基于多種因素變化的水工混凝土早期抗裂性能研究

蘇 彧

(法庫(kù)縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 法庫(kù) 110400)

近年來(lái),超高韌性、耐久、強(qiáng)度的水工混凝土研究應(yīng)用逐漸引起工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而,這種混凝土膠凝材料用量大,水膠比低,使用成本高,早期自生收縮明顯增加,對(duì)結(jié)構(gòu)物外觀和整體質(zhì)量造成嚴(yán)重影響,特別是長(zhǎng)期暴露在干燥環(huán)境中的水工混凝土,由于室外環(huán)境較差極易發(fā)生塑性開(kāi)裂,既影響結(jié)構(gòu)的耐久性又難以實(shí)現(xiàn)體積穩(wěn)定性[1-3]。其中,早期抗裂性能是反映水工混凝土體積穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一,如何科學(xué)評(píng)價(jià)與測(cè)試早期抗裂性能,并結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)合適的制備養(yǎng)護(hù)方案,保證在各種環(huán)境服役過(guò)程中水工混凝土結(jié)構(gòu)均能滿足規(guī)定的使用要求,現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。混凝土裂縫的形成主要與以下因素有關(guān):①混凝土自身固有的抗拉強(qiáng)度、收縮性能、彈性模量等因素限制;②所受約束、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)建的構(gòu)造等外部因素的影響。針對(duì)混凝土成型的形狀以及上述裂縫的成因,目前測(cè)試早期抗裂性能的方法有單軸約束法、平板法以及圓環(huán)法[4-5]。其中,平板法主要是利用刀口誘導(dǎo)、四周約束等方式,加速板狀混凝土的開(kāi)裂;圓環(huán)法主要是利用內(nèi)部剛性構(gòu)件,通過(guò)約束圓環(huán)狀混凝土試件加速其破壞;單軸約束法主要是利用兩端施加約束的方式加速軸狀混凝土試件的開(kāi)裂。

因此,文章以觀音閣水庫(kù)面板混凝土為例,采用平板法探討高性能水工混凝土早期開(kāi)裂受施工條件、骨料級(jí)配和水泥類型等多種因素變化的影響,以期為面板混凝土施工以及早期開(kāi)裂有效預(yù)防提供一定技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥:用高抗硫水泥、一級(jí)配和二級(jí)配普通硅酸鹽水泥,經(jīng)檢測(cè)3種水泥的細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性、抗折和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)均符合工程用水泥要求。粉煤灰:遼寧中電工程有限公司生產(chǎn)的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,細(xì)度8.0%,含水率0.4%,需水量比96%,燒失量2.5%,SO3含量0.8%,28d活性指數(shù)78%。細(xì)骨料:采用四寨子砂場(chǎng)天然中砂,表觀密度2600kg/m3,云母含量0%,微粒含量5.2%,細(xì)度模數(shù)2.7。粗骨料:鐵嶺鵬程石料有限公司生產(chǎn)的碎石,二級(jí)配中石(20～40mm)和小石(5～20mm),兩者表觀密度均為2650kg/m3,中石針片狀含量2%,小石針片狀含量5%,有機(jī)質(zhì)含量淺于標(biāo)準(zhǔn)色,中石含泥量0.6%,小石含泥量0.5%,堅(jiān)固性符合≤%的要求。外加劑:石家莊外加劑廠生產(chǎn)的DH9引氣劑(推薦摻量0.006%)和浙江龍游外加劑長(zhǎng)生產(chǎn)的ZB-1A緩凝高效減水劑(推薦摻量1.2%),減水劑含固量20%,減水率28%,泌水率32%。

1.2 成型尺寸

采用100mm×600mm×800mm的平面薄板型試件參照《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)行早期抗裂試驗(yàn),拌合物中的最大骨料粒徑31.5mm。1985年美國(guó)學(xué)者Kraai最早提出一種四周約束型的平板開(kāi)裂試驗(yàn)法,后經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的優(yōu)化改進(jìn)提出了多種試驗(yàn)?zāi)＞遊6-7]。通過(guò)多道應(yīng)力誘導(dǎo)平板開(kāi)裂中國(guó)建材院自行研制了一種試驗(yàn)裝置,如圖1,裂縫誘導(dǎo)器等間距平行排布于平板試模中。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖-四周提供約束

1.3 試驗(yàn)流程

步驟1:在試模中澆筑新拌混凝土,隨后立即攤平拌合物并保持其表面略高于模具邊框,然后移到振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)10s至密室,抹平表面浮漿。

步驟2:混凝土成型30min后移入相對(duì)濕度(60±5)%且溫度(20±2)℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù),啟動(dòng)風(fēng)扇調(diào)整風(fēng)速及位置,使風(fēng)向與裂縫誘導(dǎo)器及試件表面相平行,距離混凝土正上方100mm處風(fēng)速為(5±0.5)m/s。

步驟3:從拌合物加水?dāng)嚢栝_(kāi)始計(jì)算試驗(yàn)時(shí)間,試驗(yàn)(24±0.5)h時(shí)測(cè)量裂縫寬度和長(zhǎng)度,該過(guò)程所用到的設(shè)備有計(jì)時(shí)器、刻度放大鏡(放大倍數(shù)100倍)和鋼直尺。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

采用公式(1)～(3)計(jì)算每條裂縫的平均開(kāi)裂面積a、單位面積上的裂縫數(shù)目b以及總開(kāi)裂面積c,具體如下:

(1)

(2)

c=a×b

(3)

式中:Wi、Li為第i條裂縫的最大寬度,mm和長(zhǎng)度,mm;A、N為平板的面積,m2和裂縫總數(shù)目,條;a、b、c為每條裂縫的平均開(kāi)裂面積,mm2/條、單位面積上的裂縫數(shù)目,條/m2和總開(kāi)裂面積,mm2/m2。根據(jù)平板法試驗(yàn)數(shù)據(jù),周茗如等建立了能夠更加直觀地反映混凝土早期抗裂性能的抗裂效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)所對(duì)應(yīng)的單位面積總開(kāi)裂面積取值區(qū)間為c≥1000、700≤c<1000、400≤c<700、100≤c<400、c<100[8-10]。

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)不同施工時(shí)段可能遇到的大風(fēng)、降雨、高溫等氣候變化測(cè)定的濕度和溫度代表值,合理選擇試驗(yàn)環(huán)境因素,充分考慮試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)不同環(huán)境因素組合如表1所示。

表1 環(huán)境因素設(shè)計(jì)

通過(guò)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)配合比,并考慮試驗(yàn)配合比受不同環(huán)境因素和工程部位的影響特征,對(duì)面板混凝土開(kāi)展早期抗裂試驗(yàn),最后按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)定抗裂等級(jí),試驗(yàn)配比見(jiàn)表2。其中,1#、2#、3#代表高抗硫水泥、一級(jí)配和二級(jí)配普通硅酸鹽水泥配制的水工混凝土。

表2 試驗(yàn)配合比

2.2 結(jié)果分析

不同環(huán)境、骨料級(jí)配和水泥類型下的混凝土塑性開(kāi)裂測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和圖1。結(jié)果表明,對(duì)于不同水泥品種,高抗硫水泥相較于普通硅酸鹽水泥配制的水工混凝土更容易出現(xiàn)塑性開(kāi)裂,高抗硫水泥是一級(jí)配、二級(jí)配普通硅酸鹽水泥試件開(kāi)裂面積的1.60倍和2.03倍;對(duì)于不同骨料級(jí)配,一級(jí)配水泥相較于二級(jí)配水泥配制的水工混凝土更容易出現(xiàn)塑性開(kāi)裂,前者的開(kāi)裂面積是后者的1.27倍;對(duì)于不同環(huán)境條件,混凝土開(kāi)裂面積最大的是高溫、低濕、大風(fēng)環(huán)境(S:80%;T:35℃;W:5m/s),其開(kāi)裂面積處于1024.8～1542.0mm2/m2范圍,按照抗裂等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Ⅰ級(jí)水平;其次是高溫恒濕環(huán)境(S:60%;T:35℃),其開(kāi)裂面積處于717.3～932.8mm2/m2范圍,按照抗裂等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Ⅱ級(jí)水平;然后是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(S:60%;T:20℃)和高溫高濕環(huán)境(S:80%;T:35℃),其開(kāi)裂面積處于204.5～395.1mm2/m2范圍和136.5～150.7mm2/m2范圍,按照抗裂等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)兩者均達(dá)到Ⅳ級(jí)水平;最后是恒溫高濕環(huán)境(S:60%;T:20℃),其開(kāi)裂面積處于51.1～60.4mm2/m2范圍,按照抗裂等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Ⅴ級(jí)水平。對(duì)水工混凝土試件及時(shí)采取覆蓋養(yǎng)護(hù)措施,結(jié)果表明1h后未出現(xiàn)塑性開(kāi)裂,覆蓋養(yǎng)護(hù)2h后標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中的水工混凝土單位面積開(kāi)裂面積處于100.4～204.2mm2/m2范圍,按照抗裂等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Ⅳ級(jí)水平[11-12]。

表3 單位面積總開(kāi)裂面積 mm2/m2

圖1 水工混凝土塑性開(kāi)裂圖

通過(guò)分析早期強(qiáng)度變化趨勢(shì)可知,見(jiàn)表4,采用抗硫酸鹽水泥相較于普通硅酸鹽水泥配制的混凝土早期強(qiáng)度較高,由此導(dǎo)致的最早約束時(shí)間也明顯提前,在受到約束時(shí)由于早期抗拉強(qiáng)度低更易形成塑性開(kāi)裂,骨料級(jí)配因素也是因?yàn)樵缙诳估瓘?qiáng)度低所引起的[13-15]。高溫大風(fēng)低濕環(huán)境中的水工混凝土表面失水相較于恒溫高濕、高溫高濕、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、高溫恒濕環(huán)境更加嚴(yán)重,混凝土表面受干燥收縮應(yīng)力作用更容易被拉開(kāi),并最終發(fā)展成塑性開(kāi)裂。

表4 不同試驗(yàn)條件下的抗壓強(qiáng)度值

3 結(jié) 論

1)對(duì)于不同水泥品種,高抗硫水泥相較于普通硅酸鹽水泥配制的水工混凝土更容易出現(xiàn)塑性開(kāi)裂,高抗硫水泥是一級(jí)配、二級(jí)配普通硅酸鹽水泥試件開(kāi)裂面積的1.60倍和2.03倍;對(duì)于不同骨料級(jí)配,一級(jí)配水泥相較于二級(jí)配水泥配制的水工混凝土更容易出現(xiàn)塑性開(kāi)裂,前者的開(kāi)裂面積是后者的1.27倍;對(duì)于不同環(huán)境條件,混凝土開(kāi)裂面積最大的是高溫、低濕、大風(fēng)環(huán)境,其次是高溫恒濕環(huán)境,然后是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和高溫高濕環(huán)境,最后是恒溫高濕環(huán)境。

2)在面板混凝土澆筑過(guò)程中建議避開(kāi)大風(fēng)、低濕、高溫天氣,合理選擇澆筑時(shí)間,并采取有效覆蓋養(yǎng)護(hù)措施,從根本上防止混凝土發(fā)生塑性開(kāi)裂的情況,研究成果可為面板混凝土施工和配合比設(shè)計(jì)提供一定參考。