內養生橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能

謝政專，周勝波，韋萬峰，劉衛東，焦曉東，王 彬

(1.高等級公路建設與養護技術、材料及裝備運輸行業研發中心，廣西道路材料與結構重點實驗室，南寧 530007;2.廣西交科集團有限公司，南寧 530007)

0 引 言

引起橋面鋪裝混凝土開裂的原因通常分為荷載應力和收縮應力，前者約占20%，后者約占80%，早期裂縫是混凝土早期破壞的主要原因之一[1]?；炷猎缙谒苄蚤_裂一般發生在混凝土澆筑成型后至漿體硬化產生強度之前，該階段混凝土中水分快速蒸發，引起混凝土內部毛細管收縮應力增大，混凝土內部將產生拉應力，當拉應力增長到一定的應力水平時，混凝土內部將會產生裂縫。裂縫的出現，將弱化混凝土承受荷載能力，并加速外界有害物質向混凝土內部滲入，嚴重影響混凝土的耐久性。因此，研究如何提升橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能是非常必要的。

國內外學者針對混凝土抗早期塑性開裂進行了廣泛研究。Breitenbucher等[2]研究分析了產生混凝土早期裂縫的原因及表現形式。Mangold[3]研究發現混凝土中通過摻加聚丙烯能夠一定程度上減少自收縮、干縮并提升混凝土抗塑性開裂的性能。賀磊等[4]通過內摻膨脹劑提升了混凝土抗塑性開裂能力。江晨暉等[5]研究了減縮劑對混凝土早期開裂的影響，實驗結果表明，添加減縮劑大大減少了混凝土早齡期的自由收縮，降低了早齡期開裂的風險。張建峰等[6]通過摻入改性聚乙烯醇纖維或聚丙烯纖維，有效抑制了混凝土裂縫的產生和擴展。鐘佩華等[7]研究表明摻入高吸水性樹脂(Super Absorbent Polymer,SAP)能有效降低混凝土的自收縮，同時混凝土的抗氯離子侵蝕和抗凍性均有所提升。魏定邦等[8]采用SAP內養護法可有效抑制機制砂混凝土的自收縮和干燥收縮，顯著降低機制砂混凝土在模擬環境條件下的開裂風險。張守祺等[9]通過添加SAP降低了混凝土自收縮和干燥收縮。國內外較多學者[10-12]正在積極關注高吸水性樹脂在混凝土中的運用情況，大量研究表明，在混凝土中摻加高吸水樹脂作為內養生材料，可以顯著改善硬化混凝土的收縮開裂。

當前，針對山區或復雜施工條件外部灑水養護不到位條件下，大大增加了混凝土發生早期開裂的可能性，而內養生材料是一種具有高吸水、高保水性及緩慢釋水性的材料，內養生材料的摻入能夠有效保持混凝土內部的濕度，避免混凝土發生早期塑性開裂。橋面鋪裝混凝土直接承受車輛荷載及車輛磨耗的作用，鋪裝質量要求嚴格，必須避免橋面鋪裝混凝土發生早期塑性開裂的情況，目前對內養生材料在橋面鋪裝混凝土的應用研究尚還未見報道。本文將采用內養護技術，通過引入內養生材料來探討內部養生環境下橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能的發展規律，為橋面鋪裝混凝土內摻內養生材料的應用效果評價提供依據。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；機制砂取自云南省保山市羊支茂采石場I類中砂，河砂取自保山市會東采砂場Ⅱ類中砂；碎石來源于保山市羊支茂采石場；水為市政生活用水；減水劑為北京橋智恒信科技有限公司的LZ-RI(標準型)，內養生材料系廣西交科集團有限公司自主研發產品，該內養生材料是一種高吸水樹脂聚合物材料，摻入水泥基材料中能起到內養護減少收縮的作用。向混凝土中引入內養生材料作為養護因子，預吸收自由水分，并在后期膠凝材料水化環境中逐漸釋放出預吸收的水分，有效保障膠凝材料充分水化和膠凝產物的形成，使混凝土實現“自我內部逐步養生”。原材料相關技術指標如表1～表5所示。由于現場實體工程中細集料較多，采用機制砂與河砂復摻，本試驗細集料采用機制砂與河砂按質量比例摻合?；炷僚浜媳热绫?所示，混凝土的制備工藝為先將粗骨料、細骨料、水泥、內養生材料依次加入混凝土攪拌鍋中攪拌20 s，待其混合均勻，再將水和減水劑緩慢加入繼續攪拌5 min。

表1 水泥的技術指標Table 1 Technical indicators of cement

表2 細集料的技術指標Table 2 Technical indicators of fine aggregate

表3 粗集料的技術指標Table 3 Technical indicators of coarse aggregate

表4 減水劑的技術指標Table 4 Technical indicators of water reducing agent

表5 內養生材料的技術指標Table 5 Technical indicators of internal curing meterials

表6 混凝土配合比Table 6 Mix proportions of concretes

1.2 實驗方法

本試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中的平板約束法來進行混凝土的抗早期塑性開裂研究，裝置采用鋼制模具，尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，并在內部均勻布置7根高度為72 mm的裂縫誘導器，混凝土抗早期裂縫測試裝置示意圖如圖1所示。通過裂縫寬度觀測儀人工采集塑性開裂參數來評價混凝土的抗塑性開裂能力。試驗過程中將新拌好的混凝土澆筑完成并收漿抹面靜止30 min，然后用功率可控的電風扇對混凝土試件表面吹風，風速保持在5 m/s左右。塑性開裂過程檢測計時從新拌混凝土收漿抹面后開始，時間分別設為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、8 h、16 h、24 h，通過裂縫寬度觀測儀采集塑性裂縫參數(包括單位面積裂縫條數、最大寬度、最大長度以及總塑性開裂面積)。

圖1 混凝土抗早期裂縫測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of concrete anti-early cracking test device

現場驗證試驗按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)的要求，橋面鋪裝混凝土面層的厚度不宜小于80 mm，層內應配置鋼筋網，鋼筋直徑不應小于8 mm，間距不宜大于100 mm。通過特定鋼設計兩塊尺寸為1 500 mm×1 500 mm×100 mm的橋面鋪裝模具，其內部采用冷軋帶肋鋼筋焊網，焊網鋼筋公稱直徑為10 mm，間距為100 mm，用于橋面鋪裝實體工程驗證試驗，符合現行《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40)的規定，試件收漿抹面后放置室外自然養護，采集塑性裂縫參數方式同上述平板約束法。

采用裂縫寬度觀測儀采集塑性裂縫參數，試驗結果計算及確定按下列規定：

每條裂縫的平均開裂面積應按式(1)計算：

(1)

單位面積的裂縫數目應按式(2)計算：

(2)

單位面積上的總開裂面積應按式(3)計算：

c=a×b

(3)

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

2 結果與討論

2.1 內養生對混凝土早期開裂率的影響

在測試期間，實際監測的溫度范圍為18～22 ℃，濕度范圍為30%～60%。通過平板約束法對混凝土抗早期塑性開裂性能進行測試，成型后檢測試件的塑性開裂情況。圖2是摻入內養生材料的混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規律，由圖2可知內養生材料的摻入對混凝土單位面積開裂率的影響明顯，普通混凝土成型1 h時出現裂縫，在1～4 h硬化階段裂縫迅速發展，而摻入內養生材料的混凝土1.5 h后才出現裂縫，在1.5～4 h裂縫發展規律與未摻入內養生材料的混凝土的裂縫發展規律相類似。當檢測時間為16 h時普通混凝土試件單位面積開裂率達到了0.12%，而摻入內養生材料的混凝土試件大大降低了單位面積開裂率，且在0.1%～0.3%(質量分數，下同)摻量下，隨著摻量的增加，混凝土的抗早期塑性開裂性能效果越好，單位面積開裂率分別降低到0.019%、0.004 7%、0.004 4%。內養生材料的摻入抑制了混凝土早期水分的蒸發，維持水泥持續水化需水，有效降低了混凝土早期塑性開裂的概率。對于普通混凝土試件來說，新拌混凝土暴露于環境中，同時在其表面進行吹風(風速5 m/s)，試件表面水分快速蒸發，在相同時間內，內部水分不能滿足膠凝材料水化所需水量，混凝土將發生體積收縮，當收縮應力超過混凝土早期水泥硬化強度時，混凝土便會出現收縮微裂縫，加速了混凝土的早期塑性開裂。在4 h時，開裂面積達到了1 219 mm2/m2，抗塑性開裂性能較差。

圖2 空白與摻入內養生材料混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規律Fig.2 Change law of total cracking rate per unit area of blank and mixed with internal curing materials concrete with hardening time

2.2 內養生對混凝土抗早期塑性開裂性能的影響

內養生材料是一種具有親水基團的高分子材料，其吸收的一部分水是以氫鍵形式結合而被固定在高分子鏈上，這部分水需要較大的能量才能夠掙脫氫鍵形式結合的束縛，通常情況下，在膠凝材料發生水化作用產生的化學應力需達到一定值時才可掙脫束縛力。圖3為摻入內養生材料的混凝土的塑性開裂情況，表7為混凝土平板約束法抗裂試件的試驗結果。根據圖3和表7可知，檢測時間為4 h時普通混凝土試件表面形成了穩定的兩條裂縫，最大長度約為630 mm，最大裂縫寬度約為0.98 mm，開裂面積達到了1 219 mm2/m2；同等試驗條件下，在普通混凝土中摻入內養生材料后，明顯改善了混凝土的3個裂縫參數，0.1%摻量的混凝土試件裂縫最大長度、最大寬度分別為510 mm、0.36 mm，開裂面積為191 mm2/m2；0.2%摻量的混凝土試件裂縫最大長度、最大寬度分別為130 mm、0.35 mm，開裂面積為47 mm2/m2；0.3%摻量下的結果也進一步證實了這個規律。相比普通混凝土試件，摻入內養生材料的混凝土內部充當“微型水庫”，能夠在細觀結構為環境形成局部濕度養生，抑制水分快速蒸發，保障了膠凝材料水化反應的進行，生成飽滿的膠凝產物，降低了因收縮產生的塑性開裂率。摻加內養生材料混凝土試件的抗塑性開裂性能得到明顯提升，即內養生材料的摻入有效緩解了混凝土的早期塑性開裂現象。結合表6和表7，0.2%和0.3%內養生材料摻量下的混凝土對抗早期塑性開裂的效果相差不大，0.2%摻量的內養生材料均勻分布在混凝土內部，已經滿足混凝土水化所需水分，接近了降低收縮的最佳效果，而0.3%內養生材料摻量的拌和物還需要在基準配合比基礎上增加減水劑才能滿足工作性要求，進一步提高了成本，因此，綜合考慮經濟實用性，內養生混凝土中內養生材料優先摻量為膠凝材料的0.2%。

圖3 空白與摻入內養生材料混凝土的塑性開裂情況Fig.3 Plastic cracking of blank and mixed with internal curing materials concrete

表7 混凝土平板約束法抗裂試件的試驗結果Table 7 Test results of concrete slab anti-cracking specimens

2.3 內養生對橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能的影響

基于0.2%內養生材料摻量的摻入對混凝土平板約束抗早期塑性開裂性能效果較優，本研究將進一步采用摻加0.2%的內養生材料對橋面鋪裝混凝土實體工程抗早期塑性開裂進行驗證，通過自制兩塊大尺度鋼筋薄壁混凝土模板進行室外橋面鋪混凝土抗早期塑性開裂性能測試。澆筑成型后觀測試件早期塑性開裂的情況，橋面鋪裝混凝土收漿抹面后置于戶外自然條件養護，在實際環境檢測溫度范圍為18～22 ℃、濕度范圍為30%～60%、風力范圍為2～3級的條件下進行。圖4為摻加內養生材料的混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規律，從圖中可知未采取任何措施的普通混凝土硬化1 h后出現微裂縫，并呈分布式逐漸迅速發展，混凝土硬化4 h時單位面積開裂率達到了0.087%。單位面積開裂率與上述平板法抗早期塑性開裂試驗的趨勢相似，均是混凝土硬化1～4 h內單位面積開裂率發展迅速，4 h后單位面積開裂率逐漸緩慢并趨于恒定?？傮w來說，未摻加內養生材料的橋面鋪裝混凝土抗塑性開裂效果較差。圖5為摻入內養生材料的橋面鋪裝混凝土的塑性開裂情況，表8為橋面鋪裝混凝土試件的試驗結果，結合圖5和表8可知在收漿抹面16 h時，混凝土表面出現了由36條呈拋物線狀的裂縫組成分布式的交織裂縫網，最大裂縫長度達1 540 mm，最大裂縫寬度約為0.96 mm，開裂面積達 1 949.68 mm2/m2。出現這一結果的原因是新鋪裝試件表面大量水分快速散失到空氣中，從而導致毛細管中產生負壓，而且在0.32的低水灰比條件下本身自由水分較少，膠凝材料水化反應得不到有效水分補充，引起了早期收縮變化，致使混凝土表面出現早期裂縫。因此，橋面鋪裝混凝土澆筑抹面后，早期混凝土硬化1～4 h內試件表面水分蒸發得到有效控制對混凝土抗早期塑性開裂性能極為關鍵。

圖4 空白與摻入內養生材料混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規律Fig.4 Change law of total cracking rate per unit area of blank and mixed with internal curing materials concrete with hardening time

圖5 空白與摻入內養生材料混凝土的塑性開裂情況Fig.5 Plastic cracking of blank and mixed with internal curing materials concrete

本研究進一步探討內養生材料對現場橋面鋪裝混凝土實體工程抗早期塑性開裂的影響。同等試驗條件下，橋面鋪裝混凝土試件的試驗結果如表8所示，摻入內養生材料的橋面鋪裝混凝土試件僅有微裂縫3條，最大長度為680 mm，最大寬度為0.6 mm，開裂面積僅181 mm2/m2，而未摻加內養生材料的試件有微裂縫36條，最大長度為1 540 mm，最大寬度為0.96，開裂面積達到了1 949.68 mm2/m2。相比普通混凝土，內養生材料的摻入對混凝土抗早期塑性開裂效果提升明顯，其有效控水效應在很大程度上降低了表面水分的快速蒸發，同時吸收的水分能夠在細觀結構的局部為環境形成濕度養生效應，阻止或者延緩了毛細管張力的增大，保障膠凝材料的水化反應得到持續進行，從而降低因收縮產生的塑性開裂率，試件單位面積裂縫數量、最大長度、最大寬度及開裂面積依次同比下降了91.7%、55.8%、37.5%、90.7%。空白與摻入內養生材料混凝土24 h的SEM照片如圖6所示，由圖可知，相比普通混凝土，摻入內養生材料的混凝土的水化反應更加充分，水化產物更加密實。因此，通過向混凝土中引入內養生材料，內養生材料的預吸收自由水分在膠凝材料水化環境中逐漸釋放，有效保障了膠凝材料的充分水化和膠凝產物的形成，同時維持局部毛細空隙濕度飽和度，降低混凝土發生自收縮損傷的可能性，通過消除鋼筋與膠凝材料界面區滯留水分，進一步提高混凝土與鋼筋的握裹力，顯著提升了橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂的性能。

表8 橋面鋪裝混凝土試件的試驗結果Table 8 Test results of concrete specimens for bridge deck pavement

圖6 空白與摻入內養生材料混凝土24 h的SEM照片Fig.6 SEM images of blank and mixed with internal curing materials concrete at 24 h

3 結 論

(1)普通混凝土在硬化1 h時出現表面開裂現象，當摻入內養生材料后，混凝土在硬化1.5 h時才出現開裂，有效延緩了混凝土早期開裂的時間。

(2)當內養生材料摻量在0.3%以下時，混凝土在硬化1～4 h期間的裂縫發展規律相似；隨著內養生材料摻量的增加，混凝土的早期抗塑性開裂性能越好，但兼顧經濟實用性，內養生材料摻量為0.2%時，效果最優。

(3)內養生材料現場混凝土橋面鋪裝實體工程驗證試驗中，同普通混凝土相比，摻入內養生材料的橋面鋪裝混凝土單位面積裂縫條數、最大長度、最大寬度以及單位開裂面積分別同比下降91.7%、55.8%、37.5%、90.7%，顯著提升了橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能。

(4)內養生材料對混凝土的塑性開裂參數改變明顯，可持續提供水泥水化需水，有效保障了膠凝材料的充分水化和膠凝產物的形成，降低了混凝土發生自收縮損傷，有效控制混凝土發生早期塑性開裂的趨勢。