抗振混凝土收縮及抗裂性能研究

吳小虎

（甘肅蘭州公路管理局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

水泥混凝土水化早期階段，組成水泥的各礦物成分迅速發生水化反應，內部骨架初步形成，水泥凈漿硬化，結構形成較小的初始剪應力，但由于水化反應是一個漫長的過程，最初階段水化產物較少，混凝土在混凝土內部形成的粘結應力較小，對擾動十分敏感。因此現階段加固維修橋梁只能采取封閉橋梁、中斷交通的方式[1-5]。然而，由于交通量繁重，中斷交通會帶來極大不便。部分橋梁由于處于交通要道，地理位置關鍵，更是無法中斷交通進行施工，只能在開放交通的條件下進行維修、加固和改造，當車輛從橋面經過時，移動的車輛會對橋梁產生動力荷載產生的車橋耦合振動會使橋梁結構產生更大的變形和應力，對混凝土內部產生作用力，容易造成結構損傷和產生微裂縫，混凝土內部是否會產生大量微小裂縫而影響混凝土使用性能，有必要對其進行深入研究[6-10]。

因此本文通過自制抗振混凝土，研究不同纖維摻量對混凝土收縮變形與早期開裂的改善作用，研究成果為配制抗振混凝土提供思路，為今后公路混凝土橋梁維修、加固項目提供指導，降低施工時對交通的影響。

1 原材料及配合比設計

1.1 水泥

本文選用的水泥為重慶拉法基P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能指標見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥物理力學性能測試結果

1.2 鋼纖維

本文試驗采用的鋼纖維物理參數如表2所示。

表2 鋼纖維物理參數表

1.3 粗集料

本試驗采用5～10mm、10～20mm兩檔石灰巖碎石，所配置的混凝土標號為C50混凝土，對粗集料的技術要求等級為Ⅱ級，粗集料相關技術指標如表3所示。

表3 粗集料技術指標

1.4 細集料

根據規范要求，橋涵混凝土用細集料應采用級配良好、質地堅硬、吸水率小、顆粒潔凈的河砂，河砂不易得到時，也可用硬質巖石加工的符合國家標準的人工砂[11-13]。本論文試驗所用細集料為天然河砂，粒度組成均勻合理，顆粒圓整、表面光潔、流動性好，細度模數為2.56，屬于中砂。本文所用混凝土對細集料技術要求為Ⅱ級，細集料技術指標如表4所示。

表4 細集料技術指標

1.5 外加劑

本文試驗采用的外加劑為聚羧酸高效減水劑，其主要性能如表5所示。

表5 聚羧酸高效減水劑性能指標

1.6 水

混凝土拌和用水采用自來水，水質潔凈、雜質含量少，滿足規范相關要求。

1.7 混凝土配合比設計

混凝土拌合物中添加鋼纖維后，會使得混凝土流動性降低[14-15]。因此，為達到施工要求的流動性，應增加單位用水量及適當增大砂率來提高鋼纖維混凝土的流動性。本文試驗選用三個鋼纖維摻量，分別為0.5%、1%和1.5%，分別進行配合比設計，調整混凝土單位用水量、砂率，使其工作性達到施工要求，單位用水量和砂率優選過程類似于普通混凝土配合比設計過程，在此便不再贅述。研究其對混凝土干燥收縮和溫度收縮的影響，并優選出最佳摻量。經過計算試拌，其中第Ⅰ組普通混凝土作為對照組，按照鋼纖維不同鋼纖維摻量分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組分別研究其變形性能，鋼纖維混凝土配合比如表6所示。

表6 鋼纖維混凝土配合比摻量表（kg/m3）

2 試驗方案設計

2.1 收縮變形性能試驗

為研究設計的鋼纖維混凝土配合比對混凝土收縮變形性能的影響，試驗條件在選取出的最不利振動組合條件下，最不利振動參數組合為A3B1C3D2，即：振動頻率為10Hz，振幅為9mm，振動時間為60min，振動時間為5.5h。分別研究不同組混凝土在不同時間以及不同鋼纖維摻量下的收縮變形性能。

2.2 平板法約束收縮開裂試驗

本試驗測定混凝土早期開裂的試驗方法按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082-2009）規定的平板約束法進行，采用的尺寸為800mm×600mm×100mm的平板開裂試模?；炷翝仓瓿珊?，應保持表面平整，骨料不外露，試驗時室溫控制在（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%。試件成型后30min，用風扇往試件表面吹風，使試件表面中心正上方約100mm處風速約為5m/s，要求風向平行于試件表面和裂縫誘導器。

采用裂縫綜合測試儀對裂縫的寬度和深度進行測量，寬度測量范圍為0.01～2.1mm，精度為0.01mm，深度測量范圍為10～400mm，精度5%。按照《混凝土耐久性檢驗評定標準》（JGJ/T 193-2009）按單位面積的總開裂面積將混凝土早期抗裂性等級分為五個等級，如表7所示。

表7 混凝土早期抗裂性等級表

3 試驗結果及分析

3.1 干縮試驗結果及分析

測試計算得到4組不同配合比混凝土的干燥收縮率隨時間變化曲線如圖1所示，混凝土的干燥收縮率隨鋼纖維摻量變化曲線如圖2。

圖1 干縮收縮率隨時間變化曲線

圖2 28d干縮收縮率隨鋼纖維摻量變化曲線

由圖1可以看出，摻入鋼纖維組Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組混凝土干燥收縮率與未添加鋼纖維組Ⅰ混凝土干燥收縮隨齡期變化規律基本一致。此外，鋼纖維摻量越大，混凝土的干燥收縮率越小。當鋼纖維摻量為1.0%和1.5%時，其干燥收縮率處于正常干縮范圍內，能有效抑制車橋耦合振動的影響。由圖2得出，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組混凝土28d干縮收縮率均比Ⅰ組低，即添加鋼纖維的混凝土干燥收縮率明顯比未添加混凝土低。此外，從Ⅰ組-Ⅲ組，混凝土干燥收縮率大致呈線性降低，且降低幅度較大，而從Ⅲ組-Ⅳ組時，混凝土干燥收縮率下降趨勢明顯變緩，說明在混凝土中，當鋼纖維摻量在1%以下時，鋼纖維顯著降低混凝土干燥收縮率，而當鋼纖維摻量超過1%后，鋼纖維的作用效果減弱。

3.2 溫縮試驗結果及分析

4組不同配合比混凝土的溫度收縮系數隨時間變化曲線圖如圖3所示，溫度收縮系數隨鋼纖維摻量變化規律如圖4所示。

由圖3可以看出，摻入鋼纖維后混凝土的并沒有改變混凝土的溫縮規律，總體上溫度收縮系數在-20～-10℃范圍內出現第一個小高峰，之后在0～10℃范圍內由于水分物理狀態變化導致收縮系數迅速增長，之后又回落到一個比較平穩的狀態。由圖4可得，在最不利振動條件下，比較不同摻量鋼纖維混凝土溫度收縮系數可得，溫縮系數平均值、高溫平均值和低溫平均值規律基本一致。當鋼纖維摻量從0增加到1%時，溫度收縮系數隨著鋼纖維摻量的增加呈線性趨勢降低，鋼纖維對混凝土溫縮改善效果明顯。而當鋼纖維摻量繼續增加時，混凝土溫度收縮系數繼續降低，但降低趨勢明顯放緩，因此并未充分發揮出鋼纖維的作用。

圖3 試件溫度收縮系數隨溫度變化曲線

圖4 試件溫度收縮系數隨鋼纖維摻量變化曲線

綜合對比可知，當鋼纖維摻量為1%時，對混凝土的干燥收縮和溫度收縮改善效果都比較明顯，且能充分發揮鋼纖維的作用。

3.3 平板法約束收縮開裂試驗

振動對混凝土性能影響最大的組合為A3B1C3D2，為研究在最不利振動組合下鋼纖維對混凝土早期開裂的改善效果，分別對比素混凝土在靜置和最不利振動組合下，以及鋼纖維混凝土在最不利振動組合條件下的開裂情況，測試結果如表8所示。

表8 混凝土早期平板收縮開裂結果表

從表7可以看出，素混凝土在未受振動影響時單位面積的總開裂面積較小，抗裂性能等級為Ⅲ級，在受到最不利振動組合影響下，素混凝土抗裂性能明顯變差，裂縫數量增多，裂縫最大寬度、平均開裂面積、單位面積開裂裂縫數目及單位面積的總開裂面積明顯增大，抗裂性等級為I級。摻入鋼纖維后，鋼纖維能顯著改善振動混凝土的早期開裂效果。裂縫最大寬度、平均開裂面積、單位面積開裂裂縫數目及單位面積的總開裂面積均較素混凝土有較大下降，抗裂性能得到提升，與未受振動的素混凝土相比，裂縫最大寬度更小，這是由于混凝土振動形成微裂縫時，鋼纖維在混凝土中承受拉應力，對裂縫的產生起到一定的阻礙作用，延緩裂縫的擴展；平均開裂面積、單位面積開裂裂縫數目、單位面積的總開裂面積稍大于未受振動的素混凝土，但差距并不大，抗裂性能等級均為Ⅲ級。

因此，從混凝土收縮變形開裂性能考慮，振動作用后會劣化混凝土性能，使混凝土收縮變形增大，早期抗裂性能變差，裂縫增多。通過摻加鋼纖維能有效改善混凝土性能，控制混凝土收縮變形，限制微裂縫的發展，提高混凝土的抗裂等級。此外，在本文試驗中，鋼纖維體積摻量為1%時為最佳摻量。

4 結論

本文通過對抗振混凝土的常規收縮變形以及平板法約束收縮開裂試驗研究不同鋼纖維摻量、凝結時間、溫度等因素對抗振混凝土干燥收縮和溫度收縮大小的影響，并得出以下結論：

1）在混凝土中添加鋼纖維后，其干燥收縮和溫度收縮均明顯減小，振動對混凝土影響得到有效控制。

2）鋼纖維摻量0.5%、1.0%、1.5%三個摻量中，摻量從0.5%到1.0%范圍變化時，混凝土收縮值線性降低，鋼纖維作用效果明顯，當摻量從1.0%到1.5%范圍變化時，收縮值變化率減緩，多添加的鋼纖維作用并沒有充分發揮，因此混凝土中鋼纖維摻量在1%左右時效果較好，也比較經濟。

3）通過平板法約束收縮開裂試驗，振動后混凝土裂縫明顯比未振動混凝土裂縫增多，而添加鋼纖維后混凝土裂縫數量及寬度顯著降低，鋼纖維在混凝土中延緩了裂縫的發展。