原材料對混凝土自生體積變形影響分析

張建峰,李 斌

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引言

關于混凝土自生體積變形的規范，中國目前的混凝土規范僅列出試驗方法，對于試驗后獲得的自生體積變形結果是否滿足要求沒有明文規定。目前比較簡單的表述方式是將混凝土自生體積變形的結果按照線膨脹系數的關系換算成溫度影響，以便于更加形象地理解體積變形對于混凝土的影響。中國規范的試驗方法提出室內試驗及現場試驗方法，室內試驗要求的設備要求采用差動式電阻應變計。工程現場根據設計要求埋設的應變計則一般為弦式應變計。國內大型水利項目對于原材料優選有比較成熟的經驗，在工程開工前若干年開展混凝土原材料優選試驗，這樣做避免了因為混凝土原材料選擇導致的混凝土開裂風險。但是目前階段隨著國際水利水電工程項目越來越多，所在國經濟發展程度不同，很多項目所需原材料質量水平參差不齊，非常容易導致因為原材料選擇不當而出現的混凝土開裂風險。針對這種情況，有必要在工程開工前期開展一系列的原材料選擇試驗，以保證混凝土的體積穩定性，為混凝土施工過程中的溫控防裂提供依據。

2 工程概況

某水利水電項目地處非洲大陸，當地經濟發展水平較為落后，大型工程較少，對于混凝土原材料的研究處于初始階段，各種技術手段仍然比較落后。該項目在開工初期，當采用項目現場原材料澆筑混凝土后，拆模4 d左右出現貫穿性裂縫。從裂縫形態及出現時間的情況看，該裂縫為典型的溫度裂縫。但是當采取了一系列的溫控措施后，28 d內混凝土未出現裂縫，到了2個月后，混凝土仍然陸續出現了貫穿性裂縫。經過專家組對于原材料及配合比的各項試驗結果的詳細分析，發現該項目混凝土自生體積變形收縮較大，90 d齡期收縮超過100微應變[1]。最終，專家組統一意見，判斷該裂縫是由于混凝土溫度應力與自生體積變形收縮疊加導致，其中自生體積變形收縮的影響較大。針對這個問題，通過一系列的試驗設計，將現場原材料與國內大型項目進行一一比對，得出影響混凝土自生體積變形的主要因素，為下一步解決混凝土裂縫問題提供重要依據[2]。

3 原材料情況

3.1 水泥

本次試驗主要考慮項目所在地的2個廠家的水泥坎姆帕拉硅酸鹽水泥及黑瑪火山灰水泥，這2個廠家的水泥熟料為典型的硅酸鹽水泥熟料，C3A含量接近8%。同時選擇國內對比用水泥采用在國內大型電站工程經驗豐富的華新水泥廠生產的華新低熱42.5水泥[3]，3種水泥的物理化學性能指標見表1和表2。

3.2 粉煤灰

本試驗主要考慮項目使用的若婭F類粉煤灰，該粉煤灰各項指標能夠達到國內1級粉煤灰的標準[4]。國內對比用粉煤灰采用元亨1級粉煤灰。兩種粉煤灰的物理化學性能指標見表3和表4。

3.3 外加劑

本試驗主要考慮項目使用的克瑞斯聚羧酸減水劑以及巴斯夫聚羧酸減水劑，該減水劑減水率均能夠達到25%以上，能夠有效降低混凝土膠凝材料用量[5]。國內對比用外加劑采用在國內大型電站工程經驗豐富的四川育才GK系列萘系減水劑，減水率大約20%。各廠家減水劑的性能檢測結果見表5。

表1 水泥物理性能試驗結果

表2 水泥化學成分試驗結果

表3 粉煤灰物理性能試驗結果

表4 粉煤灰化學性能試驗結果

表5 減水劑各項性能檢測結果

3.4 骨料

本試驗主要考慮項目使用的花崗片麻巖及角閃巖破碎的人工砂石骨料，該骨料采用水洗法生產，產品要求滿足美國標準ASTM C33混凝土用骨料標準[6]。對比用骨料采用在國內大型電站工程使用較多的灰巖人工砂石骨料，其中小于0.15 mm顆粒含量稍偏高，其他各項指標均滿足ASTM C33混凝土用骨料標準要求。試驗用粗細骨料的各項性能檢測結果見表6及表7。

4 試驗設計

為方便開展混凝土自生體積變形試驗結果分析，試驗設計主要參照以下原則進行。

(1) 采用現場原材料混凝土作為基準混凝土。

(2) 采用北京基康弦式應變計進行試驗，試驗方法參照DL/T5150水工混凝土試驗規程中混凝土自生體積變形試驗方法進行。

表6 細骨料篩分及其它檢測結果

表7 粗骨料檢測結果

(3) 采用國內質量水平優秀的大型水電站項目所用原材料作為比對對象，該原材料有足夠的試驗數據證明自生體積變形為微收縮或微膨脹。

(4) 比對試驗過程中，各組試驗選擇的混凝土配合比需要保證強度等級基本相同，工作性能基本相同。

(5) 為方便比對，每次比對試驗僅更換基準混凝土中一種原材料，并且對于粉煤灰摻量0%，25%及50%的三種工況另外進行了對比試驗(表8)。

5 結果分析

混凝土澆筑試件后，需要注意混凝土內部溫度的穩定性，最好拌合時采用加冰處理，成型后放置恒溫水中，防止因為成型后混凝土溫度升高溫度變化導致變形基準值不穩定。同時，混凝土成型后的24 h定時測定變形，一般情況下選擇澆筑24 h的變形值作為試驗的基準值。試驗開始后每天測試變形值，14 h后按照每周1～2次檢測，半年后每月檢測1次。檢測結果以天數為橫坐標繪制自生體積變形-齡期關系曲線，曲線宜按照對數坐標為橫坐標繪制，方便對數據進行分析(表9)。

從完成的10組混凝土自生體積變形的試驗結果分析，可以得出以下結論。

(1)1～7 d齡期混凝土變形曲線比較幾種，除國內原材料基準試驗結果呈現膨脹趨勢外，其他結果集中在0～-13個微應變之間，可以看出如果混凝土在7 d內開裂，則應該排除混凝土自生體積變形的因素；

(2)從7～28 d齡期混凝土變形曲線來看，各組試驗結果開始拉開明顯的差距，其中系列2/3收縮較小并呈現膨脹趨勢，系列4/5/6收縮中等，系列1/7/8/9/10收縮較大。其中系列7采用黑瑪水泥的28 d最大收縮為53個微應變，相當于混凝土溫度降低6 ℃導致的變形值。如果混凝土在這個階段出現貫穿性裂縫，則需要考慮混凝土自生體積變形收縮較大應該是比較顯著的因素。

(3)從28～90 d的變形曲線看，各組數據繼續延續7～28 d的趨勢，其中系列7最大收縮達到-144微應變，相當于混凝土溫度降低17 ℃導致的變形值。對于采用該種原材料澆筑的混凝土，如果該階段混凝土出現貫穿性裂縫，需要考慮混凝土自生體積變形為主要原因。

(4)90～270 d變形曲線分析，各組試驗混凝土自生體積變形趨于穩定，呈現3組區別明顯的試驗結果，其中系列2/3呈現微膨脹或微收縮，系列4/5/6呈現中等收縮，系列1/7/8/9/10呈現較大收縮(圖1)。

通過與基準混凝土的比對，可以分析得出以下結論。

(1) 項目基準配合比更換華新低熱水泥后，混凝土自生體積變形收縮值從(-148.2微應變)降低到(-72～-91微應變)，收縮值為基準值的49%～61%，效果非常明顯，說明水泥是影響項目混凝土自生體積變形的主要原因。

(2) 項目基準配合比更改元亨粉煤灰后，混凝土自生體積變形收縮值從(-148.2微應變)降低到(-89微應變)，收縮值為基準值的60%，說明項目采用的粉煤灰是影響混凝土自生體積變形另外一個主要原因。

表8 試驗用混凝土配合比

表9 不同原材料混凝土自生體積變形結果(單位10×10-6 mm)

圖1 不同試驗參數混凝土自生體積變形試驗結果-齡期關系

圖2 不同原材料對混凝土自生體積變形影響程度-時間關系

表10 各試驗結果與項目基準配合比結果變形差值(單位10×10-6 mm)

(3) 從系列3/5/6結果看，華新水泥摻加0%，25%及50%粉煤灰時，混凝土自生體積變形值分別為+6.3，-72及-91微應變，差別非常大，這也從側面驗證了摻加若婭粉煤灰會導致混凝土自生體積變形明顯收縮。

(4) 在基準混凝土更換成灰巖骨料后，混凝土自生體積變形收縮值從(-148.2微應變)降低到(-132.8微應變)，收縮值為基準值的10%，說明灰巖骨料對于降低混凝土自生體積變形收縮影響較小，同時在進行對不同外加劑比對試驗中可以得出，外加劑對于混凝土自生體積變形基本上無影響。

(5) 當采用國內華新低熱水泥，元亨1級粉煤灰及灰巖骨料拌合混凝土時，相當于集中了所有的有利條件進行的試拌試驗，該試驗結果顯示混凝土硬化后體積穩定性非常好，720 d后自生體積變形結果仍然沒有明顯收縮，考慮水泥，粉煤灰及骨料對于基準混凝土自生體積變形的影響數值大小，進一步驗證了試驗結論的準確性。

通過對各項試驗結果對分析，基本上可以得出本項目混凝土原材料對于自生體積變形對影響優先順序如下：水泥>粉煤灰>>骨料>外加劑。

6 結論

(1) 大型工程開工前期建議開展原材料對比試驗，在條件允許的情況下，選擇自生體積變形收縮小的原材料對于混凝土溫控防裂工作有很大幫助。

(2) 當混凝土自生體積變形較大時，可以開展單個項目的對比試驗，選擇有成熟工程經驗的自生體積變形無收縮的混凝土原材料作為基準，方便快速確定影響自生體積變形的主要因素。

(3) 本次試驗過程中，混凝土28 d齡期時自生體積變形趨勢已經比較明顯，100 d時變形基本穩定，可以作為初步判定試驗結果的依據。

(4)在基巖面澆筑混凝土時應該尤其注意選擇自生體積穩定的原材料拌制混凝土，同時混凝土溫控工作也尤為重要。