補償收縮混凝土配合比設(shè)計及其性能研究

黃 濤

(湘潭城建集團有限公司，湖南 湘潭 411201)

在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，新舊混凝土的齡期差會導(dǎo)致收縮裂縫的出現(xiàn)。為解決因齡期差產(chǎn)生的收縮開裂問題。沙建芳等通過露骨劑處理基面、調(diào)節(jié)舊混凝土含水狀態(tài)及降低新混凝土收縮率的方式提高新老混凝土界面粘結(jié)強度。纖維作為優(yōu)良的復(fù)合材料，可有效抑制混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，文獻等通過試驗驗證了纖維的摻入能提升混凝土的強度指標和抗裂性能，玄武巖纖維對劈裂強度的提升效果大于抗壓強度。左俊卿等平板實驗研究了膨脹劑和聚丙烯纖維對混凝土早期抗裂性能的影響，試驗結(jié)果表明膨脹劑和聚丙烯纖維均可改善了混凝土早期抗裂性能，且聚丙烯纖維的改性效果優(yōu)于膨脹劑。曹豐澤等通過試驗驗證了摻加了MgO膨脹劑的C35補償收縮混凝土在滿足強度發(fā)展的前提下，可有效降低結(jié)構(gòu)收縮裂縫產(chǎn)生的幾率。梁宇等通過配合比試驗配制出適用于裝配式結(jié)構(gòu)新舊結(jié)合面的有膨脹效果的補償收縮混凝土，確保新舊混凝土結(jié)合面的有效粘結(jié)。張登祥等對高強輕集料混凝土(HSLC)的抗裂影響因素進行了分析，結(jié)果表明，普通混凝土(NC)相比，7 d前的收縮應(yīng)變量大于NC，開裂時HSLC總收縮應(yīng)變明顯小于NC。王海嘯等認為通過摻加膨脹劑實現(xiàn)混凝土溫升和溫降階段全過程的補償收縮。張晶通過試驗表明雙摻纖維和膨脹劑的混凝土抗裂性能優(yōu)于單摻其中一種材料。楊之璋等通過試驗表明，外加劑的摻入能很好地抑制泡沫混凝土的早期收縮和塑性開裂。任增洲分析了砂率對大流動性混凝土收縮及其開裂性能的影響，結(jié)果表明，在一定砂率范圍內(nèi)砂率較小和較大均不易引起塑性收縮開裂，而在這之間的某一砂率反而容易引起收縮開裂。

目前已有的研究成果主要聚焦于解決混凝土的收縮開裂問題，并未考慮到施工過程的正常泵送問題。本文在原有的混凝土配合比基礎(chǔ)上，逐量的摻加長短纖維、膨脹劑，在強度滿足的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整砂率與減水劑摻量滿足高空工作性能，最后在各配合比中選在早期收縮率與抗拉強度滿足要求的最優(yōu)配合比。

1 工程背景

楊梅洲大橋為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋。橋跨布置為：(70+70+70+658+100+70+70)m，索塔為鋼筋混凝土獨柱形塔，采用C55混凝土。其中河?xùn)|側(cè)索塔總高度181.68 m，下塔柱及中塔柱為分離式的箱形斷面，中下塔柱在牛腿處設(shè)置橫梁，中塔柱分離斷面通過設(shè)置橫梁合并為上塔柱啞鈴型斷面。該大橋于2019年2月停工。2021年2月復(fù)工，主塔整體停工600余d。東墩上塔柱已澆筑部分60余m，還有40余m中塔柱長度尚未完成。

2 新老混凝土接塔的關(guān)鍵問題

原高空泵送混凝土水灰比為0.4，早期收縮變形大，已澆筑的混凝土經(jīng)過兩年的停工期其收縮變形已基本穩(wěn)定，對上部待澆筑混凝土具有約束作用，將導(dǎo)致新澆筑混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，極易造成新澆筑混凝土在施工早期出現(xiàn)豎向裂縫。一旦出現(xiàn)裂紋，在上部新澆筑混凝土自重及施工荷載的共同泊松效應(yīng)作用下，將加劇裂縫的擴展，影響結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。

解決思路是在舊混凝土上澆筑一節(jié)特殊配合比混凝土，混凝土適量加入纖維、膨脹劑等抑制其早期收縮減少拉應(yīng)力，同時加入的纖維還可提高其抗拉能力，雙管齊下保證新澆筑混凝土不會產(chǎn)生裂縫，在此節(jié)段基礎(chǔ)上又重新澆筑成原有配合比混凝土，同時滿足施工的質(zhì)量與經(jīng)濟性。問題的關(guān)鍵在于新澆筑特殊配合比混凝土其工作性能滿足高空澆筑要求，同時其不能過多減小早期收縮，以適應(yīng)后澆的原有配合比混凝土。

3 纖維泵送混凝土配合比設(shè)計與優(yōu)化

3.1 配合比設(shè)計目標

根據(jù)主塔的實際施工高度，配合比應(yīng)實現(xiàn)以下目標。

(1)滿足結(jié)構(gòu)安全要求，28 d強度≥55 MPa；

(2)滿足泵送施工要求，塌落度160～200 mm，2 h塌落度損失≤40 mm。

3.2 配合比優(yōu)化

根據(jù)施工方提供的原材料，對原施工配合比(見表1中1配比)C55基準配合比優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，在此基礎(chǔ)上按體積摻量0.05%、0.10%、0.15%、0.2%，摻入長短兩種聚丙烯纖維、按體積摻量0.3%、0.4%、0.5%，摻入膨脹劑、以及講以上兩種材料復(fù)摻，分別研究其對混凝土工作性、強度、抗裂性能的影響，從而確定適合本工程的C55抗裂泵送混凝土的最優(yōu)配合比。

表1 C55纖維泵送混凝土配合比及3 d、28 d抗壓強度

(1)強度

由表1可知，根據(jù)3 d與28 d抗壓強度測試結(jié)果可知，全部配合比方案均滿足強度要求。

(2)纖維、膨脹劑對混凝土工作性能影響

①C55普通混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化

為確定基礎(chǔ)施工參考配合比，按表1中1、2、3、4進行塌落度實驗。

1混凝土拌合物流動性過大，但粘聚性、保水性不足，有泌水離析現(xiàn)象。初步判斷1配比的砂率偏小，故將1配比的砂率由原37%調(diào)整到42%，得到4配比。實驗結(jié)果表面采用4配合比時，混凝土的流動性、強度均能達到設(shè)計要求，因此采用4為基準配合比。

②C55長短纖維泵送混凝土配合比設(shè)計

以4配比為C55基準配合比，在此基礎(chǔ)上摻入不同摻量長、短纖維進行試配，按表1中的5～11四種配合比。

短纖維的加入時，若要使混凝土要達到4基準配合比的工作性，需要將減水劑的摻量提升至1.1%。在9長纖維摻量為0.92 kg/m、減水劑摻量為1.1%時，混凝土工作性能滿足要求。在相同摻量的情況下，長纖維相較于短纖維其塌落度、工作性都略差，說明長纖維在混凝土中的需水量大于短纖維。

③C55膨脹劑泵送混凝土配合比設(shè)計

以4配比為C55基準配合比，在此基礎(chǔ)上，摻入不同摻量膨脹劑進行試配，按表1中的12、13、14三種配合比。

12滿足施工條件。14配合比下混凝土塌落度滿足要求，但擴展度不足，如需滿足泵送施工條件，進一步提高減水劑用量1.4%。

綜上可知，膨脹劑對混凝土的工作性影響較為顯著。隨膨脹劑摻量增加，混凝土的流動性急劇下降，不能滿足泵送施工要求，需加大減水劑用量以改善混凝土流動性。

(3)C55纖維+膨脹劑復(fù)摻泵送混凝土配合比設(shè)計

以4配比為C55基準配合比，在此基礎(chǔ)上，復(fù)摻纖維、膨脹劑進行試配，按表1中的15配合比，復(fù)摻短纖維0.92 kg/m、膨脹劑0.4%時，其塌落度實驗效果圖如下。

與單摻短纖維、膨脹劑的混凝土相比，復(fù)摻長纖維、膨脹劑使得混凝土塌落度明顯降低。復(fù)摻長纖維、膨脹劑時，若要達到基準組混凝土的流動性，需將減水劑用量提升至1.4%。

4 混凝土的早期收縮與劈裂性能

(1)混凝土的早期收縮性能試驗

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用非接觸式方法測定混凝土的干縮率，試驗設(shè)備為非接觸式混凝土早期收縮測試儀。

測定表2各組混凝土的收縮率，并得到相應(yīng)的收縮曲線。對比單摻纖維、單摻膨脹劑、復(fù)摻纖維與膨脹劑對混凝土收縮性能的影響。每組配比測定3個樣，3 d為1個周期。不摻纖維和膨脹劑的空白組和單摻0.92 kg/m短纖維的實驗組收縮率曲線圖如圖1。

表2 各組混凝土的3 d收縮率

圖1 不同配比混凝土的3 d收縮率曲線

①以混凝土3 d收縮率為例，單摻0.92 kg/m長纖維混凝土的收縮率最小。與空白組相比，其3 d收縮率可降低約35%，收縮率降低值達269×10%；

②與空白組相比，單摻0.92 kg/m短纖維混凝土的3 d收縮率降低約8.3%，其抗收縮效果不如摻長纖維的好；

③與空白組相比，復(fù)摻0.4%膨脹劑+0.92 kg/m短纖維混凝土的收縮率降低約21%；與單摻0.92 kg/m短纖維混凝土相比，復(fù)摻0.4%膨脹劑+0.92 kg/m短纖維的效果較好。

④以復(fù)摻0.4%膨脹劑+0.92 kg/m短纖維混凝土為例，其3 d收縮率為605×10%，23 d收縮率為796×10%，3 d收縮率達23 d的76%。由此表明，混凝土的干燥收縮大部分發(fā)生在早齡期(3 d)。

(2)劈裂抗拉強度

由表3可知，與空白組相比，單摻長纖維混凝土的劈裂抗拉強度最高，3 d增加約40%；28 d增加約45%。單摻短纖維、單摻膨脹劑混凝土的3 d劈裂抗拉強度均較空白組高出約30%左右，28 d高出約23%。

表3 不同配比混凝土的劈裂抗拉強度

綜合上述，從強度、工作性能、早期收縮及劈裂抗拉強度最終選擇9配合比。

5 小 結(jié)

針對工程關(guān)鍵問題，分別進行了混凝土配合比設(shè)計、早期收縮性能及抗開裂性能測定，并對比研究了不同摻量的配合比方案，初步得到如下結(jié)論。

(1)在基準C55混凝土配合比下，單摻短纖維、長纖維、膨脹劑，以及復(fù)摻長/短纖維與膨脹劑，會導(dǎo)致混凝土流動性下降，但通過調(diào)整減水劑用量，可達到泵送施工要求，且均能有效提高混凝土早期(3 d)抗壓強度。單摻纖維混凝土28 d抗壓強度值高達70 MPa以上

(2)與基準C55混凝土(4配比)相比，摻0.92 kg/m聚丙烯纖維(長度6 mm)6配比混凝土的3 d收縮率明顯降低，收縮率降低幅度達143×10%。由此表明，摻入聚丙烯纖維可有效降低新澆筑混凝土的早期收縮率，對預(yù)防與控制裂縫的產(chǎn)生具有較好效果。復(fù)摻0.92 kg/m纖維+0.4%膨脹劑的混凝土試件3d收縮率與基準C55混凝土相當，對抑制混凝土收縮效果不明顯。

(3)與空白組相比，單摻長纖維混凝土的劈裂抗拉強度最高，3 d增加約40%；28 d增加約45%。單摻短纖維、單摻膨脹劑混凝土的3 d劈裂抗拉強度均較空白組高出約30%左右，28 d高出約23%，長纖維混凝土的劈裂抗拉強度好于單摻短纖維、單摻膨脹劑和復(fù)摻短纖維、膨脹劑。