水泥混凝土早期開裂預防控制方法研究

潘國志，張 雷

（喀左縣交通運輸事務服務中心，遼寧 朝陽）

引言

混凝土是公路橋梁施工時一種復合材料的簡稱，其主要由集料膠接而成。混凝土主要使用水泥、砂、石，在合理配比條件中，經攪拌、成型、養護處理制備而成[1]。但目前很多大型工程施工時，沒有嚴格遵循合理配比條件施工，導致公路橋梁施工中混凝土出現裂縫問題[2]。

混凝土屬于脆性材料，抗壓強度顯著，但抗拉強度較弱。混凝土在高溫環境中，受高溫影響其內部水泥結構便會釋放熱量，導致混凝土內部溫度異常升高。再降溫時，材料內部會出現拉應力的異常釋放狀態，此時混凝土便會出現裂縫[3]。結合已有研究資料可知，在施工混凝土中使用礦物摻合料，能夠提高其密度，優化混凝土滲透力、收縮性能、降低混凝土出現裂縫的概率[4]。為此，本文從礦物摻合料合理應用這一角度，研究公路橋梁施工中混凝土裂縫的控制方法。

1 公路橋梁施工中混凝土早期開裂控制方法

公路橋梁施工中，混凝土早期開裂控制方法對于工程的施工效果具有直接的影響。在某公路橋梁工程中，需使用高性能混凝土施工，工程主橋截面使用預應力混凝土結構，而引橋位置引入了預應力混凝土簡支T 梁，見圖1。

圖1 T 梁跨中橫斷面

因此，混凝土的抗裂性能顯得尤為重要，對整個公路橋梁工程施工效果存在直接影響[5]。根據經驗可知，不合理的混凝土配比很容易導致早期裂縫出現的問題（圖2），這不僅會影響公路橋梁工程的施工進度，還會增加后期修補的成本[6]。因此，在混凝土開裂之前，采取措施將裂縫負面影響最小化變得至關重要[7]。為此，本文研究混凝土早期開裂控制方法，確保施工質量能夠達到設計要求。

圖2 橋面裂縫

2 公路橋梁施工中混凝土早期開裂試驗方案設計

2.1 試驗材料詳情

2.1.1 水泥

混凝土早期開裂控制試驗中，使用硅酸鹽水泥，其核心物理力學性質是：初凝時間、終凝時間分別是190 min、243 min。比表面積與標準稠度用水量分別是347 m2/kg、26.2%。安定性檢測合格，3 d 膠砂抗壓強度與抗折強度分別是26.9 MPa、5.7 MPa，28 d 膠砂抗壓強度、抗折強度分別是50.7 MPa、8.6 MPa。硅酸鹽水泥的化學成分信息見表1。

表1 硅酸鹽水泥的化學成分信息

2.1.2 礦物摻合料

粉煤灰：由石家莊馳霖礦產品有限公司生產，技術級別是2 級，密度與比表面積分別是2.61 g/cm3、3 605 cm2。

礦渣：由石家莊馳霖礦產品有限公司生產，密度與比表面積分別是2.96 g/cm3、2 505 cm2。

集料：細集料采用中砂（來源：山東展飛建筑材料有限公司），其細度模數是2.3，堆積密度與表面密度依次是1 511 kg/m3、2 631 kg/m3。粗集料采用石灰巖碎石（來源：汝陽路暢玄武石料有限公司），其粒徑范圍是10 mm～25 mm，堆積密度與表面密度依次是1 661 kg/m3、2 671 kg/m3。外加劑采用聚羧酸高效減水劑（來源：河南涵宇特種建筑材料有限公司），其固含量、減水率分別是19%、26%。

試驗所用粉煤灰、礦渣材料的化學成分信息見表2 和表3。

表3 礦渣材料的化學成分信息

2.2 混凝土試件制備與開裂指標選擇

試驗遵循《普通混凝土長期性能與耐久性實驗方法》GBT50082-2009 中標準，使用平板法檢測混凝土試件抗裂性能，對比分析公路橋梁施工中混凝土裂縫控制方案。

試驗使用的平板型混凝土試件大小是700 mm×500 mm×100 mm，使用霍特型攪拌機（來源：南京江源環保設備有限公司）將拌合物混合，把水泥、粉末狀配料放在攪拌器中，設置攪拌速度是100 r/min，攪拌15 min 后，放入水、外加劑，再次攪拌至混合物性質轉換為液體便可停止。二次攪拌時，設置攪拌器攪拌速度為280 r/min，攪拌9 min，攪拌均勻后，放入模具[8]。試驗中，混凝土試件模具形狀為方形，各邊焊接設定2排螺紋鋼筋，用于約束模具內側，把制備完畢的混凝土試件放入模具，并保證混凝土分布均勻。使用振搗棒攪和混凝土時，不可出現過振、欠振問題，控制混凝土表面處于水平狀態，且骨料未外泄。

混凝土試件入模成型后，把其放在相對濕度、溫度、風速分別是50%、25 ℃、7 m/s 的恒溫恒濕室中，混凝土試件裂縫數據檢測周期設成10 min，放入恒溫恒濕室10 min 后，使用40 倍顯微鏡WYSK-40x，觀察混凝土試件表面的開裂信息，并使用直尺采集試件的開裂數據。試驗中分析混凝土開裂狀態的分析指標，分別是開裂面積均值、單位面積中裂縫數量、開裂面積總值[9]。

（1） 混凝土開裂面積均值b（m2）：

式（1）中：M、Vj依次為混凝土試件裂縫數量總值（個）、裂縫j 的寬度最大值（mm）；Zj為裂縫j 的長度值（mm）。

（2） 混凝土單位面積中裂縫數量c（個）：

式（2）中：B 是平板面積（m2）。

（3） 混凝土開裂面積總值d（m2）：

2.3 混凝土早期開裂方案設計與結果分析

為保證公路橋梁施工中混凝土不出現早裂，試驗以合理設置礦合物比例為控制方法，作為本文重點研究內容。首先分析水膠比的最優比例，水膠比設置時，需要符合公路橋梁施工標準與具體要求，且必須校驗全部施工參數。則分析不同水膠比條件下，公路橋梁施工中混凝土開裂狀態，水膠比配合比方案如下：

（1） 水膠比0.3：水泥555 kg/m3、石灰巖碎石1 111 kg/m3、中砂626 kg/m3、水166 kg/m3、外加劑1.3%。

（2） 水膠比0.35：水泥555 kg/m3、石灰巖碎石1 093 kg/m3、中砂616 kg/m3、水193 kg/m3、外加劑1.0%。

（3） 水膠比0.4：水泥555 kg/m3、石灰巖碎石1 076 kg/m3、中砂606 kg/m3、水221 kg/m3、外加劑0.8%。

（4） 水膠比0.45：水泥555 kg/m3、石灰巖碎石1 058 kg/m3、中砂596 kg/m3、水248 kg/m3、外加劑0.5%。

不同水膠比條件中，公路橋梁施工中混凝土開裂狀態見表1。

分析表4 數據可知，混凝土試件成型后水膠比為0.45 時，混凝土試件出現開裂的時間最晚，出現開裂的時間是2.16 h；單位面積中裂縫數量最少，僅有9條，裂縫寬度均值是0.04 mm，開裂總面積是33.21 mm/m2，相比于其他水膠比條件，水膠比是0.45 時，混凝土試件的抗裂性能最好。原因是水膠比較小時，混凝土試件自生收縮較大，彈性模量快速增大時，便會導致材料松弛能力下降，從而易出現裂縫問題。為此，在本文研究中，采納水膠比0.45 這一配比條件，作為后續試驗的配比條件。

表4 不同水膠比條件中混凝土開裂狀態測試結果

水膠比確定后，設置不同礦物摻合料配比的混凝土裂縫控制方案：

裂縫控制方案1：水膠比0.45、礦物摻合料用量65 kg、礦物摻合料摻量16%、砂率42%、水泥345 kg、中砂734 kg、石灰巖碎石1 060 kg、外加劑5 kg。

裂縫控制方案2：水膠比0.45、礦物摻合料用量85 kg、礦物摻合料摻量21%、砂率42%、水泥325 kg、中砂734 kg、石灰巖碎石1 060 kg、外加劑5 kg。

裂縫控制方案3：水膠比0.45、礦物摻合料用量105 kg、礦物摻合料摻量26%、砂率42%、水泥305 kg、中砂734 kg、石灰巖碎石1 060 kg、外加劑5 kg。

在不同礦物摻合料配比條件中，混凝土開裂狀態見表5。

表5 不同礦物摻合料配比時混凝土開裂狀態測試結果

分析表5 數據可知，混凝土試件成型后，3 個裂縫控制方案對比之下，方案3 的開裂時間最短，說明此方案的抗裂性能最差。裂縫控制方案1 的使用下，混凝土試件出現開裂時間是5.43 h，單位面積中裂縫數量僅有7 條，混凝土試件裂縫寬度均值僅有0.18 mm，開裂面積總值為42.34 mm/m2，和裂縫控制方案2、裂縫控制方案3 對比可知，裂縫控制方案1 制備的混凝土試件，其裂縫數量最少、裂縫寬度最短、開裂面積總值最小，說明此方案中的配比條件，對混凝土裂縫控制效果最優。

綜上所述，為了控制公路橋梁施工中混凝土裂縫問題，在施工中可加入礦物摻合料。最終所得加入礦物摻合料的最優配比方案是：水膠比0.45、礦物摻合料用量65 kg、礦物摻合料摻量16%、砂率42%、水泥345 kg、中砂734 kg、石灰巖碎石1 060 kg、外加劑5 kg。

結束語

早期裂縫屬于塑性收縮開裂問題，這是公路橋梁施工常見的問題，混凝土塑性收縮性能異常是導致早期開裂的核心原因，而拌合物的性質對混凝土的塑性收縮性能有著重要影響。礦物摻合料屬于混凝土的拌合物常用材料，本文設計了不同礦物摻合料配比條件，得到了抗裂性能最優混凝土制備的配比條件。然而，由于篇幅限制，本文未對混凝土水泥選型這一問題進行深入探究，在后續研究中，還需著重分析此問題，從而深度優化公路橋梁施工中混凝土的抗裂性能。