基于風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的摻機(jī)制砂預(yù)拌混凝土抗裂性能研究

趙江濤

（鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，除了保證混凝土工作性及可施工性能外，硬化水泥基材料的耐久性能也是工程設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制的重要依據(jù)。裂縫是混凝土材料的質(zhì)量通病，混凝土出現(xiàn)裂縫后為氯離子滲透提供傳輸路徑，從而引發(fā)鋼筋銹蝕等一系列耐久性問題，縮短工程結(jié)構(gòu)服役壽命[1]?？刂撇p少混凝土裂縫是配制混凝土的難點(diǎn)[2-3]?；炷亮芽p包括塑性收縮裂縫、自收縮裂縫、干縮裂縫、溫度收縮裂縫、沉降裂縫、凍脹裂縫、施工裂縫等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土的裂縫有80%是由混凝土自身的收縮變形引起的。

另一方面，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，不少地區(qū)天然砂資源逐步減少，很多地方面臨無砂可用的困境。機(jī)制砂指采用專門制砂設(shè)備將巖石破碎并篩分制成顆粒小于4.75 mm 的巖石顆粒，是一種有效的河砂替代品，在我國(guó)不少地區(qū)已得到了廣泛應(yīng)用[4]。相對(duì)于河砂，機(jī)制砂顆粒形貌差、粉體含量高，機(jī)制砂在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用出現(xiàn)各種各樣的問題，所以機(jī)制砂大體積混凝土施工水化熱裂縫問題更甚。Li 和Ruan[5]的研究表明，機(jī)制砂混凝土的抗裂性能弱于河砂混凝土。對(duì)于機(jī)制砂高性能混凝土的收縮抗裂性能，特別是早期收縮抗裂性能的研究具有較大的意義。

本文采用研發(fā)的機(jī)制砂專用外加劑和抗裂功能材料，分別測(cè)試了C30 機(jī)制砂混凝土的收縮性能、28 d 彈性模量、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和絕熱溫升，并結(jié)合C30 混凝土長(zhǎng)40 m、寬40 m、厚1 m 的大體積底板，依據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》中附錄B 對(duì)底板結(jié)構(gòu)混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（抗裂安全系數(shù)的倒數(shù)）進(jìn)行了計(jì)算，以改善機(jī)制砂混凝土的抗裂性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ42.5R 水泥，主要化學(xué)成分見表1，礦物組成見表2；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，主要技術(shù)性能見表3；細(xì)集料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.94，含泥量6.13%；粗骨料：5～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量0.5%，泥塊含量0.2%；聚羧酸系高性能減水劑（PCE）：固含量10%，減水率30%；專用外加劑（MSA）：自制，固含量10%，由70%減水型聚羧酸高性能減水劑和30%保坍型聚羧酸高性能減水劑復(fù)配而成；抗裂功能材料（ACFM）：自制，粉末狀，由55%輕燒氧化鎂、20%改性淀粉衍生物和5%偶聯(lián)劑制成。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的礦物組成 %

表3 粉煤灰的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比如表4 所示。

表4 混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土的收縮率：根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

混凝土的彈性模量和抗拉強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

混凝土的絕熱溫升：利用MIT-686-0-01 型絕熱溫升測(cè)量設(shè)備監(jiān)測(cè)水泥基材料的水化放熱行為，混凝土體積為50 L，計(jì)算機(jī)以30 min 的間隔時(shí)間自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

抗裂性能評(píng)價(jià)方法：根據(jù)GB 50496—2018 附錄B，底板結(jié)構(gòu)混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)以長(zhǎng)40 m、寬40 m、厚1 m 的大體積板為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。采用基于“水化溫濕度約束”多場(chǎng)耦合效應(yīng)的混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[6]，以開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η 為評(píng)估依據(jù)，見式（1）：

式中：σ（t）——t 時(shí)刻的混凝土最大拉應(yīng)力，MPa；

ft（t）——t 時(shí)刻的最大抗拉強(qiáng)度，MPa。

一般認(rèn)為：η>1.0 時(shí)混凝土?xí)_裂；當(dāng)0.7<η≤1.0 時(shí)，混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)更大；當(dāng)η≤0.7，混凝土不開裂，不開裂保證率為≥95%。

2 結(jié)果與分析

C30 機(jī)制砂混凝土的自體積變形、絕熱溫升、彈性模量和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5 和圖1。

表5 摻機(jī)制砂C30 混凝土的抗裂性能

圖1 摻機(jī)制砂C30 基準(zhǔn)與優(yōu)化混凝土的絕熱溫升

由表5 可見，優(yōu)化混凝土28 d 彈性模量從31.0 GPa 提高到34.6 GPa，28 d 抗拉強(qiáng)度從2.91 MPa 提高到4.23 MPa，分別提高了11.6%、45.4%；混凝土的3 d、28 d 自體積變形分別從98 με、188 με 降至65 με、142 με，分別降低了33.7%、24.5%；3 d 絕熱溫升從38.9 ℃降至38.4 ℃。

由圖1 可見，采用優(yōu)化措施后，雖然混凝土的絕熱溫升峰值未發(fā)生顯著變化，但7 d 內(nèi)的溫度發(fā)展趨勢(shì)有明顯的緩和現(xiàn)象，說明優(yōu)化措施在一定程度上減緩了內(nèi)部早期水化放熱集中，提高了混凝土在約束條件下的抗裂能力。

對(duì)于C30 混凝土，計(jì)算了長(zhǎng)40 m、寬40 m、厚1 m 大體積底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算條件為夏季澆筑，澆筑溫度為30 ℃，環(huán)境溫度為28 ℃。約束條件是地板下的墊層，其它計(jì)算參數(shù)：墻、板混凝土密度為2400 kg/m3、線膨脹系數(shù)為1.0×10-5K-1、泊松比為0.167，比熱為0.98 kJ/（kg·K）、導(dǎo)熱系數(shù)為2.4 W/（m·K），模板對(duì)流換熱系數(shù)為15.3 W/（m2·K）。

沒有進(jìn)行表面隔熱措施的情況下，采用機(jī)制砂制備的基準(zhǔn)及優(yōu)化C30 混凝土1 m 厚底板絕熱溫升及抗裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 混凝土底板溫度歷程及表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)

由圖2 可見，對(duì)于基準(zhǔn)混凝土，底板的中心開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)約為1.0，表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)約為0.7；對(duì)于優(yōu)化混凝土，底板中心開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.75，表面混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.52。分析結(jié)果可知，為彌補(bǔ)機(jī)制砂在顆粒級(jí)配及形貌上的缺陷，采用專用化學(xué)功能外加劑可有效降低混凝土絕熱溫升，進(jìn)而大幅提高混凝土的抗裂性能。

同時(shí)，基于有限元理論[7]，對(duì)基準(zhǔn)和優(yōu)化混凝土的早期溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 基準(zhǔn)混凝土與優(yōu)化混凝土的溫度場(chǎng)及二維應(yīng)力分布

由圖3 可以看出，對(duì)于基準(zhǔn)混凝土，3 d 齡期時(shí)水化放熱率大，混凝土溫升明顯，最高溫度主要集中在底板中心；從混凝土中心和表面結(jié)構(gòu)的早期應(yīng)力云圖可以看出，澆筑后底板表面和中心會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中及拉應(yīng)力增大現(xiàn)象，這將誘導(dǎo)混凝土裂縫的出現(xiàn)。而優(yōu)化混凝土由于采用了專用外加劑和抗裂功能材料，表面和中心的局部溫升和應(yīng)力集中顯著降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了混凝土抗裂性的提高。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)機(jī)制砂的顆粒形貌與級(jí)配特點(diǎn)，研發(fā)的專用化學(xué)外加劑顯著改善了機(jī)制砂混凝土的綜合抗裂性能，與基準(zhǔn)混凝土相比，優(yōu)化后混凝土的28 d 彈性模量、28 d 抗拉強(qiáng)度分別提高了11.6%和45.4%；3 d、28 d 自生體積變形分別減小了33.7%、24.5%?；炷恋装逯行拈_裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由于1.00 降為0.75，表面開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由0.70 降為0.52。

（2）基于工程實(shí)際，采用基于有限元分析開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算方法，可為混凝土材料及結(jié)構(gòu)的抗裂評(píng)價(jià)提供重要的參考。