鐵新納　李立青　袁群　李宗坤

摘要：為系統(tǒng)研究冷縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，針對(duì)氣溫、澆筑時(shí)間間隔等因素，以帶冷縫面的混凝土試件為研究對(duì)象，進(jìn)行抗折、劈裂、抗?jié)B、抗凍性能的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，冷縫的存在顯著降低了混凝土的抗折和劈拉強(qiáng)度；澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)秋季冷縫面的抗折、劈拉強(qiáng)度最高，夏季次之，冬季最低；混凝土冷縫面的抗折和劈拉強(qiáng)度及抗?jié)B、抗凍性能總體上均隨澆筑時(shí)間間隔的增加呈減弱趨勢(shì)，不同的是抗折和劈拉強(qiáng)度在混凝土初凝時(shí)間與終凝時(shí)間之間存在最劣點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：混凝土冷縫；力學(xué)性能；最劣點(diǎn)；澆筑時(shí)間間隔；養(yǎng)護(hù)條件

混凝土澆筑特別是大體積水工混凝土澆筑過(guò)程中，時(shí)常因意外停電、機(jī)械設(shè)備損壞等而澆筑中斷，若中斷時(shí)間超過(guò)混凝土的初凝時(shí)問(wèn)且澆筑面沒(méi)有適當(dāng)處理，則將在兩期混凝土之問(wèn)形成厚度很薄的冷縫面。已有資料表明，一般情況下冷縫面處混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度較低，對(duì)結(jié)構(gòu)的劈裂、抗?jié)B、抗折等性能損害嚴(yán)重，是影響結(jié)構(gòu)安全的病害面。目前已有學(xué)者針對(duì)冷縫病害狀況進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固研究?？崾钇诨炷翝仓^(guò)程中冷縫面處強(qiáng)度降低顯著的試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)混凝土冷縫面的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響?？紤]到我國(guó)地域廣闊，南北方溫度差異明顯，氣候條件同樣會(huì)對(duì)混凝土冷縫面的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。為此，本文綜合考慮混凝土澆筑時(shí)間間隔、澆筑溫度等影響因素，通過(guò)抗折、劈裂、抗凍、抗?jié)B試驗(yàn)研究冷縫面對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，以期為帶冷縫混凝土結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)估及補(bǔ)強(qiáng)加固提供技術(shù)支持。

1試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)原材料

（1）水泥。選用P·0 32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

（2）集料。粗集料為粒徑4.75-31.50 mm的石灰石質(zhì)碎石；細(xì)集料為普通河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂。粗、細(xì)集料直接取自工地，其各項(xiàng)物理性能指標(biāo)滿足混凝土配制要求。

（3）水。水為生活用自來(lái)水，不含對(duì)混凝土性能有負(fù)面影響的有害成分。

（4）混凝土配合比設(shè)計(jì)。混凝土采用普遍應(yīng)用的C25混凝土，其配合比為水泥：水：砂：石=1.00：0.49：2.06：3.14。

1.2試驗(yàn)方法

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試件的制作和力學(xué)性能測(cè)試。試驗(yàn)地點(diǎn)在河南省鄭州市，分夏、秋、冬三個(gè)時(shí)段進(jìn)行，夏季在7月中下旬、秋季在10月中下旬、冬季在12月中下旬。試件澆筑時(shí)各季節(jié)的平均氣溫分別為33.2、18.6、-2.5℃。養(yǎng)護(hù)方式為自然養(yǎng)護(hù)，分別于夏季、秋季、冬季測(cè)試混凝土的初凝時(shí)間與終凝時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明，3種環(huán)境下混凝土的初凝時(shí)間相差不超過(guò)15 min，終凝時(shí)間相差不顯著。為便于后期的數(shù)據(jù)處理，混凝土試件制作過(guò)程中均取混凝土的初凝時(shí)間為3 h，終凝時(shí)間為6 h。為系統(tǒng)研究澆筑時(shí)間間隔對(duì)混凝土冷縫面力學(xué)性能的影響，選取先后兩期混凝土澆筑時(shí)間間隔分別為1.5、3.0、4.5、6.0、24.0 h。先澆筑試件的第1部分，振搗密實(shí)，不涂刷任何界面劑，達(dá)到指定的時(shí)間問(wèn)隔后再澆筑第2部分混凝土；同時(shí)澆筑一組整體試件作為參照樣。此外，預(yù)留一組尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，以測(cè)定混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度。試件澆筑完畢立即運(yùn)往室外，24 h后拆模，灑水養(yǎng)護(hù)7 d，然后自然養(yǎng)護(hù)至28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

抗折、抗凍試件的尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm：劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；抗?jié)B試件為復(fù)合圓臺(tái)體，上底直徑為175mm、下底直徑為185 mm、高為150 mm。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1混凝土冷縫面的抗折強(qiáng)度

抗折試件制備時(shí)將冷縫設(shè)在中間，試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載方式（見圖1）。

圖2為澆筑時(shí)間間隔與混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與28d抗壓強(qiáng)度比值的關(guān)系曲線。由圖2可知，混凝土冷縫面的抗折強(qiáng)度受澆筑時(shí)季節(jié)氣溫、澆筑時(shí)間間隔影響很大。

（1）夏季、秋季、冬季未設(shè)冷縫的參照試件28 d抗折強(qiáng)度分別為4.17、3.45、2.06 MPa，夏季澆筑的混凝土28 d抗折強(qiáng)度最高，表明氣溫高的夏季混凝土強(qiáng)度發(fā)展快，冬季氣溫較低時(shí)強(qiáng)度發(fā)展變緩。這與混凝土的凝結(jié)硬化速度受溫度影響一致，溫度越高，強(qiáng)度發(fā)展越快。

（2）澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)基本上是秋季混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值最高，夏季次之，冬季最低。超過(guò)終凝時(shí)間后形成冷縫試件的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨混凝土澆筑時(shí)間間隔的變化不大，影響趨于穩(wěn)定：時(shí)間間隔超過(guò)1 d后，可按新老混凝土黏結(jié)面對(duì)待。這與文獻(xiàn)的結(jié)論基本一致：兩期混凝土的澆筑時(shí)間間隔超過(guò)一定時(shí)間后，間隔時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響不太顯著。

（3）隨澆筑時(shí)間間隔遞增，夏季、秋季混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值整體呈現(xiàn)先降低而后稍有增高的趨勢(shì)。該現(xiàn)象說(shuō)明存在最劣點(diǎn)，即在該時(shí)間間隔點(diǎn)澆筑后期混凝土?xí)r抗折強(qiáng)度下降率達(dá)到最大值，在該時(shí)間間隔點(diǎn)最不宜澆筑新混凝土。本試驗(yàn)中該間隔點(diǎn)位于混凝土的初凝和終凝之間。原因分析如下：先澆混凝土初凝后其結(jié)構(gòu)內(nèi)部已形成了初期的C-S-H凝膠和鈣礬石等網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，后期混凝土澆筑時(shí)的振搗會(huì)在一定程度上破壞先澆混凝土形成的強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu)，致使兩期混凝土接觸面處的黏結(jié)強(qiáng)度大幅降低，從而影響到試件的抗折強(qiáng)度。冬季混凝土冷縫面抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨澆筑時(shí)間間隔的增加變化不顯著。

2.2混凝土冷縫面的劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂試件制備時(shí)，冷縫面設(shè)置在試件中部且呈水平方向，澆筑及加載示意見圖3。

圖4為澆筑時(shí)間間隔與混凝土冷縫面劈裂強(qiáng)度與28 d抗壓強(qiáng)度比值的關(guān)系曲線。由圖4可知，澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)，混凝土冷縫面的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值的發(fā)展趨勢(shì)和抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值的趨勢(shì)相近，秋季最高，夏季稍低，冬季最低。從降低率來(lái)看，夏季冷縫面比值的最大降低率為61.0%；秋季冷縫面受澆筑時(shí)間間隔的影響相對(duì)較小，最大降低率為38.1%；冬季冷縫面的最大降低率為33.0%。冬季兩期混凝土黏結(jié)面的劈裂強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)較為相似，在研究范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯最劣點(diǎn)。原因在于，冬季低溫下室外混凝土初凝時(shí)問(wèn)稍有延緩，澆筑時(shí)間間隔較短時(shí)先澆混凝土形成的強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu)較弱，與后澆混凝土的水化進(jìn)程相差不顯著，故而黏結(jié)面強(qiáng)度下降不明顯：澆筑時(shí)間間隔較長(zhǎng)時(shí)兩期混凝土水化進(jìn)程相差較大，致使冷縫面強(qiáng)度下降顯著，然而先澆混凝土長(zhǎng)時(shí)間置于寒冷空氣中已被凍實(shí)，后期混凝土澆筑過(guò)程的振搗對(duì)先澆混凝土形成強(qiáng)度骨架結(jié)構(gòu)的影響不明顯，故而未出現(xiàn)明顯最劣點(diǎn)。

2.3混凝土冷縫面的抗凍性

抗凍試件的制作與抗折試件相同。養(yǎng)護(hù)至28 d，按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中速凍法在混凝土自動(dòng)快速凍融設(shè)備上試驗(yàn)。因混凝土未摻加外加劑，抗凍性能總體較差，經(jīng)10次凍融循環(huán)后試件表面剝落嚴(yán)重，自振頻率很不穩(wěn)定，且時(shí)常有試件從冷縫面處斷開，故而采用試件的質(zhì)量損失率超過(guò)5%，或從冷縫面處斷開時(shí)的循環(huán)次數(shù)作為判斷試件破壞的依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。由圖5可知，澆筑時(shí)間間隔分別為0、1.5、3.0、4.5、6.0 h時(shí)每組試件抗凍融循環(huán)次數(shù)的平均值分別為30.0、23.3、25.0、21.7、21.7。混凝土冷縫面的抗凍性比參照混凝土差，且隨著澆筑時(shí)間間隔的增加，帶有冷縫面混凝土試件的抗凍性能逐漸降低，試件的破壞形式不再以質(zhì)量損失率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而由混凝土在冷縫面處被凍斷的循環(huán)次數(shù)控制。由此可見，冷縫的存在顯著降低了試件的抗凍性能。

圖6為夏季、秋季、冬季混凝土冷縫面抗凍性能與澆筑時(shí)間間隔的關(guān)系。由圖6可知，季節(jié)（溫度）對(duì)各階段冷縫面的抗凍性能影響顯著，混凝土澆筑時(shí)間間隔相同時(shí)秋季冷縫面的抗凍性能最好，夏季次之，冬季最差。隨著混凝土澆筑時(shí)間間隔的增加，各季節(jié)帶冷縫試件的抗凍性能整體呈下降趨勢(shì)。