒸劑抑制了混凝土表層水分的蒸發(fā)，有效延遲了表層混凝土的干燥；緩凝劑延緩了表層混凝土的硬化，從而延緩塑性收縮，在實(shí)際施工過程中能夠?yàn)楦采w塑膜養(yǎng)護(hù)爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

4 現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工及運(yùn)行情況

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間為3月上旬，先在閘前設(shè)置排水涵管，將來水引到施工面下游。同時(shí)，在涵管上游側(cè)布設(shè)擋水土袋，定時(shí)排出滲水，保證工作面干燥；在洞內(nèi)設(shè)置門簾，架設(shè)火盆，保證施工溫度。對(duì)沖毀的混凝土閘底板進(jìn)行處理，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，調(diào)整施工配合比進(jìn)行澆筑。抹面結(jié)束后，待表面無泌水，立即覆蓋塑膜養(yǎng)護(hù)，初凝后塑膜上覆蓋干燥的氈毯保溫，終凝后混凝土表面從下至上依次覆蓋濕毯、塑膜、干燥草墊養(yǎng)護(hù)。達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行過水試驗(yàn)，效果較好；運(yùn)行一年后觀測(cè)磨損量，損失少，強(qiáng)度和耐久性均滿足要求。

5 結(jié) 論

在試驗(yàn)過程中，高強(qiáng)高性能混凝土比高性能混凝土更容易發(fā)生塑性開裂，且開裂時(shí)間和開裂面積也比高性能混凝土發(fā)生的早、開裂的多。本次試驗(yàn)的高強(qiáng)高性能混凝土按照早期抗裂等級(jí)劃分，屬于I級(jí)，抗裂性能不良。通過及時(shí)覆蓋塑膜養(yǎng)護(hù)或噴涂減蒸劑、緩凝劑與覆蓋塑膜相結(jié)合養(yǎng)護(hù)，能夠有效減少和避免高強(qiáng)高性能混凝土的塑性開裂，使結(jié)構(gòu)滿足耐久性要求。