配合比參數(shù)對(duì)C50箱梁混凝土收縮性能的影響

劉家彬， 秦鴻根， 郭 飛， 馬 彪， 龐超明(.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 0096； .東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 89； .江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京 0)

大型橋梁的設(shè)計(jì)壽命一般為100a，因此需要耐久性良好的混凝土材料.橋梁上部結(jié)構(gòu)如箱梁等常用C50高性能混凝土.該混凝土具有高強(qiáng)度、高砂率、大流動(dòng)性等特點(diǎn)，同時(shí)還摻加活性摻和料和高效減水劑[1-2]，但由于水泥水化、骨料沉降、環(huán)境溫濕度變化以及水分蒸發(fā)等因素使得混凝土產(chǎn)生較大收縮變形，甚至出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[3].國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)混凝土收縮性能非常重視，并進(jìn)行了大量研究[4-7]，但在混凝土配合比參數(shù)對(duì)箱梁高性能混凝土收縮影響方面的深入研究不夠，未能全面揭示配合比參數(shù)變化對(duì)混凝土全過(guò)程收縮性能的影響.為此，本文研究了水膠比、砂率、單位用水量、減水劑摻量等配合比參數(shù)的變化對(duì)C50箱梁混凝土全過(guò)程收縮性能的影響規(guī)律，并提出了低收縮混凝土的制備技術(shù)，為類(lèi)似的箱梁混凝土裂縫控制提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料(B)采用P·O 52.5水泥，密度3110kg/m3；Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2310kg/m3.其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的組成、含量、減水率水膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)見(jiàn)表1.細(xì)骨料(S)采用Ⅱ類(lèi)天然河砂，表觀(guān)密度2610kg/m3，堆積密度1580kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.75，含泥量0.6%.粗骨料(G)采用大小兩個(gè)級(jí)配的碎石按8∶2復(fù)配成5～25mm的連續(xù)級(jí)配，表觀(guān)密度2650kg/m3，堆積密度1450kg/m3， 針片狀含量6.8%，壓碎值指標(biāo)8.5%，含泥量0.3%.外加劑采用南京某單位生產(chǎn)的PCA-I型聚羧酸高性能減水劑，減水率28%.

表1 膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions(by mass) of binders %

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土早期收縮試驗(yàn)參照田倩等[8]提出的試驗(yàn)方法，采用SBT-AS100混凝土收縮測(cè)試儀進(jìn)行.混凝土各收縮試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中凝縮[9]試驗(yàn)在密封容器中進(jìn)行，混凝土試件內(nèi)預(yù)埋溫度傳感器，非接觸式位移傳感器用于測(cè)量置于頂端的測(cè)試端頭隨混凝土凝縮而產(chǎn)生的位移，測(cè)試時(shí)間自試件成型后開(kāi)始測(cè)試至混凝土終凝；早期自收縮試驗(yàn)將混凝土拌和物裝入塑料波紋管中，兩端封閉，臥放于測(cè)試儀上，30min后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，測(cè)試至24h；長(zhǎng)期自收縮試驗(yàn)采用已養(yǎng)護(hù)24h的密封波紋管混凝土試件，安裝于立式千分表測(cè)定儀上，測(cè)試混凝土不同齡期的自收縮率；干燥收縮試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》進(jìn)行，成型后標(biāo)養(yǎng)3d，將試件移入恒溫恒濕室內(nèi)，安裝于立式千分表測(cè)定儀上，進(jìn)行測(cè)試.各收縮性能測(cè)試均在(20±2) ℃，相對(duì)濕度(60±5)%進(jìn)行.

1.3 試驗(yàn)方案與配合比

為研究混凝土配合比參數(shù)對(duì)C50箱梁混凝土收縮變形規(guī)律的影響，采用不同水膠比(mW/mB)、砂率(βS)、單位用水量、減水劑(PCA)摻量及石子摻量制備了10組高性能混凝土，其28d抗壓強(qiáng)度均為60～70MPa.配合比列于表2.

圖1 混凝土收縮試驗(yàn)裝置Fig.1 Shrinkage experimental devices for concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)混凝土收縮性能的影響

對(duì)水膠比為0.30，0.33，0.36的3組C50箱梁混凝土試件(WB30，JZ，WB36)進(jìn)行收縮試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示.

由圖2(a)可見(jiàn)，混凝土凝縮值隨水膠比增大而增大，水膠比從0.30增加到0.33和0.36時(shí)，在砂率不變、漿體含量稍有降低的條件下，凝縮值增加了10.3%和25.3%.這是因?yàn)樵龃笏z比，新拌混凝土流動(dòng)性有所增大，沉降收縮增大，有利于水泥的水化，化學(xué)減縮也有所增大.

由圖2(b)可見(jiàn)，前8h混凝土化學(xué)減縮發(fā)展很快，8h后自收縮占主導(dǎo)地位，隨著水泥石的彈性模量逐漸增大，自收縮的增長(zhǎng)速度隨齡期延長(zhǎng)而逐漸減緩；隨著水膠比的減小，混凝土早期自收縮明顯增大，與一般混凝土自收縮的變化規(guī)律相同.

Notes:JZ is the reference group；GY is the concrete with low dosage of water reducing agent and has low slumps；MJ is the concrete with high dosage of water reducing agent and has segregation and bleeding；JP is the concrete with the coarse aggregate in optimal gradation.

圖2 水膠比對(duì)混凝土收縮的影響Fig.2 Effect of water-binder ratio on concrete shrinkage

由圖2(c)可見(jiàn)，混凝土長(zhǎng)期自收縮隨著齡期延長(zhǎng)而不斷增大，混凝土體系中水泥顆粒的水化主要發(fā)生在早期，而且水泥石早期的彈性模量較低，所以其早期自收縮增長(zhǎng)幅度較大，28d后水泥水化減慢，自收縮明顯減緩，60d時(shí)自收縮幾乎趨于穩(wěn)定；隨著水膠比的降低，混凝土后期自收縮明顯增大，且水膠比越小，混凝土自收縮增加幅度越大.

由圖2(d)可見(jiàn)，水膠比為0.33的混凝土90d干燥收縮率達(dá)228×10-6；干燥收縮隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，隨著水膠比的增加而增大.這是因?yàn)楦稍锸湛s主要受混凝土自身密實(shí)度和彈性模量的影響，水膠比減小，孔隙率降低，大孔比例減少，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，水分遷移速度減慢，且水泥石的彈性模量增大，因而使其干燥收縮降低.

由圖2還可見(jiàn)，混凝土凝縮比其他收縮高1個(gè)數(shù)量級(jí)；凝縮與干燥收縮的收縮率均隨著水膠比的增大而增大，而早期自收縮與長(zhǎng)期自收縮均隨著水膠比的增大而減?。凰z比為0.30，0.33和0.36的3組混凝土60d自收縮率分別占同期干燥收縮的68.4%，47.6%和44.4%，這表明隨著水膠比減小，混凝土自收縮所占的比重明顯增大.

2.2 砂率對(duì)混凝土收縮變形性能的影響

對(duì)砂率為35%，38%，41%的3組C50混凝土試件(Sp35，JZ，Sp41)進(jìn)行收縮性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 砂率對(duì)混凝土收縮的影響Fig.3 Effect of sand percentage on shrinkage of concrete

由圖3(a)，(b)可見(jiàn)，砂率增大，C50混凝土試件凝縮和早期自收縮明顯增大，當(dāng)砂率從35%增加到38%，41%時(shí)，7.5h凝縮率相應(yīng)增加了9.2%，19.3%，早期(1d)自收縮率相應(yīng)增加了31%，59%.在本測(cè)試條件下，砂率為41%的C50混凝土凝縮率達(dá)1889×10-6，早期(1d)自收縮率為371×10-6.

由圖3(c)，(d)可見(jiàn)，混凝土長(zhǎng)期自收縮在28d內(nèi)發(fā)展較快，以后逐步變緩，60d后基本趨于穩(wěn)定；砂率對(duì)混凝土長(zhǎng)期自收縮和干燥收縮的影響均較明顯，砂率越大，混凝土的長(zhǎng)期自收縮率和干燥收縮率越大；砂率為35%的C50混凝土試件60d自收縮率達(dá)101×10-6，90d干燥收縮率達(dá)203×10-6.當(dāng)砂率從35%增加到38%和41%時(shí)，C50混凝土60d自收縮率分別增加了9.0%，16.1%，干燥收縮率分別增加了14.5%和30%.3組箱梁C50混凝土的60d自收縮率分別占同期干燥收縮的50%，47.6%，44.6%，表明其所占比重隨著砂率增加而有所減小.

圖3表明，隨著砂率的增大，混凝土的各種收縮率均有所增加.隨著混凝土砂率的增加，體系中粗骨料用量減少，一方面使混凝土流動(dòng)性增大，混凝土的沉降收縮增大；另一方面，砂率增大，粗骨料的用量減少，對(duì)混凝土自收縮和干燥收縮的限制能力減弱.且細(xì)集料含量增大會(huì)使體系總比表面積增大，水泥石中界面過(guò)渡區(qū)增大，孔隙增多，因此，使得各類(lèi)收縮均有不同程度的增大.

2.3 單位用水量對(duì)混凝土收縮性能的影響

對(duì)單位用水量141，156，171kg/m3的3組C50高性能混凝土試件(W141，JZ，W171)進(jìn)行收縮試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)，單位用水量從141kg/m3增加到156，171kg/m3時(shí)，混凝土試件8h凝縮值相應(yīng)增加了9.5%，11.1%；60d自收縮率分別增加了25.3%和57.5%；90d干燥收縮率分別增加了11.1%和26.7%.這表明隨著單位用水量減小，混凝土的凝縮減少，早期自收縮、長(zhǎng)期自收縮和干燥收縮率均降低.JZ組混凝土8h凝縮值達(dá)1720×10-6，60d自收縮率達(dá)107×10-6，90d干燥收縮率達(dá)228×10-6.

圖4 單位用水量對(duì)混凝土收縮的影響Fig.4 Effect of water content on shrinkage of concrete

圖4表明，隨著單位用水量的增加，混凝土的各種收縮均增加.在水膠比相同的情況下，增加單位用水量，混凝土中膠凝材料用量和漿體體積分?jǐn)?shù)上升，水泥漿體積增大，骨料體積分?jǐn)?shù)減小，從而使混凝土的流動(dòng)性增大，黏聚性減小，在重力作用下的沉降收縮增大，使水分蒸發(fā)通道增多；同時(shí)骨料含量減小又會(huì)使抑制收縮的骨架作用減弱，從而加速了混凝土的自收縮和干燥收縮.

2.4 流動(dòng)性對(duì)混凝土收縮性能的影響

通過(guò)改變外加劑摻量，制備了3種流動(dòng)度的C50混凝土(低坍落度塑性混凝土GY、流動(dòng)性適中的混凝土JZ以及有少量離析和泌水的大流動(dòng)性混凝土MJ)，對(duì)其進(jìn)行收縮試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可見(jiàn)，在水膠比一定的條件下，隨著外加劑摻量的增大，混凝土的流動(dòng)性增加，凝縮值增大；長(zhǎng)期自收縮明顯增加，長(zhǎng)期干燥收縮率增大，尤其是MJ組干燥收縮更大.3組混凝土試件GY，JZ，MJ的60d自收縮分別占同期干燥收縮的45.0%，47.6%，47.7%，這表明隨著拌和物流動(dòng)性的增加，混凝土的長(zhǎng)期自收縮所占的比例變化不大.

出現(xiàn)離析泌水的MJ組C50混凝土試件7.5h凝縮值比JZ組混凝土試件增加了14.8%，早期(24h)自收縮比JZ組混凝土試件增加了6.5%,60d 自干收縮率比JZ組混凝土試件分別增加了12%，90d 干燥收縮比JZ組混凝土試件增加了12.0%.

圖5的結(jié)果表明，流動(dòng)性越大，混凝土各類(lèi)收縮率均越大.在混凝土表觀(guān)密度相同的條件下，減水劑摻量越高，漿體的黏度越小，混凝土其黏聚性變差，骨料的沉降增大，促使混凝土的凝縮率增大.當(dāng)混凝土拌合物流動(dòng)性過(guò)大時(shí)，其黏聚性和保水性降低，易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，混凝土沉降速度加快，內(nèi)部泌水通道嚴(yán)重增加，混凝土失水加快，產(chǎn)生的收縮應(yīng)力增大，造成收縮率增大.同時(shí)，流動(dòng)性增大，混凝土中骨料界面層厚度增加，內(nèi)部孔隙率增大，體系均勻性變差，骨料對(duì)收縮的抑制作用減弱，加速了混凝土的收縮.增加混凝土流動(dòng)性不但會(huì)提高混凝土成本，而且使混凝土均勻性變差，收縮和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)明顯增大.因此，在保證施工要求的前提下，應(yīng)盡量減小混凝土的流動(dòng)度，以提高其均勻性和抗裂性.

圖5 流動(dòng)性對(duì)混凝土收縮的影響Fig.5 Effect of flow ability on shrinkage of concrete

2.5 骨料級(jí)配對(duì)混凝土收縮性能的影響

采用一般連續(xù)級(jí)配石子和嚴(yán)格按照級(jí)配曲線(xiàn)中值配制的石子級(jí)配制備的2組C50箱梁混凝土試件(JZ，JP)進(jìn)行收縮變形試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 骨料級(jí)配對(duì)混凝土收縮的影響Fig.6 Effect of aggregate gradation on shrinkage of concrete

由圖6可見(jiàn)，優(yōu)化石子級(jí)配后，混凝土早期收縮受到抑制，8h凝縮減小了11.7%，早期(1d)自收縮減小了47.4%；混凝土長(zhǎng)期收縮明顯減小，60d的自收縮率降低36.5%，90d的干燥收縮率降低了6%.由于2組混凝土試件流動(dòng)性相近，在優(yōu)化骨料級(jí)配后，粗骨料空隙率減小，集料所形成的骨架結(jié)構(gòu)更為致密，混凝土內(nèi)部骨料分布更為均勻.合理的空間分布會(huì)加強(qiáng)骨架對(duì)水泥石收縮的抑制作用，限制混凝土的收縮.同時(shí)，石子阻斷了混凝土內(nèi)部連通孔，減少了泌水通道，使得混凝土的收縮率明顯降低.

3 結(jié)論

(1)降低水膠比，C50箱梁混凝土凝縮減小，干燥收縮減小，但早期(1d)自收縮和長(zhǎng)期自收縮均增大.

(2)砂率增大或者單位用水量增大，C50箱梁混凝土凝縮、自收縮和干燥收縮均增大.通過(guò)降低砂率、減少單位用水量、優(yōu)化石子級(jí)配均可有效減小箱梁混凝土的收縮變形.

(3)隨著減水劑摻量的增大，C50箱梁混凝土流動(dòng)性增大，凝縮、自收縮和干燥收縮均增大.在保證混凝土泵送和密實(shí)成型的條件下，適當(dāng)減小流動(dòng)性，不但可改善混凝土黏聚性和保水性，減小收縮，還可以減小原材料成本.

(4)采用優(yōu)選原材料、優(yōu)化粗骨料級(jí)配、適當(dāng)調(diào)整單位用水量、水膠比和砂率等配合比參數(shù)，控制混凝土流動(dòng)性等技術(shù)措施，可明顯改善C50箱梁高性能混凝土的收縮變形性能，特別是減小了混凝土早期塑性收縮，從而有效提高了其抗塑性開(kāi)裂性能.

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