水膠比對混凝土塑性收縮開裂性能的影響

任增洲

（重慶建設工程質量監督檢測中心有限公司，重慶 400065）

0 引言

隨著預拌混凝土在全國建筑行業的使用普及的同時也帶來了一些問題，那就是混凝土的早期塑性收縮開裂問題越來越突出。據調查研究，高流態混凝土出現裂縫的時間大部分在開始幾天內，有的甚至不到一天就有明顯的裂縫［1］。影響混凝土拌合物早期塑性收縮開裂主要有混凝土配合比設計、生產工藝和澆筑方式以及養護條件等因素。加強混凝土早期塑性收縮開裂的研究對預防混凝土開裂具有顯著實際意義。

本文通過測定混凝土水分蒸發速率、泌水速率、混凝土裂縫及收縮等數據研究分析了水膠比對強度等級為 C30～C50 的大流動性混凝土塑性收縮及其開裂性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗方法

根據 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法標準》中第 9 章規定，混凝土的早期抗裂性能試驗采用集中約束平板法。試驗的環境條件要求如下：試件表面中心風速不低于 5 m/s，試驗溫度 20±2 ℃，相對濕度 60±5 %。為了便于比較各組的試驗數據，各組試驗始終在上述試驗環境條件下進行。塑性收縮性能試驗是采用在 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法標準》中第 8 章中非接觸法試驗，采用激光測距儀，該設備可以自動采集和處理數據。該試驗的環境條件要求為溫度 20±2 ℃，濕度 60±5 %。

1.2 試驗材料

1）水泥。42.5R 普通硅酸鹽水泥，初凝時間 1 h 48 min，終凝時間 2 h 53 min，3 d 抗折和抗壓強度分別為 5.1 MPa 和 29.1 MPa，28 d 抗折和抗壓強度分別為 8.7 MPa 和 55.1 MPa。

2）粉煤灰。Ⅱ級灰，密度為 2 330 kg/m3，比表面積為 260 m2/kg。

3）礦渣。高爐礦粉，密度為 2 900 kg/m3，比表面積為 490 m2/kg。

4）細集料。渠河砂，細度模數為 1.10；機制砂，細度模數為 3.60，兩種砂按一定比例復配混合使用。

5）粗集料。碎石，5～10 mm 和 10～20 mm 兩個粒級按一定比例復配使用，壓碎指標為 10.1 %，表觀密度為 2.64～2.70 g/cm3。

6）高效減水劑。萘系高效減水劑，減水率約為 21 %。

2 試驗結果及分析

水膠比對混凝土塑性狀態有顯著的影響。不同水膠比的混凝土拌合物毛細管壓力的大小和發展情況、拌合物的泌水速率、早期溶解、水化和塑性沉降等也可能不同，因此不同水膠比條件下的混凝土拌合物的塑性收縮及其開裂狀況可能存在顯著的差別。William Lerch 直接提出最多裂縫的臨界塑性狀態是在水灰比為 0.52 時，低于或高于這個水灰比都不易出現塑性收縮裂縫［2］。表 1 和 表 2 分別為不同水膠比試驗用混凝土配合比及其試驗結果。

表1 試驗用混凝土配合比

由表2可知，保持混凝土坍落度基本在180～220 mm，水膠比為 0.43 的混凝土的裂縫寬度和裂縫面積都比水膠比分別為 0.35 和 0.54 的小，這與國外一些專家研究得出的結論是相符的。如 Salah A.Altoubathe 和 David A.Lange 研 究發現，塑性砂漿（水灰比為 0.6）不易出現裂縫，而半塑性和濕砂漿（水灰比分別為 0.5 和 0.7）卻嚴重出現裂縫［3，4］。同樣，本試驗得出混凝土在某一水膠比處不易出現塑性收縮裂縫，高于或者低于這個值，其塑性收縮裂縫面積都有增大的趨勢。

表2 混凝土基本性能及其開裂試驗結果

為了更好地研究分析水膠比對混凝土塑性收縮及其裂縫的影響機理，對其進行了水分蒸發速率、泌水速率及塑性收縮的測定（見圖 1）。

圖1 不同水膠比基準混凝土水分蒸發速率和泌水速率隨時間變化的曲線圖

由圖 1 可知，水分蒸發速率和泌水速率隨著時間都逐漸減小，但 5 h 的水分蒸發速率減小的趨勢比較平緩，泌水速率減小的趨勢較大，并且泌水在 4 h 后基本停止。水膠比為 0.43 的混凝土的水分蒸發速率與泌水速率差值遠比水膠比為 0.54 的混凝土的小（水膠比為 0.43 和 0.54 的混凝土的 4 h 的總量差值分別為 1 462 g/m2、1 600 g/m2）；同樣，水膠比為 0.43 的混凝土的水分蒸發速率與泌水速率差值比水膠比為 0.35 的混凝土小，其裂縫面積也小。這樣得出，混凝土的塑性收縮裂縫與混凝土水分蒸發速率和泌水速率之差有很大關系，即水分蒸發速率與泌水速率之差越小，混凝土塑性收縮裂縫越小；反之，越大。因此，想要防止或減少混凝土塑性收縮開裂就要嚴格控制降低水分增發速率與泌水速率之差。混凝土泌水速率是由混凝土內部空隙決定的，現目前很難調節控制其泌水速率，只能通過調整環境及養護措施控制水分蒸發的速率來達到改善混凝土塑性收縮裂縫的目的。

本試驗對 3 個不同水膠比的混凝土進行了塑性收縮的測定，具體如圖 2 所示。

圖2 不同水膠比的混凝土收縮值隨時間變化的曲線圖

由圖 2 可知，3 個不同水膠比的混凝土拌合物前 2 h 的收縮值都很小，隨著時間的推移，收縮值逐漸變大，基本都在 3～5 h 范圍內達到了最大值，因此要想控制混凝土的塑性收縮，必須在前 3 h 之內采取必要的措施才能改善混凝土的塑性收縮。同時從圖 2 中可以看出，水膠比為 0.43 的混凝土的塑性收縮值比水膠比分別為 0.35 和 0.54 的混凝土都要小。由此可知，水膠比對塑性收縮的影響及早期塑性開裂的影響趨勢是一致的，即混凝土在某一水膠比處塑性收縮較小，高于或者低于這個值，其塑性收縮值都有增大的趨勢。

水膠比對混凝土塑性收縮及其早期塑性開裂性能的影響的機理具體分析如下：當水膠比在較低情況下時，混凝土拌合物沒有足夠的水向混凝土表面遷移，使得混凝土的蒸發速率很快超過泌水速率，毛細管壓力發展較快；同時粒子間的平均距離較小，體系中收縮力急劇增大，從而較早地達到混凝土的臨界壓力。對尚處于塑性階段的混凝土來說，較早地達到臨界壓力，而混凝土還沒有形成一定的抗拉強度來抵抗塑性開裂能力，混凝土很容易開裂；相反，當水膠比較大時，混凝土拌和物體中的自由水分較多，水分蒸發速率較快，當水分蒸發速率超過泌水速率時極易引起混凝土塑性收縮開裂；更為重要的是隨著水膠比的增大，混凝土流動性增大，黏聚性降低，粗集料易沉降導致混凝土塑性沉降變大，混凝土的塑性沉降開裂風險增大，混凝土早期塑性開裂以塑性沉降開裂為主。

3 結論

1）對于大流動性混凝土（混凝土坍落度保持在180～220 mm），本實驗得出水膠比為 0.53 和 0.35 的混凝土裂縫面積都比水膠比 0.43 的大，即混凝土在某一水膠比處不宜出現塑性收縮裂縫，高于或者低于這個值，其塑性收縮及其開裂性能都有增大的趨勢。

2）混凝土的塑性收縮及其早期塑性開裂與混凝土的水分蒸發速率和泌水速率之間的差值的變化規律是一致的，要想改善混凝土的塑性收縮及其開裂必須控制水分蒸發速率即采取必要的環境控制和養護措施并且要在前 3 h 才能達到最理想的效果。Q