內(nèi)養(yǎng)生橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能

謝政專，周勝波，韋萬峰，劉衛(wèi)東，焦曉東，王 彬

(1.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，南寧 530007;2.廣西交科集團有限公司，南寧 530007)

0 引 言

引起橋面鋪裝混凝土開裂的原因通常分為荷載應(yīng)力和收縮應(yīng)力，前者約占20%，后者約占80%，早期裂縫是混凝土早期破壞的主要原因之一[1]?；炷猎缙谒苄蚤_裂一般發(fā)生在混凝土澆筑成型后至漿體硬化產(chǎn)生強度之前，該階段混凝土中水分快速蒸發(fā)，引起混凝土內(nèi)部毛細(xì)管收縮應(yīng)力增大，混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力增長到一定的應(yīng)力水平時，混凝土內(nèi)部將會產(chǎn)生裂縫。裂縫的出現(xiàn)，將弱化混凝土承受荷載能力，并加速外界有害物質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲入，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。因此，研究如何提升橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能是非常必要的。

國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土抗早期塑性開裂進行了廣泛研究。Breitenbucher等[2]研究分析了產(chǎn)生混凝土早期裂縫的原因及表現(xiàn)形式。Mangold[3]研究發(fā)現(xiàn)混凝土中通過摻加聚丙烯能夠一定程度上減少自收縮、干縮并提升混凝土抗塑性開裂的性能。賀磊等[4]通過內(nèi)摻膨脹劑提升了混凝土抗塑性開裂能力。江晨暉等[5]研究了減縮劑對混凝土早期開裂的影響，實驗結(jié)果表明，添加減縮劑大大減少了混凝土早齡期的自由收縮，降低了早齡期開裂的風(fēng)險。張建峰等[6]通過摻入改性聚乙烯醇纖維或聚丙烯纖維，有效抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴展。鐘佩華等[7]研究表明摻入高吸水性樹脂(Super Absorbent Polymer,SAP)能有效降低混凝土的自收縮，同時混凝土的抗氯離子侵蝕和抗凍性均有所提升。魏定邦等[8]采用SAP內(nèi)養(yǎng)護法可有效抑制機制砂混凝土的自收縮和干燥收縮，顯著降低機制砂混凝土在模擬環(huán)境條件下的開裂風(fēng)險。張守祺等[9]通過添加SAP降低了混凝土自收縮和干燥收縮。國內(nèi)外較多學(xué)者[10-12]正在積極關(guān)注高吸水性樹脂在混凝土中的運用情況，大量研究表明，在混凝土中摻加高吸水樹脂作為內(nèi)養(yǎng)生材料，可以顯著改善硬化混凝土的收縮開裂。

當(dāng)前，針對山區(qū)或復(fù)雜施工條件外部灑水養(yǎng)護不到位條件下，大大增加了混凝土發(fā)生早期開裂的可能性，而內(nèi)養(yǎng)生材料是一種具有高吸水、高保水性及緩慢釋水性的材料，內(nèi)養(yǎng)生材料的摻入能夠有效保持混凝土內(nèi)部的濕度，避免混凝土發(fā)生早期塑性開裂。橋面鋪裝混凝土直接承受車輛荷載及車輛磨耗的作用，鋪裝質(zhì)量要求嚴(yán)格，必須避免橋面鋪裝混凝土發(fā)生早期塑性開裂的情況，目前對內(nèi)養(yǎng)生材料在橋面鋪裝混凝土的應(yīng)用研究尚還未見報道。本文將采用內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)，通過引入內(nèi)養(yǎng)生材料來探討內(nèi)部養(yǎng)生環(huán)境下橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能的發(fā)展規(guī)律，為橋面鋪裝混凝土內(nèi)摻內(nèi)養(yǎng)生材料的應(yīng)用效果評價提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；機制砂取自云南省保山市羊支茂采石場I類中砂，河砂取自保山市會東采砂場Ⅱ類中砂；碎石來源于保山市羊支茂采石場；水為市政生活用水；減水劑為北京橋智恒信科技有限公司的LZ-RI(標(biāo)準(zhǔn)型)，內(nèi)養(yǎng)生材料系廣西交科集團有限公司自主研發(fā)產(chǎn)品，該內(nèi)養(yǎng)生材料是一種高吸水樹脂聚合物材料，摻入水泥基材料中能起到內(nèi)養(yǎng)護減少收縮的作用。向混凝土中引入內(nèi)養(yǎng)生材料作為養(yǎng)護因子，預(yù)吸收自由水分，并在后期膠凝材料水化環(huán)境中逐漸釋放出預(yù)吸收的水分，有效保障膠凝材料充分水化和膠凝產(chǎn)物的形成，使混凝土實現(xiàn)“自我內(nèi)部逐步養(yǎng)生”。原材料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1～表5所示。由于現(xiàn)場實體工程中細(xì)集料較多，采用機制砂與河砂復(fù)摻，本試驗細(xì)集料采用機制砂與河砂按質(zhì)量比例摻合?；炷僚浜媳热绫?所示，混凝土的制備工藝為先將粗骨料、細(xì)骨料、水泥、內(nèi)養(yǎng)生材料依次加入混凝土攪拌鍋中攪拌20 s，待其混合均勻，再將水和減水劑緩慢加入繼續(xù)攪拌5 min。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of cement

表2 細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of fine aggregate

表3 粗集料的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of coarse aggregate

表4 減水劑的技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators of water reducing agent

表5 內(nèi)養(yǎng)生材料的技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indicators of internal curing meterials

表6 混凝土配合比Table 6 Mix proportions of concretes

1.2 實驗方法

本試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的平板約束法來進行混凝土的抗早期塑性開裂研究，裝置采用鋼制模具，尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，并在內(nèi)部均勻布置7根高度為72 mm的裂縫誘導(dǎo)器，混凝土抗早期裂縫測試裝置示意圖如圖1所示。通過裂縫寬度觀測儀人工采集塑性開裂參數(shù)來評價混凝土的抗塑性開裂能力。試驗過程中將新拌好的混凝土澆筑完成并收漿抹面靜止30 min，然后用功率可控的電風(fēng)扇對混凝土試件表面吹風(fēng)，風(fēng)速保持在5 m/s左右。塑性開裂過程檢測計時從新拌混凝土收漿抹面后開始，時間分別設(shè)為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、8 h、16 h、24 h，通過裂縫寬度觀測儀采集塑性裂縫參數(shù)(包括單位面積裂縫條數(shù)、最大寬度、最大長度以及總塑性開裂面積)。

圖1 混凝土抗早期裂縫測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of concrete anti-early cracking test device

現(xiàn)場驗證試驗按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)的要求，橋面鋪裝混凝土面層的厚度不宜小于80 mm，層內(nèi)應(yīng)配置鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑不應(yīng)小于8 mm，間距不宜大于100 mm。通過特定鋼設(shè)計兩塊尺寸為1 500 mm×1 500 mm×100 mm的橋面鋪裝模具，其內(nèi)部采用冷軋帶肋鋼筋焊網(wǎng)，焊網(wǎng)鋼筋公稱直徑為10 mm，間距為100 mm，用于橋面鋪裝實體工程驗證試驗，符合現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40)的規(guī)定，試件收漿抹面后放置室外自然養(yǎng)護，采集塑性裂縫參數(shù)方式同上述平板約束法。

采用裂縫寬度觀測儀采集塑性裂縫參數(shù)，試驗結(jié)果計算及確定按下列規(guī)定：

每條裂縫的平均開裂面積應(yīng)按式(1)計算：

(1)

單位面積的裂縫數(shù)目應(yīng)按式(2)計算：

(2)

單位面積上的總開裂面積應(yīng)按式(3)計算：

c=a×b

(3)

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度，mm；Li為第i條裂縫的長度，mm；N為總裂縫數(shù)目；A為平板的面積，mm2；a為每條裂縫的平均開裂面積，mm2；b為單位面積的裂縫數(shù)目；c為單位面積上的總開裂面積，mm2/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)養(yǎng)生對混凝土早期開裂率的影響

在測試期間，實際監(jiān)測的溫度范圍為18～22 ℃，濕度范圍為30%～60%。通過平板約束法對混凝土抗早期塑性開裂性能進行測試，成型后檢測試件的塑性開裂情況。圖2是摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規(guī)律，由圖2可知內(nèi)養(yǎng)生材料的摻入對混凝土單位面積開裂率的影響明顯，普通混凝土成型1 h時出現(xiàn)裂縫，在1～4 h硬化階段裂縫迅速發(fā)展，而摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土1.5 h后才出現(xiàn)裂縫，在1.5～4 h裂縫發(fā)展規(guī)律與未摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土的裂縫發(fā)展規(guī)律相類似。當(dāng)檢測時間為16 h時普通混凝土試件單位面積開裂率達到了0.12%，而摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土試件大大降低了單位面積開裂率，且在0.1%～0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)摻量下，隨著摻量的增加，混凝土的抗早期塑性開裂性能效果越好，單位面積開裂率分別降低到0.019%、0.004 7%、0.004 4%。內(nèi)養(yǎng)生材料的摻入抑制了混凝土早期水分的蒸發(fā)，維持水泥持續(xù)水化需水，有效降低了混凝土早期塑性開裂的概率。對于普通混凝土試件來說，新拌混凝土暴露于環(huán)境中，同時在其表面進行吹風(fēng)(風(fēng)速5 m/s)，試件表面水分快速蒸發(fā)，在相同時間內(nèi)，內(nèi)部水分不能滿足膠凝材料水化所需水量，混凝土將發(fā)生體積收縮，當(dāng)收縮應(yīng)力超過混凝土早期水泥硬化強度時，混凝土便會出現(xiàn)收縮微裂縫，加速了混凝土的早期塑性開裂。在4 h時，開裂面積達到了1 219 mm2/m2，抗塑性開裂性能較差。

圖2 空白與摻入內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規(guī)律Fig.2 Change law of total cracking rate per unit area of blank and mixed with internal curing materials concrete with hardening time

2.2 內(nèi)養(yǎng)生對混凝土抗早期塑性開裂性能的影響

內(nèi)養(yǎng)生材料是一種具有親水基團的高分子材料，其吸收的一部分水是以氫鍵形式結(jié)合而被固定在高分子鏈上，這部分水需要較大的能量才能夠掙脫氫鍵形式結(jié)合的束縛，通常情況下，在膠凝材料發(fā)生水化作用產(chǎn)生的化學(xué)應(yīng)力需達到一定值時才可掙脫束縛力。圖3為摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土的塑性開裂情況，表7為混凝土平板約束法抗裂試件的試驗結(jié)果。根據(jù)圖3和表7可知，檢測時間為4 h時普通混凝土試件表面形成了穩(wěn)定的兩條裂縫，最大長度約為630 mm，最大裂縫寬度約為0.98 mm，開裂面積達到了1 219 mm2/m2；同等試驗條件下，在普通混凝土中摻入內(nèi)養(yǎng)生材料后，明顯改善了混凝土的3個裂縫參數(shù)，0.1%摻量的混凝土試件裂縫最大長度、最大寬度分別為510 mm、0.36 mm，開裂面積為191 mm2/m2；0.2%摻量的混凝土試件裂縫最大長度、最大寬度分別為130 mm、0.35 mm，開裂面積為47 mm2/m2；0.3%摻量下的結(jié)果也進一步證實了這個規(guī)律。相比普通混凝土試件，摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土內(nèi)部充當(dāng)“微型水庫”，能夠在細(xì)觀結(jié)構(gòu)為環(huán)境形成局部濕度養(yǎng)生，抑制水分快速蒸發(fā)，保障了膠凝材料水化反應(yīng)的進行，生成飽滿的膠凝產(chǎn)物，降低了因收縮產(chǎn)生的塑性開裂率。摻加內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土試件的抗塑性開裂性能得到明顯提升，即內(nèi)養(yǎng)生材料的摻入有效緩解了混凝土的早期塑性開裂現(xiàn)象。結(jié)合表6和表7，0.2%和0.3%內(nèi)養(yǎng)生材料摻量下的混凝土對抗早期塑性開裂的效果相差不大，0.2%摻量的內(nèi)養(yǎng)生材料均勻分布在混凝土內(nèi)部，已經(jīng)滿足混凝土水化所需水分，接近了降低收縮的最佳效果，而0.3%內(nèi)養(yǎng)生材料摻量的拌和物還需要在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上增加減水劑才能滿足工作性要求，進一步提高了成本，因此，綜合考慮經(jīng)濟實用性，內(nèi)養(yǎng)生混凝土中內(nèi)養(yǎng)生材料優(yōu)先摻量為膠凝材料的0.2%。

圖3 空白與摻入內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土的塑性開裂情況Fig.3 Plastic cracking of blank and mixed with internal curing materials concrete

表7 混凝土平板約束法抗裂試件的試驗結(jié)果Table 7 Test results of concrete slab anti-cracking specimens

2.3 內(nèi)養(yǎng)生對橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能的影響

基于0.2%內(nèi)養(yǎng)生材料摻量的摻入對混凝土平板約束抗早期塑性開裂性能效果較優(yōu)，本研究將進一步采用摻加0.2%的內(nèi)養(yǎng)生材料對橋面鋪裝混凝土實體工程抗早期塑性開裂進行驗證，通過自制兩塊大尺度鋼筋薄壁混凝土模板進行室外橋面鋪混凝土抗早期塑性開裂性能測試。澆筑成型后觀測試件早期塑性開裂的情況，橋面鋪裝混凝土收漿抹面后置于戶外自然條件養(yǎng)護，在實際環(huán)境檢測溫度范圍為18～22 ℃、濕度范圍為30%～60%、風(fēng)力范圍為2～3級的條件下進行。圖4為摻加內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規(guī)律，從圖中可知未采取任何措施的普通混凝土硬化1 h后出現(xiàn)微裂縫，并呈分布式逐漸迅速發(fā)展，混凝土硬化4 h時單位面積開裂率達到了0.087%。單位面積開裂率與上述平板法抗早期塑性開裂試驗的趨勢相似，均是混凝土硬化1～4 h內(nèi)單位面積開裂率發(fā)展迅速，4 h后單位面積開裂率逐漸緩慢并趨于恒定?？傮w來說，未摻加內(nèi)養(yǎng)生材料的橋面鋪裝混凝土抗塑性開裂效果較差。圖5為摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的橋面鋪裝混凝土的塑性開裂情況，表8為橋面鋪裝混凝土試件的試驗結(jié)果，結(jié)合圖5和表8可知在收漿抹面16 h時，混凝土表面出現(xiàn)了由36條呈拋物線狀的裂縫組成分布式的交織裂縫網(wǎng)，最大裂縫長度達1 540 mm，最大裂縫寬度約為0.96 mm，開裂面積達 1 949.68 mm2/m2。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是新鋪裝試件表面大量水分快速散失到空氣中，從而導(dǎo)致毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，而且在0.32的低水灰比條件下本身自由水分較少，膠凝材料水化反應(yīng)得不到有效水分補充，引起了早期收縮變化，致使混凝土表面出現(xiàn)早期裂縫。因此，橋面鋪裝混凝土澆筑抹面后，早期混凝土硬化1～4 h內(nèi)試件表面水分蒸發(fā)得到有效控制對混凝土抗早期塑性開裂性能極為關(guān)鍵。

圖4 空白與摻入內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土單位面積開裂率隨硬化時間的變化規(guī)律Fig.4 Change law of total cracking rate per unit area of blank and mixed with internal curing materials concrete with hardening time

圖5 空白與摻入內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土的塑性開裂情況Fig.5 Plastic cracking of blank and mixed with internal curing materials concrete

本研究進一步探討內(nèi)養(yǎng)生材料對現(xiàn)場橋面鋪裝混凝土實體工程抗早期塑性開裂的影響。同等試驗條件下，橋面鋪裝混凝土試件的試驗結(jié)果如表8所示，摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的橋面鋪裝混凝土試件僅有微裂縫3條，最大長度為680 mm，最大寬度為0.6 mm，開裂面積僅181 mm2/m2，而未摻加內(nèi)養(yǎng)生材料的試件有微裂縫36條，最大長度為1 540 mm，最大寬度為0.96，開裂面積達到了1 949.68 mm2/m2。相比普通混凝土，內(nèi)養(yǎng)生材料的摻入對混凝土抗早期塑性開裂效果提升明顯，其有效控水效應(yīng)在很大程度上降低了表面水分的快速蒸發(fā)，同時吸收的水分能夠在細(xì)觀結(jié)構(gòu)的局部為環(huán)境形成濕度養(yǎng)生效應(yīng)，阻止或者延緩了毛細(xì)管張力的增大，保障膠凝材料的水化反應(yīng)得到持續(xù)進行，從而降低因收縮產(chǎn)生的塑性開裂率，試件單位面積裂縫數(shù)量、最大長度、最大寬度及開裂面積依次同比下降了91.7%、55.8%、37.5%、90.7%。空白與摻入內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土24 h的SEM照片如圖6所示，由圖可知，相比普通混凝土，摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的混凝土的水化反應(yīng)更加充分，水化產(chǎn)物更加密實。因此，通過向混凝土中引入內(nèi)養(yǎng)生材料，內(nèi)養(yǎng)生材料的預(yù)吸收自由水分在膠凝材料水化環(huán)境中逐漸釋放，有效保障了膠凝材料的充分水化和膠凝產(chǎn)物的形成，同時維持局部毛細(xì)空隙濕度飽和度，降低混凝土發(fā)生自收縮損傷的可能性，通過消除鋼筋與膠凝材料界面區(qū)滯留水分，進一步提高混凝土與鋼筋的握裹力，顯著提升了橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂的性能。

表8 橋面鋪裝混凝土試件的試驗結(jié)果Table 8 Test results of concrete specimens for bridge deck pavement

圖6 空白與摻入內(nèi)養(yǎng)生材料混凝土24 h的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of blank and mixed with internal curing materials concrete at 24 h

3 結(jié) 論

(1)普通混凝土在硬化1 h時出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象，當(dāng)摻入內(nèi)養(yǎng)生材料后，混凝土在硬化1.5 h時才出現(xiàn)開裂，有效延緩了混凝土早期開裂的時間。

(2)當(dāng)內(nèi)養(yǎng)生材料摻量在0.3%以下時，混凝土在硬化1～4 h期間的裂縫發(fā)展規(guī)律相似；隨著內(nèi)養(yǎng)生材料摻量的增加，混凝土的早期抗塑性開裂性能越好，但兼顧經(jīng)濟實用性，內(nèi)養(yǎng)生材料摻量為0.2%時，效果最優(yōu)。

(3)內(nèi)養(yǎng)生材料現(xiàn)場混凝土橋面鋪裝實體工程驗證試驗中，同普通混凝土相比，摻入內(nèi)養(yǎng)生材料的橋面鋪裝混凝土單位面積裂縫條數(shù)、最大長度、最大寬度以及單位開裂面積分別同比下降91.7%、55.8%、37.5%、90.7%，顯著提升了橋面鋪裝混凝土抗早期塑性開裂性能。

(4)內(nèi)養(yǎng)生材料對混凝土的塑性開裂參數(shù)改變明顯，可持續(xù)提供水泥水化需水，有效保障了膠凝材料的充分水化和膠凝產(chǎn)物的形成，降低了混凝土發(fā)生自收縮損傷，有效控制混凝土發(fā)生早期塑性開裂的趨勢。