抗振混凝土收縮及抗裂性能研究

吳小虎

（甘肅蘭州公路管理局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

水泥混凝土水化早期階段，組成水泥的各礦物成分迅速發(fā)生水化反應(yīng)，內(nèi)部骨架初步形成，水泥凈漿硬化，結(jié)構(gòu)形成較小的初始剪應(yīng)力，但由于水化反應(yīng)是一個(gè)漫長的過程，最初階段水化產(chǎn)物較少，混凝土在混凝土內(nèi)部形成的粘結(jié)應(yīng)力較小，對(duì)擾動(dòng)十分敏感。因此現(xiàn)階段加固維修橋梁只能采取封閉橋梁、中斷交通的方式[1-5]。然而，由于交通量繁重，中斷交通會(huì)帶來極大不便。部分橋梁由于處于交通要道，地理位置關(guān)鍵，更是無法中斷交通進(jìn)行施工，只能在開放交通的條件下進(jìn)行維修、加固和改造，當(dāng)車輛從橋面經(jīng)過時(shí)，移動(dòng)的車輛會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生動(dòng)力荷載產(chǎn)生的車橋耦合振動(dòng)會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的變形和應(yīng)力，對(duì)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生作用力，容易造成結(jié)構(gòu)損傷和產(chǎn)生微裂縫，混凝土內(nèi)部是否會(huì)產(chǎn)生大量微小裂縫而影響混凝土使用性能，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究[6-10]。

因此本文通過自制抗振混凝土，研究不同纖維摻量對(duì)混凝土收縮變形與早期開裂的改善作用，研究成果為配制抗振混凝土提供思路，為今后公路混凝土橋梁維修、加固項(xiàng)目提供指導(dǎo)，降低施工時(shí)對(duì)交通的影響。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 水泥

本文選用的水泥為重慶拉法基P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能測試結(jié)果

1.2 鋼纖維

本文試驗(yàn)采用的鋼纖維物理參數(shù)如表2所示。

表2 鋼纖維物理參數(shù)表

1.3 粗集料

本試驗(yàn)采用5～10mm、10～20mm兩檔石灰?guī)r碎石，所配置的混凝土標(biāo)號(hào)為C50混凝土，對(duì)粗集料的技術(shù)要求等級(jí)為Ⅱ級(jí)，粗集料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)

1.4 細(xì)集料

根據(jù)規(guī)范要求，橋涵混凝土用細(xì)集料應(yīng)采用級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、吸水率小、顆粒潔凈的河砂，河砂不易得到時(shí)，也可用硬質(zhì)巖石加工的符合國家標(biāo)準(zhǔn)的人工砂[11-13]。本論文試驗(yàn)所用細(xì)集料為天然河砂，粒度組成均勻合理，顆粒圓整、表面光潔、流動(dòng)性好，細(xì)度模數(shù)為2.56，屬于中砂。本文所用混凝土對(duì)細(xì)集料技術(shù)要求為Ⅱ級(jí)，細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

1.5 外加劑

本文試驗(yàn)采用的外加劑為聚羧酸高效減水劑，其主要性能如表5所示。

表5 聚羧酸高效減水劑性能指標(biāo)

1.6 水

混凝土拌和用水采用自來水，水質(zhì)潔凈、雜質(zhì)含量少，滿足規(guī)范相關(guān)要求。

1.7 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土拌合物中添加鋼纖維后，會(huì)使得混凝土流動(dòng)性降低[14-15]。因此，為達(dá)到施工要求的流動(dòng)性，應(yīng)增加單位用水量及適當(dāng)增大砂率來提高鋼纖維混凝土的流動(dòng)性。本文試驗(yàn)選用三個(gè)鋼纖維摻量，分別為0.5%、1%和1.5%，分別進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，調(diào)整混凝土單位用水量、砂率，使其工作性達(dá)到施工要求，單位用水量和砂率優(yōu)選過程類似于普通混凝土配合比設(shè)計(jì)過程，在此便不再贅述。研究其對(duì)混凝土干燥收縮和溫度收縮的影響，并優(yōu)選出最佳摻量。經(jīng)過計(jì)算試拌，其中第Ⅰ組普通混凝土作為對(duì)照組，按照鋼纖維不同鋼纖維摻量分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組分別研究其變形性能，鋼纖維混凝土配合比如表6所示。

表6 鋼纖維混凝土配合比摻量表（kg/m3）

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 收縮變形性能試驗(yàn)

為研究設(shè)計(jì)的鋼纖維混凝土配合比對(duì)混凝土收縮變形性能的影響，試驗(yàn)條件在選取出的最不利振動(dòng)組合條件下，最不利振動(dòng)參數(shù)組合為A3B1C3D2，即：振動(dòng)頻率為10Hz，振幅為9mm，振動(dòng)時(shí)間為60min，振動(dòng)時(shí)間為5.5h。分別研究不同組混凝土在不同時(shí)間以及不同鋼纖維摻量下的收縮變形性能。

2.2 平板法約束收縮開裂試驗(yàn)

本試驗(yàn)測定混凝土早期開裂的試驗(yàn)方法按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GB/T50082-2009）規(guī)定的平板約束法進(jìn)行，采用的尺寸為800mm×600mm×100mm的平板開裂試模?；炷翝仓瓿珊?，應(yīng)保持表面平整，骨料不外露，試驗(yàn)時(shí)室溫控制在（20±2）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%。試件成型后30min，用風(fēng)扇往試件表面吹風(fēng)，使試件表面中心正上方約100mm處風(fēng)速約為5m/s，要求風(fēng)向平行于試件表面和裂縫誘導(dǎo)器。

采用裂縫綜合測試儀對(duì)裂縫的寬度和深度進(jìn)行測量，寬度測量范圍為0.01～2.1mm，精度為0.01mm，深度測量范圍為10～400mm，精度5%。按照《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 193-2009）按單位面積的總開裂面積將混凝土早期抗裂性等級(jí)分為五個(gè)等級(jí)，如表7所示。

表7 混凝土早期抗裂性等級(jí)表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 干縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

測試計(jì)算得到4組不同配合比混凝土的干燥收縮率隨時(shí)間變化曲線如圖1所示，混凝土的干燥收縮率隨鋼纖維摻量變化曲線如圖2。

圖1 干縮收縮率隨時(shí)間變化曲線

圖2 28d干縮收縮率隨鋼纖維摻量變化曲線

由圖1可以看出，摻入鋼纖維組Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組混凝土干燥收縮率與未添加鋼纖維組Ⅰ混凝土干燥收縮隨齡期變化規(guī)律基本一致。此外，鋼纖維摻量越大，混凝土的干燥收縮率越小。當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%和1.5%時(shí)，其干燥收縮率處于正常干縮范圍內(nèi)，能有效抑制車橋耦合振動(dòng)的影響。由圖2得出，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組混凝土28d干縮收縮率均比Ⅰ組低，即添加鋼纖維的混凝土干燥收縮率明顯比未添加混凝土低。此外，從Ⅰ組-Ⅲ組，混凝土干燥收縮率大致呈線性降低，且降低幅度較大，而從Ⅲ組-Ⅳ組時(shí)，混凝土干燥收縮率下降趨勢明顯變緩，說明在混凝土中，當(dāng)鋼纖維摻量在1%以下時(shí)，鋼纖維顯著降低混凝土干燥收縮率，而當(dāng)鋼纖維摻量超過1%后，鋼纖維的作用效果減弱。

3.2 溫縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

4組不同配合比混凝土的溫度收縮系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖如圖3所示，溫度收縮系數(shù)隨鋼纖維摻量變化規(guī)律如圖4所示。

由圖3可以看出，摻入鋼纖維后混凝土的并沒有改變混凝土的溫縮規(guī)律，總體上溫度收縮系數(shù)在-20～-10℃范圍內(nèi)出現(xiàn)第一個(gè)小高峰，之后在0～10℃范圍內(nèi)由于水分物理狀態(tài)變化導(dǎo)致收縮系數(shù)迅速增長，之后又回落到一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài)。由圖4可得，在最不利振動(dòng)條件下，比較不同摻量鋼纖維混凝土溫度收縮系數(shù)可得，溫縮系數(shù)平均值、高溫平均值和低溫平均值規(guī)律基本一致。當(dāng)鋼纖維摻量從0增加到1%時(shí)，溫度收縮系數(shù)隨著鋼纖維摻量的增加呈線性趨勢降低，鋼纖維對(duì)混凝土溫縮改善效果明顯。而當(dāng)鋼纖維摻量繼續(xù)增加時(shí)，混凝土溫度收縮系數(shù)繼續(xù)降低，但降低趨勢明顯放緩，因此并未充分發(fā)揮出鋼纖維的作用。

圖3 試件溫度收縮系數(shù)隨溫度變化曲線

圖4 試件溫度收縮系數(shù)隨鋼纖維摻量變化曲線

綜合對(duì)比可知，當(dāng)鋼纖維摻量為1%時(shí)，對(duì)混凝土的干燥收縮和溫度收縮改善效果都比較明顯，且能充分發(fā)揮鋼纖維的作用。

3.3 平板法約束收縮開裂試驗(yàn)

振動(dòng)對(duì)混凝土性能影響最大的組合為A3B1C3D2，為研究在最不利振動(dòng)組合下鋼纖維對(duì)混凝土早期開裂的改善效果，分別對(duì)比素混凝土在靜置和最不利振動(dòng)組合下，以及鋼纖維混凝土在最不利振動(dòng)組合條件下的開裂情況，測試結(jié)果如表8所示。

表8 混凝土早期平板收縮開裂結(jié)果表

從表7可以看出，素混凝土在未受振動(dòng)影響時(shí)單位面積的總開裂面積較小，抗裂性能等級(jí)為Ⅲ級(jí)，在受到最不利振動(dòng)組合影響下，素混凝土抗裂性能明顯變差，裂縫數(shù)量增多，裂縫最大寬度、平均開裂面積、單位面積開裂裂縫數(shù)目及單位面積的總開裂面積明顯增大，抗裂性等級(jí)為I級(jí)。摻入鋼纖維后，鋼纖維能顯著改善振動(dòng)混凝土的早期開裂效果。裂縫最大寬度、平均開裂面積、單位面積開裂裂縫數(shù)目及單位面積的總開裂面積均較素混凝土有較大下降，抗裂性能得到提升，與未受振動(dòng)的素混凝土相比，裂縫最大寬度更小，這是由于混凝土振動(dòng)形成微裂縫時(shí)，鋼纖維在混凝土中承受拉應(yīng)力，對(duì)裂縫的產(chǎn)生起到一定的阻礙作用，延緩裂縫的擴(kuò)展；平均開裂面積、單位面積開裂裂縫數(shù)目、單位面積的總開裂面積稍大于未受振動(dòng)的素混凝土，但差距并不大，抗裂性能等級(jí)均為Ⅲ級(jí)。

因此，從混凝土收縮變形開裂性能考慮，振動(dòng)作用后會(huì)劣化混凝土性能，使混凝土收縮變形增大，早期抗裂性能變差，裂縫增多。通過摻加鋼纖維能有效改善混凝土性能，控制混凝土收縮變形，限制微裂縫的發(fā)展，提高混凝土的抗裂等級(jí)。此外，在本文試驗(yàn)中，鋼纖維體積摻量為1%時(shí)為最佳摻量。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)抗振混凝土的常規(guī)收縮變形以及平板法約束收縮開裂試驗(yàn)研究不同鋼纖維摻量、凝結(jié)時(shí)間、溫度等因素對(duì)抗振混凝土干燥收縮和溫度收縮大小的影響，并得出以下結(jié)論：

1）在混凝土中添加鋼纖維后，其干燥收縮和溫度收縮均明顯減小，振動(dòng)對(duì)混凝土影響得到有效控制。

2）鋼纖維摻量0.5%、1.0%、1.5%三個(gè)摻量中，摻量從0.5%到1.0%范圍變化時(shí)，混凝土收縮值線性降低，鋼纖維作用效果明顯，當(dāng)摻量從1.0%到1.5%范圍變化時(shí)，收縮值變化率減緩，多添加的鋼纖維作用并沒有充分發(fā)揮，因此混凝土中鋼纖維摻量在1%左右時(shí)效果較好，也比較經(jīng)濟(jì)。

3）通過平板法約束收縮開裂試驗(yàn)，振動(dòng)后混凝土裂縫明顯比未振動(dòng)混凝土裂縫增多，而添加鋼纖維后混凝土裂縫數(shù)量及寬度顯著降低，鋼纖維在混凝土中延緩了裂縫的發(fā)展。