現(xiàn)代預(yù)拌混凝土收縮估算及試驗(yàn)對(duì)比分析

范潔群

預(yù)拌混凝土施工期間開(kāi)裂仍是目前混凝土現(xiàn)澆施工中普遍存在的問(wèn)題,有成功的防治經(jīng)驗(yàn)也有很多失敗教訓(xùn)。對(duì)預(yù)拌混凝土施工期間裂縫的防治可從3個(gè)方面著手:1)減小混凝土的絕對(duì)收縮量;2)改善混凝土的內(nèi)、外約束條件;3)提高混凝土的抗(拉)裂能力。其中,首要方面要采取措施減小混凝土的絕對(duì)收縮量。

現(xiàn)代大量使用的預(yù)拌混凝土由于泵送施工對(duì)拌合物性能的要求,水泥性能的改變及外加劑、摻合料等組分的使用使現(xiàn)代混凝土的收縮產(chǎn)生了較大的變化,正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)代預(yù)拌混凝土收縮發(fā)展的變化規(guī)律,分析其對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響,從而正確選擇有效的裂縫防治措施有非常重要的意義。

1 混凝土收縮的估算模式及影響因素分析

國(guó)內(nèi)外很多技術(shù)文獻(xiàn)基于不同的試驗(yàn)研究和經(jīng)驗(yàn),對(duì)于混凝土收縮建議有不同的估算方法,其中具有代表性的有我國(guó)學(xué)者王鐵夢(mèng)推薦提出的國(guó)內(nèi)模式、ACI209委員會(huì)提出的ACI式、歐洲使用較多的CEB式、Bazant和Pantula提出的BP式等估算模式。

國(guó)內(nèi)估算模式:任意時(shí)間素混凝土(包括低配筋混凝土)收縮量計(jì)算公式如下:

公式含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。該模式主要考慮了水泥品種、水泥細(xì)度、骨料種類(lèi)、水灰比、水泥漿量、初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間、使用環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸、操作方法及配筋率十種影響因素。

ACI混凝土收縮估算公式是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混凝土收縮值的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定各影響因素偏離標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)的校正系數(shù)建立的,其基于Branson的試驗(yàn)研究按兩種初養(yǎng)方式估算。

影響混凝土收縮性能的因素可以總結(jié)為以下4個(gè)大項(xiàng):時(shí)間(齡期);原材料及配合比;操作方法、養(yǎng)護(hù)、環(huán)境條件;構(gòu)件情況,共26個(gè)小項(xiàng)。以上各收縮估算模式均是時(shí)間(齡期)的函數(shù),均考慮了環(huán)境濕度的影響,多數(shù)考慮了構(gòu)件的形狀、尺寸及水灰比、水泥用量的影響。均沒(méi)有考慮水泥強(qiáng)度等級(jí)、骨料級(jí)配、骨料含泥量、骨料用量、單位用水量的影響。另外也均沒(méi)有考慮礦物摻合料、外加劑、纖維摻加的影響,目前在我國(guó)預(yù)拌混凝土中幾乎都摻加了一定量的外加劑和礦物摻合料。風(fēng)速也會(huì)在很大程度上影響新澆混凝土的水分蒸發(fā)、散失速率,進(jìn)而影響混凝土的干燥收縮,這在大坍落度混凝土澆筑的早期尤其明顯。水泥細(xì)度也是影響預(yù)拌混凝土收縮性能的重要因素,但在上述估算模式中,只有王鐵夢(mèng)教授推薦的模式中考慮了這一因素。B—P模式直接考慮了混凝土強(qiáng)度等級(jí)因素對(duì)收縮的影響。

2 國(guó)內(nèi)估算模式和ACI模式收縮值與齡期關(guān)系計(jì)算對(duì)比分析

1)國(guó)內(nèi)估算模式模擬計(jì)算。

國(guó)內(nèi)估算模式中(文獻(xiàn)[1]),按目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)情況之一(地下結(jié)構(gòu)墻,C40),確定其各修正系數(shù):

使用普通硅酸鹽水泥,取 M1=1.00;

水泥細(xì)度,比表面積按360m2/kg,取 M2=1.08;

采用花崗巖粗骨料,取 M3=1.00;

按水灰比0.400,取 M4=1.00;

水泥漿量(重量比)按28%,取 M5=1.35;

初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間按3 d,自然狀態(tài)硬化,取 M6=1.09;

環(huán)境濕度按50%,取 M7=1.00;

構(gòu)件(墻體)高 4m,厚 350mm,r=0.6,自然狀態(tài)硬化,取M8=1.40;

機(jī)械振搗,取 M9=1.00;

按配筋率(包括模量比)0.02,取 M10=0.94。

另外,考慮養(yǎng)護(hù)條件一般,取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b=0.01,將以上系數(shù)代入下式,得混凝土任意時(shí)間收縮值:

為方便對(duì)比,收縮以微應(yīng)變(10-6)表達(dá)。

2)ACI估算模式模擬計(jì)算。

ACI估算模式中,按混凝土潮濕養(yǎng)護(hù),計(jì)算其后的收縮值。式中的t是指“混凝土經(jīng)最初的潮濕養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)之后的時(shí)間”,以天表示,因此,該模式并不能估算最初的潮濕養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)這段時(shí)間的收縮。

其他條件保持與1)相同,確定如下:

混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)7 d后的自由收縮:

各修正系數(shù)取值如下:

考慮到混凝土墻體養(yǎng)護(hù)困難,并盡可能估算出早期的收縮,潮濕養(yǎng)護(hù)天數(shù)取為1 d,取 γcp=1.2;

環(huán)境濕度按50%,取 γλ=0.90;

仍考慮為墻體,高4m,長(zhǎng)6m,厚350mm,分別按兩種方法修正,綜合取 γh=0.64;

混凝土坍落度按180mm,取γs=1.18;

砂率按40%,取 γφ=1.0;

水泥用量按470kg,取 γc=1.04;

新拌混凝土含氣量按1%,取 γα=0.96。

將以上系數(shù)代入下式,得該模式下混凝土任意時(shí)間收縮值:

應(yīng)注意混凝土收縮的實(shí)際齡期是(t+1)d。

在混凝土澆筑后至30d齡期內(nèi),ACI估算模式的計(jì)算結(jié)果明顯高于國(guó)內(nèi)估算模式,究其原因,與國(guó)內(nèi)模式相比,ACI模式多考慮了水泥用量、混凝土坍落度、構(gòu)件形狀尺寸等影響因素,而這些因素在本算例中均有增大收縮量的作用:水泥用量偏多(470kg);混凝土坍落度偏大(180mm);構(gòu)件為墻體,與空氣接觸面積大,水分蒸發(fā)、散失快;同時(shí),ACI模式?jīng)]有考慮配筋等可以抑制混凝土收縮的因素。

另外,與傳統(tǒng)干硬性混凝土相比,現(xiàn)代預(yù)拌混凝土使用的水泥顆粒細(xì)度更大(比表面積達(dá)350m2/kg～400m2/kg),普遍摻加外加劑、礦物摻合料,泵送施工要求混凝土流動(dòng)性大等,造成其收縮性能尤其是早期收縮性能與傳統(tǒng)干硬性混凝土有明顯不同,其中,水泥顆粒細(xì)度加大,大流動(dòng)性導(dǎo)致現(xiàn)代預(yù)拌混凝土總收縮量更大,早期收縮發(fā)展更快,見(jiàn)圖1。

3 結(jié)語(yǔ)

需要說(shuō)明的是,雖然已經(jīng)有較多的試驗(yàn)及工程實(shí)踐數(shù)據(jù)表明現(xiàn)代預(yù)拌混凝土的總收縮量變大,且早期收縮發(fā)展快(這兩點(diǎn)對(duì)混凝土施工期間的早期開(kāi)裂影響尤為嚴(yán)重),但仍然沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)可以對(duì)以上收縮估算模式進(jìn)行修改,還需要不斷的數(shù)據(jù)積累及理論分析,以期使以上收縮估算模式更完善,更符合我國(guó)目前普遍使用的預(yù)拌混凝土的實(shí)際情況。

[1]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[2]汪 瀾.水泥混凝土組成、性能及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2005.

[3]馮乃謙,顧晴霞.混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與對(duì)策[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4]匡 燁.混凝土收縮和徐變影響因素分析[J].山西建筑,2008,34(1):173-174.