水泥品種、骨料級(jí)配與環(huán)境因素變化對(duì)高性能混凝土塑性開(kāi)裂的影響

翟 超，肖 楊

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，烏魯木齊 830000； 2.新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

近年來(lái)，低水膠比高強(qiáng)和高性能混凝土應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。而高強(qiáng)和高性能混凝土水灰比低，膠凝材料用量大，早期自生收縮也顯著增大[2-3]。在實(shí)際工程中，混凝土的室外養(yǎng)護(hù)往往較試驗(yàn)室的差，正常情況下會(huì)暴露在比較干燥的環(huán)境中，更容易發(fā)生塑性開(kāi)裂。本文以新疆甘河子水庫(kù)面板混凝土為研究對(duì)象，分析不同水泥、骨料級(jí)配以及施工環(huán)境的變化對(duì)高性能混凝土塑性開(kāi)裂的影響，提出預(yù)防早期開(kāi)裂的工程措施，為面板混凝土施工提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置及試件尺寸

本文采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)[4]進(jìn)行早期抗裂試驗(yàn)。尺寸為800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型試件。混凝土骨料最大公稱(chēng)粒徑不應(yīng)超過(guò)31.5 mm。混凝土早期抗裂試驗(yàn)裝置(圖1)應(yīng)采用鋼制模具。

圖1 混凝土早期抗裂試驗(yàn)裝置示意圖(mm)

1.2 試驗(yàn)步驟

1) 將新拌混凝土澆筑在試模內(nèi)，并立即將混凝土攤平，且表面應(yīng)比模具邊框略高。放于振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)密實(shí)(10 s左右)，將表面抹平。

2) 在試件成型30 min后，放置于(20±2)℃、相對(duì)濕度為(60±5)%的環(huán)境中，立即調(diào)節(jié)風(fēng)扇位置和風(fēng)速，使試件表面中心正上方100 mm處風(fēng)速為(5±0.5)m/s，并應(yīng)使風(fēng)向平行于試件表面和裂縫誘導(dǎo)器。

3) 試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)從混凝土攪拌加水開(kāi)始計(jì)算，在(24±0.5)h用放大倍數(shù)為100倍的刻度放大鏡測(cè)裂縫寬度，用鋼直尺測(cè)量裂縫長(zhǎng)度。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

1) 每條裂縫的平均開(kāi)裂面積應(yīng)按下式計(jì)算：

(1)

2) 單位面積的裂縫數(shù)目應(yīng)按下式計(jì)算：

(2)

3) 單位面積上的總開(kāi)裂面積應(yīng)按下式計(jì)算：

c=a×b

(3)

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度，mm，精確到0.01 mm；Li為第i條裂縫的長(zhǎng)度，mm，精確到1 mm；N為總裂縫數(shù)目，條；A為平板的面積，m2，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；a為每條裂縫的平均開(kāi)裂面積，mm2/條；精確到1 mm2/條；b為單位面積的裂縫數(shù)目，條/m2，精確到0.1條/m2；c為單位面積上的總開(kāi)裂面積，mm2/m2，精確到1 mm2/m2。

根據(jù)《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50164-2011)[5]，試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定見(jiàn)表1。

表1 混凝土早期抗裂性能等級(jí)劃分

2 試驗(yàn)方案

2.1 環(huán)境因素設(shè)計(jì)

在施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)在不同施工時(shí)段以及遇到高溫、降雨、大風(fēng)等氣象變化時(shí)測(cè)試溫度和濕度代表值來(lái)作為試驗(yàn)環(huán)境因素，環(huán)境因素的組合設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 面板混凝土配合比

2.2 混凝土配合比

在配合比優(yōu)選的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程部位(混凝土面板)，根據(jù)不同環(huán)境因素影響對(duì)優(yōu)選的配合比進(jìn)一步開(kāi)展混凝土早期抗裂試驗(yàn)，從而評(píng)定混凝土的抗裂等級(jí)。其中，X1代表高抗硫水泥配置的混凝土，X2代表一級(jí)配普通硅酸鹽水泥配置的混凝土，X3代表二級(jí)配普通硅酸鹽水泥配置的混凝土。選取的配合比見(jiàn)表3。

表3 面板混凝土配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，在水泥影響中，高抗硫水泥配置的混凝土試件比普通硅酸鹽水泥配置的試件更容易發(fā)生塑性開(kāi)裂，開(kāi)裂面積是一級(jí)配普通硅酸鹽水泥混凝土的1.2倍，是二級(jí)配的1.5倍。在骨料的影響中，一級(jí)配普通硅酸鹽水泥混凝土比二級(jí)配更容易發(fā)生塑性開(kāi)裂，一級(jí)配開(kāi)裂面積是二級(jí)配的1.3倍。在環(huán)境影響因素中，高溫低濕大風(fēng)條件下試件開(kāi)裂面積最大，在835.6～1 565.2 mm2/m2之間，抗裂性能等級(jí)為Ⅰ級(jí)；其次是高溫恒濕，單位面積總開(kāi)裂面積為：684.5～1 044.8 mm2/m2，抗裂性能等級(jí)為Ⅱ級(jí)；第三是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，單位面積總開(kāi)裂面積為：213.8～465.4 mm2/m2，抗裂性能等級(jí)為Ⅳ級(jí)；第四是高溫高濕環(huán)境，單位面積總開(kāi)裂面積為：148.4～160.6 mm2/m2，抗裂性能等級(jí)為Ⅳ級(jí)；最小的是恒溫高濕環(huán)境，單位面積總開(kāi)裂面積為56.8～67.4 mm2/m2，抗裂性能等級(jí)為Ⅴ級(jí)。通過(guò)及時(shí)覆蓋養(yǎng)護(hù)的混凝土試件未發(fā)生開(kāi)裂，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中2 h后覆蓋養(yǎng)護(hù)的試件單位面積總開(kāi)裂面積為108.6～215.6 mm2/m2，抗裂性能等級(jí)為Ⅳ級(jí)。見(jiàn)表4。

圖2 水泥、骨料及環(huán)境因素對(duì)混凝土塑性開(kāi)裂的影響圖

試件單位面積總開(kāi)裂面積mm2/m2標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境W:20℃/H:62%高溫恒濕W:35℃/H:62%恒溫高濕W:20℃/H:80%高溫高濕W:35℃/H:80%高溫低濕大風(fēng)速W:35℃/H:20%/S:6m/s覆蓋養(yǎng)護(hù)1 h2 hX1465.41044.860.2155.41565.20215.6X2240.7991.467.4160.61333.80138.8X3213.8684.556.8148.4835.60108.6

由原因分析可知，根據(jù)混凝土早期強(qiáng)度值發(fā)展情況，抗硫酸鹽水泥配置的混凝土早期強(qiáng)度高于普通硅酸鹽水泥試件。相應(yīng)地在形成約束時(shí)間上也早于普通硅酸鹽水泥試件，早期混凝土抗拉強(qiáng)度低，在受到約束時(shí)便更容易產(chǎn)生塑性開(kāi)裂。骨料級(jí)配影響同樣是因?yàn)樵缙趶?qiáng)度所致。與高溫恒濕、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、高溫高濕、恒溫高濕相比，在高溫、大風(fēng)、低濕的環(huán)境中，混凝土表面失水更為嚴(yán)重，在干燥收縮應(yīng)力作用下，混凝土表面更容易被拉開(kāi)，形成塑性開(kāi)裂。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)表明，高抗硫水泥配置的混凝土試件比普通硅酸鹽水泥配置的試件更容易發(fā)生塑性開(kāi)裂；一級(jí)配普通硅酸鹽水泥混凝土比二級(jí)配更容易發(fā)生塑性開(kāi)裂；在高溫、低濕、大風(fēng)的環(huán)境更容易發(fā)生塑性開(kāi)裂；因此，在澆筑混凝土面板時(shí)應(yīng)合理選擇合理的時(shí)間，避開(kāi)高溫、低濕、大風(fēng)天氣，同時(shí)配合覆蓋養(yǎng)護(hù)，可以避免塑性開(kāi)裂的發(fā)生，對(duì)于面板工程施工提供技術(shù)保障。