環(huán)境對混凝土冷縫力學(xué)性能影響的試驗研究

鐵新納　李立青　袁群　李宗坤

摘要：為系統(tǒng)研究冷縫對混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，針對氣溫、澆筑時間間隔等因素，以帶冷縫面的混凝土試件為研究對象，進(jìn)行抗折、劈裂、抗?jié)B、抗凍性能的試驗研究。結(jié)果表明，冷縫的存在顯著降低了混凝土的抗折和劈拉強度；澆筑時間間隔相同時秋季冷縫面的抗折、劈拉強度最高，夏季次之，冬季最低；混凝土冷縫面的抗折和劈拉強度及抗?jié)B、抗凍性能總體上均隨澆筑時間間隔的增加呈減弱趨勢，不同的是抗折和劈拉強度在混凝土初凝時間與終凝時間之間存在最劣點。

關(guān)鍵詞：混凝土冷縫；力學(xué)性能；最劣點；澆筑時間間隔；養(yǎng)護條件

混凝土澆筑特別是大體積水工混凝土澆筑過程中，時常因意外停電、機械設(shè)備損壞等而澆筑中斷，若中斷時間超過混凝土的初凝時問且澆筑面沒有適當(dāng)處理，則將在兩期混凝土之問形成厚度很薄的冷縫面。已有資料表明，一般情況下冷縫面處混凝土的黏結(jié)強度較低，對結(jié)構(gòu)的劈裂、抗?jié)B、抗折等性能損害嚴(yán)重，是影響結(jié)構(gòu)安全的病害面。目前已有學(xué)者針對冷縫病害狀況進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)補強加固研究?？崾钇诨炷翝仓^程中冷縫面處強度降低顯著的試驗結(jié)果表明，溫度對混凝土冷縫面的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響?？紤]到我國地域廣闊，南北方溫度差異明顯，氣候條件同樣會對混凝土冷縫面的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。為此，本文綜合考慮混凝土澆筑時間間隔、澆筑溫度等影響因素，通過抗折、劈裂、抗凍、抗?jié)B試驗研究冷縫面對混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，以期為帶冷縫混凝土結(jié)構(gòu)可靠性的評估及補強加固提供技術(shù)支持。

1試驗原材料及試驗方法

1.1試驗原材料

（1）水泥。選用P·0 32.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

（2）集料。粗集料為粒徑4.75-31.50 mm的石灰石質(zhì)碎石；細(xì)集料為普通河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂。粗、細(xì)集料直接取自工地，其各項物理性能指標(biāo)滿足混凝土配制要求。

（3）水。水為生活用自來水，不含對混凝土性能有負(fù)面影響的有害成分。

（4）混凝土配合比設(shè)計。混凝土采用普遍應(yīng)用的C25混凝土，其配合比為水泥：水：砂：石=1.00：0.49：2.06：3.14。

1.2試驗方法

參照《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行試件的制作和力學(xué)性能測試。試驗地點在河南省鄭州市，分夏、秋、冬三個時段進(jìn)行，夏季在7月中下旬、秋季在10月中下旬、冬季在12月中下旬。試件澆筑時各季節(jié)的平均氣溫分別為33.2、18.6、-2.5℃。養(yǎng)護方式為自然養(yǎng)護，分別于夏季、秋季、冬季測試混凝土的初凝時間與終凝時間。測試結(jié)果表明，3種環(huán)境下混凝土的初凝時間相差不超過15 min，終凝時間相差不顯著。為便于后期的數(shù)據(jù)處理，混凝土試件制作過程中均取混凝土的初凝時間為3 h，終凝時間為6 h。為系統(tǒng)研究澆筑時間間隔對混凝土冷縫面力學(xué)性能的影響，選取先后兩期混凝土澆筑時間間隔分別為1.5、3.0、4.5、6.0、24.0 h。先澆筑試件的第1部分，振搗密實，不涂刷任何界面劑，達(dá)到指定的時間問隔后再澆筑第2部分混凝土；同時澆筑一組整體試件作為參照樣。此外，預(yù)留一組尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，以測定混凝土的實際抗壓強度。試件澆筑完畢立即運往室外，24 h后拆模，灑水養(yǎng)護7 d，然后自然養(yǎng)護至28 d后進(jìn)行試驗。

抗折、抗凍試件的尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm：劈裂抗拉強度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；抗?jié)B試件為復(fù)合圓臺體，上底直徑為175mm、下底直徑為185 mm、高為150 mm。

2試驗結(jié)果及分析

2.1混凝土冷縫面的抗折強度

抗折試件制備時將冷縫設(shè)在中間，試驗采用兩點對稱加載方式（見圖1）。

圖2為澆筑時間間隔與混凝土冷縫面抗折強度與28d抗壓強度比值的關(guān)系曲線。由圖2可知，混凝土冷縫面的抗折強度受澆筑時季節(jié)氣溫、澆筑時間間隔影響很大。

（1）夏季、秋季、冬季未設(shè)冷縫的參照試件28 d抗折強度分別為4.17、3.45、2.06 MPa，夏季澆筑的混凝土28 d抗折強度最高，表明氣溫高的夏季混凝土強度發(fā)展快，冬季氣溫較低時強度發(fā)展變緩。這與混凝土的凝結(jié)硬化速度受溫度影響一致，溫度越高，強度發(fā)展越快。

（2）澆筑時間間隔相同時基本上是秋季混凝土冷縫面抗折強度與抗壓強度的比值最高，夏季次之，冬季最低。超過終凝時間后形成冷縫試件的抗折強度與抗壓強度的比值隨混凝土澆筑時間間隔的變化不大，影響趨于穩(wěn)定：時間間隔超過1 d后，可按新老混凝土黏結(jié)面對待。這與文獻(xiàn)的結(jié)論基本一致：兩期混凝土的澆筑時間間隔超過一定時間后，間隔時間的長短對黏結(jié)強度的影響不太顯著。

（3）隨澆筑時間間隔遞增，夏季、秋季混凝土冷縫面抗折強度與抗壓強度的比值整體呈現(xiàn)先降低而后稍有增高的趨勢。該現(xiàn)象說明存在最劣點，即在該時間間隔點澆筑后期混凝土?xí)r抗折強度下降率達(dá)到最大值，在該時間間隔點最不宜澆筑新混凝土。本試驗中該間隔點位于混凝土的初凝和終凝之間。原因分析如下：先澆混凝土初凝后其結(jié)構(gòu)內(nèi)部已形成了初期的C-S-H凝膠和鈣礬石等網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，后期混凝土澆筑時的振搗會在一定程度上破壞先澆混凝土形成的強度骨架結(jié)構(gòu)，致使兩期混凝土接觸面處的黏結(jié)強度大幅降低，從而影響到試件的抗折強度。冬季混凝土冷縫面抗折強度與抗壓強度的比值隨澆筑時間間隔的增加變化不顯著。

2.2混凝土冷縫面的劈裂抗拉強度

劈裂試件制備時，冷縫面設(shè)置在試件中部且呈水平方向，澆筑及加載示意見圖3。

圖4為澆筑時間間隔與混凝土冷縫面劈裂強度與28 d抗壓強度比值的關(guān)系曲線。由圖4可知，澆筑時間間隔相同時，混凝土冷縫面的劈裂強度與抗壓強度比值的發(fā)展趨勢和抗折強度與抗壓強度比值的趨勢相近，秋季最高，夏季稍低，冬季最低。從降低率來看，夏季冷縫面比值的最大降低率為61.0%；秋季冷縫面受澆筑時間間隔的影響相對較小，最大降低率為38.1%；冬季冷縫面的最大降低率為33.0%。冬季兩期混凝土黏結(jié)面的劈裂強度與抗折強度發(fā)展趨勢較為相似，在研究范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯最劣點。原因在于，冬季低溫下室外混凝土初凝時問稍有延緩，澆筑時間間隔較短時先澆混凝土形成的強度骨架結(jié)構(gòu)較弱，與后澆混凝土的水化進(jìn)程相差不顯著，故而黏結(jié)面強度下降不明顯：澆筑時間間隔較長時兩期混凝土水化進(jìn)程相差較大，致使冷縫面強度下降顯著，然而先澆混凝土長時間置于寒冷空氣中已被凍實，后期混凝土澆筑過程的振搗對先澆混凝土形成強度骨架結(jié)構(gòu)的影響不明顯，故而未出現(xiàn)明顯最劣點。

2.3混凝土冷縫面的抗凍性

抗凍試件的制作與抗折試件相同。養(yǎng)護至28 d，按《水工混凝土試驗規(guī)程》中速凍法在混凝土自動快速凍融設(shè)備上試驗。因混凝土未摻加外加劑，抗凍性能總體較差，經(jīng)10次凍融循環(huán)后試件表面剝落嚴(yán)重，自振頻率很不穩(wěn)定，且時常有試件從冷縫面處斷開，故而采用試件的質(zhì)量損失率超過5%，或從冷縫面處斷開時的循環(huán)次數(shù)作為判斷試件破壞的依據(jù)。試驗結(jié)果見圖5、圖6。由圖5可知，澆筑時間間隔分別為0、1.5、3.0、4.5、6.0 h時每組試件抗凍融循環(huán)次數(shù)的平均值分別為30.0、23.3、25.0、21.7、21.7。混凝土冷縫面的抗凍性比參照混凝土差，且隨著澆筑時間間隔的增加，帶有冷縫面混凝土試件的抗凍性能逐漸降低，試件的破壞形式不再以質(zhì)量損失率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而由混凝土在冷縫面處被凍斷的循環(huán)次數(shù)控制。由此可見，冷縫的存在顯著降低了試件的抗凍性能。

圖6為夏季、秋季、冬季混凝土冷縫面抗凍性能與澆筑時間間隔的關(guān)系。由圖6可知，季節(jié)（溫度）對各階段冷縫面的抗凍性能影響顯著，混凝土澆筑時間間隔相同時秋季冷縫面的抗凍性能最好，夏季次之，冬季最差。隨著混凝土澆筑時間間隔的增加，各季節(jié)帶冷縫試件的抗凍性能整體呈下降趨勢。