超大體積承臺高抗裂混凝土性能研究

趙 娜,魯志偉,那繼鵬,盛炎民,丁 川,崔招娣,王寧寧

(1.中信建設(shè)有限責(zé)任公司,北京 100027;2.華北建設(shè)集團(tuán)限公司,北京 100027;3.常州工學(xué)院,常州 213032;4.南京東大巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司,南京 211100)

既有研究與工程實踐表明,隨著社會快速發(fā)展,大體積混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)越來越多,如橋梁中承臺、高層房建的筏板等,然而裂縫問題是超大體積混凝土結(jié)構(gòu)的一大頑疾[1]。混凝土結(jié)構(gòu)開裂后,不僅會影響結(jié)構(gòu)受力,侵蝕介質(zhì)的腐蝕速度也將加快,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性將進(jìn)一步惡化[2]。因此,混凝土裂縫控制是保障結(jié)構(gòu)服役壽命的前提,而控制施工期中的非荷載裂縫則是其中的關(guān)鍵。近年來,為盡量避免早期裂縫的出現(xiàn),大多數(shù)大體積結(jié)構(gòu)混凝土配合比逐步采用了低水膠比、摻入較多粉煤灰與礦粉取代水泥的方式進(jìn)行設(shè)計[3-6],并且為防止后期裂縫的擴(kuò)展,許多結(jié)構(gòu)在受力復(fù)雜位置的混凝土中還加入聚丙烯纖維進(jìn)行增強(qiáng)[7],上述措施的采用,雖然減少了工程中裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險與數(shù)量,但仍無法解決混凝土開裂問題。

總結(jié)既有工程實踐可以發(fā)現(xiàn),對于超大體積混凝土承臺而言,使用功能性抗裂材料是抑制結(jié)構(gòu)混凝土開裂的主要措施。然而目前一些抗裂性功能材料如膨脹劑等的作用歷程與混凝土自收縮歷程難以匹配,因此造成了配合比設(shè)計不合理的問題亟待解決。

1 配合比設(shè)計思路

1)為了控制大體積混凝土早期裂縫,可以加入調(diào)控材料來干預(yù)水泥水化反應(yīng),以此來調(diào)節(jié)水泥水化過程,減小水化熱放出速率,實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場調(diào)控機(jī)制,而不會降低總的熱放出量。

2)控制礦粉摻量一定,通過用粉煤灰代替水泥的方式,減小水泥用量,進(jìn)而降低水泥水化放熱量,實現(xiàn)基于大摻量粉煤灰和水化熱調(diào)控材料的低溫升、小收縮協(xié)同提升技術(shù)。

3)通過使用鈣鎂復(fù)合材料控制膨脹材料在溫度下的膨脹行為,并利用具有不同膨脹特性的膨脹組分(即鈣鎂復(fù)合材料)進(jìn)一步達(dá)到補(bǔ)償收縮過程的作用。

2 試驗原材料及混凝土測試方法

水泥選用海螺PⅡ 42.5硅酸鹽水泥,其基本物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥基本性能指標(biāo)

粉煤灰采用F類Ⅰ級粉煤灰,基本性能指標(biāo)及化學(xué)成分如表2所示。

表2 粉煤灰化學(xué)成分 w/%

抗裂劑使用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的HME-V抗裂劑,主要性能指標(biāo)如表3所示。

表3 混凝土抗裂劑主要性能指標(biāo)

碎石級配為5～25 mm三級配碎石,碎石摻配比例為(5～10 mm)∶(10～20 mm)∶(20～25 mm)=1∶6∶3,表觀密度2 750 kg/m3;細(xì)集料為II區(qū)河砂,表觀密度2 740 kg/m3,細(xì)度模數(shù)為2.8;減水劑為聚羧酸高性能減水劑PCA-Ⅰ,減水率35%,固含量30%,28 d干燥收縮率比≤100%。

按照《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》TB10424—2010進(jìn)行混凝土基本物理力學(xué)性能、耐久性能測試;按照《水工混凝土試驗規(guī)程》SL352—2006進(jìn)行熱物理學(xué)試驗;結(jié)合《混凝土膨脹劑》GB/T 23439—2009與《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009進(jìn)行混凝土變形試驗。

3 混凝土配合比設(shè)計及性能試驗

針對大體積結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行了配合比優(yōu)化設(shè)計試驗,固定配合比的膠材總量410 kg/m3,水膠比0.36,礦粉摻量10%,砂率40%,調(diào)整粉煤灰摻量比例分別為15%、20%、25%。混凝土配合比見表4。

表4 C40大體積混凝土試驗配合比

3.1 混凝土基本物理性能

由表5可知4組混凝土拌合物工作性能均滿足要求,未出現(xiàn)離析和泌水。摻入抗裂劑對坍落度影響不大,與不摻抗裂劑的混凝土均為180～200 mm,摻入抗裂劑的凝結(jié)時間相對延長2～3 h,究其原因是與抗裂劑中的水化熱調(diào)控成分相關(guān),其改變了水化歷程,但對施工性能影響較小。與對照組A0相比,隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土7 d強(qiáng)度相對降低,隨著水化時間延長28 d強(qiáng)度與A2配合比相差不大;對比配合比A2和A3發(fā)現(xiàn),抗裂劑等量取代水泥后,早期強(qiáng)度降低11%,28 d后強(qiáng)度降低3.2%,由此可知等量取代水泥后早期7 d強(qiáng)度會有一定降低,但是后期28 d強(qiáng)度降低幅度較小。

表5 C40大體積混凝土基本物理性能

3.2 混凝土耐久性能

根據(jù)表4所示配合比進(jìn)行耐久性能試驗,包括抗裂等級、28 d碳化深度、56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)、56 d電通量等,測試結(jié)果如表6所示。四個配合比耐久性能均能滿足設(shè)計要求,其中抗裂等級均在L-Ⅲ以上,A0組其余三項耐久指標(biāo)均為四組中最大值,但完全滿足28 d碳化深度小于5 mm,56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)低于4.0×10-12m2/s,56 d電通量小于1 000 C的要求。與基準(zhǔn)配合比A0相比,隨著粉煤灰用量逐漸增加,提高了混凝土的致密性,降低了氯離子的滲透性,從而碳化深度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低;對比配合比A2和A3,在大量粉煤灰代替水泥的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步使用抗裂劑可以更好的降低碳化深度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)以及電通量,分析其原因,抗裂劑能夠有效控制混凝土的收縮和開裂,且在后期水化過程中細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu),改善混凝土的整體性能,從而提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

表6 耐久性能測試結(jié)果

3.3 混凝土變形性能

混凝土自收縮測試結(jié)果如圖1所示,當(dāng)配比中不摻抗裂劑時,混凝土30 d自收縮變形量為160×10-6～200×10-6,且隨著水泥用量的逐漸降低,其自收縮變形量也隨之降低,在一定程度上可以認(rèn)為水泥摻量與混凝土的自收縮變形量存在線性關(guān)系;此外,隨著抗裂劑的加入,如A3所示,混凝土在早期及中后期均保持較好的膨脹狀態(tài),既在混凝土溫降階段和自收縮過程中儲存一定的膨脹壓應(yīng)力,且在30 d補(bǔ)償收縮后仍有約150×10-6膨脹變形量。由此可見,采用較小水泥與粉煤灰比例,同時復(fù)摻適當(dāng)抗裂劑可以在滿足力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,提高混凝土抗裂性能。

3.4 混凝土絕熱溫升

圖2為測得的A0、A1、A2和A3四個配合比歷時7 d的絕熱溫升曲線,普通混凝土A0～A2三個配合比絕熱溫升隨齡期變化趨勢一致,7 d齡期絕熱溫升分別為42 ℃、40 ℃、38 ℃。由此說明在一定程度上降低水泥用量可以降低混凝土絕熱溫升,對超大體積混凝土裂縫控制非常有利。由配合比A2和A3可知,抗裂劑的摻入對凝結(jié)時間的影響較小,并且水化熱的放出速率在快速水化階段明顯降低,初凝后1～3 d混凝土的絕熱溫升分別降低了約40%、25%、20%,7 d絕熱溫升為37.8 ℃與未摻抗裂劑混凝土38 ℃的絕熱溫升相比略低。從水化歷程角度分析,水化放熱速率與其調(diào)控材料相關(guān),通過改變材料摻量可以顯著降低早期溫升情況,從而減小由于放熱過多導(dǎo)致混凝土開裂的風(fēng)險。

4 結(jié) 論

a.從原材料品質(zhì)控制、混凝土配合比設(shè)計角度出發(fā),結(jié)合混凝土拌合物的水化熱溫升、物理力學(xué)性能及耐久性能試驗,優(yōu)化了超大體積C40混凝土配合比,有效解決了傳統(tǒng)超大體積混凝土存在早期水化速率快、水化放熱量大、后期收縮導(dǎo)致開裂等問題。混凝土具體配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶抗裂劑∶砂∶碎石∶水∶外加劑=234∶103∶41∶32∶754∶1 131∶148∶6.15。

2.與普通混凝土A2相比,抗裂劑摻入后其1～3 d混凝土的絕熱溫升分別降低了約40%、25%、20%,7 d絕熱溫升為37.8 ℃,30 d補(bǔ)償收縮后混凝土仍有約150×10-6的膨脹變形量,抗裂等級達(dá)到L-Ⅴ級,28 d碳化深度2.7 mm,56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.85×10-12m2/s,56 d電通量為720 C,具有較好的抗裂性能和耐久性能。