水泥品種、骨料級配與環境因素變化對高性能混凝土塑性開裂的影響

翟 超，肖 楊

(1.新疆維吾爾自治區水利管理總站，烏魯木齊 830000； 2.新疆維吾爾自治區水利水電勘察設計研究院，烏魯木齊 830000)

近年來，低水膠比高強和高性能混凝土應用越來越廣泛[1]。而高強和高性能混凝土水灰比低，膠凝材料用量大，早期自生收縮也顯著增大[2-3]。在實際工程中，混凝土的室外養護往往較試驗室的差，正常情況下會暴露在比較干燥的環境中，更容易發生塑性開裂。本文以新疆甘河子水庫面板混凝土為研究對象，分析不同水泥、骨料級配以及施工環境的變化對高性能混凝土塑性開裂的影響，提出預防早期開裂的工程措施，為面板混凝土施工提供技術支撐。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置及試件尺寸

本文采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)[4]進行早期抗裂試驗。尺寸為800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型試件。混凝土骨料最大公稱粒徑不應超過31.5 mm。混凝土早期抗裂試驗裝置(圖1)應采用鋼制模具。

圖1 混凝土早期抗裂試驗裝置示意圖(mm)

1.2 試驗步驟

1) 將新拌混凝土澆筑在試模內，并立即將混凝土攤平，且表面應比模具邊框略高。放于振動臺上，振動密實(10 s左右)，將表面抹平。

2) 在試件成型30 min后，放置于(20±2)℃、相對濕度為(60±5)%的環境中，立即調節風扇位置和風速，使試件表面中心正上方100 mm處風速為(5±0.5)m/s，并應使風向平行于試件表面和裂縫誘導器。

3) 試驗時間應從混凝土攪拌加水開始計算，在(24±0.5)h用放大倍數為100倍的刻度放大鏡測裂縫寬度，用鋼直尺測量裂縫長度。

1.3 試驗結果計算

1) 每條裂縫的平均開裂面積應按下式計算：

(1)

2) 單位面積的裂縫數目應按下式計算：

(2)

3) 單位面積上的總開裂面積應按下式計算：

c=a×b

(3)

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度，mm，精確到0.01 mm；Li為第i條裂縫的長度，mm，精確到1 mm；N為總裂縫數目，條；A為平板的面積，m2，精確到小數點后兩位；a為每條裂縫的平均開裂面積，mm2/條；精確到1 mm2/條；b為單位面積的裂縫數目，條/m2，精確到0.1條/m2；c為單位面積上的總開裂面積，mm2/m2，精確到1 mm2/m2。

根據《混凝土質量控制標準》(GB 50164-2011)[5]，試驗結果的評定見表1。

表1 混凝土早期抗裂性能等級劃分

2 試驗方案

2.1 環境因素設計

在施工現場，通過在不同施工時段以及遇到高溫、降雨、大風等氣象變化時測試溫度和濕度代表值來作為試驗環境因素，環境因素的組合設計見表2。

表2 面板混凝土配合比

2.2 混凝土配合比

在配合比優選的基礎上，結合工程部位(混凝土面板)，根據不同環境因素影響對優選的配合比進一步開展混凝土早期抗裂試驗，從而評定混凝土的抗裂等級。其中，X1代表高抗硫水泥配置的混凝土，X2代表一級配普通硅酸鹽水泥配置的混凝土，X3代表二級配普通硅酸鹽水泥配置的混凝土。選取的配合比見表3。

表3 面板混凝土配合比

3 試驗結果分析

由圖2可知，在水泥影響中，高抗硫水泥配置的混凝土試件比普通硅酸鹽水泥配置的試件更容易發生塑性開裂，開裂面積是一級配普通硅酸鹽水泥混凝土的1.2倍，是二級配的1.5倍。在骨料的影響中，一級配普通硅酸鹽水泥混凝土比二級配更容易發生塑性開裂，一級配開裂面積是二級配的1.3倍。在環境影響因素中，高溫低濕大風條件下試件開裂面積最大，在835.6～1 565.2 mm2/m2之間，抗裂性能等級為Ⅰ級；其次是高溫恒濕，單位面積總開裂面積為：684.5～1 044.8 mm2/m2，抗裂性能等級為Ⅱ級；第三是標準環境，單位面積總開裂面積為：213.8～465.4 mm2/m2，抗裂性能等級為Ⅳ級；第四是高溫高濕環境，單位面積總開裂面積為：148.4～160.6 mm2/m2，抗裂性能等級為Ⅳ級；最小的是恒溫高濕環境，單位面積總開裂面積為56.8～67.4 mm2/m2，抗裂性能等級為Ⅴ級。通過及時覆蓋養護的混凝土試件未發生開裂，標準環境中2 h后覆蓋養護的試件單位面積總開裂面積為108.6～215.6 mm2/m2，抗裂性能等級為Ⅳ級。見表4。

圖2 水泥、骨料及環境因素對混凝土塑性開裂的影響圖

試件單位面積總開裂面積mm2/m2標準環境W:20℃/H:62%高溫恒濕W:35℃/H:62%恒溫高濕W:20℃/H:80%高溫高濕W:35℃/H:80%高溫低濕大風速W:35℃/H:20%/S:6m/s覆蓋養護1 h2 hX1465.41044.860.2155.41565.20215.6X2240.7991.467.4160.61333.80138.8X3213.8684.556.8148.4835.60108.6

由原因分析可知，根據混凝土早期強度值發展情況，抗硫酸鹽水泥配置的混凝土早期強度高于普通硅酸鹽水泥試件。相應地在形成約束時間上也早于普通硅酸鹽水泥試件，早期混凝土抗拉強度低，在受到約束時便更容易產生塑性開裂。骨料級配影響同樣是因為早期強度所致。與高溫恒濕、標準環境、高溫高濕、恒溫高濕相比，在高溫、大風、低濕的環境中，混凝土表面失水更為嚴重，在干燥收縮應力作用下，混凝土表面更容易被拉開，形成塑性開裂。

4 結 論

試驗表明，高抗硫水泥配置的混凝土試件比普通硅酸鹽水泥配置的試件更容易發生塑性開裂；一級配普通硅酸鹽水泥混凝土比二級配更容易發生塑性開裂；在高溫、低濕、大風的環境更容易發生塑性開裂；因此，在澆筑混凝土面板時應合理選擇合理的時間，避開高溫、低濕、大風天氣，同時配合覆蓋養護，可以避免塑性開裂的發生，對于面板工程施工提供技術保障。