王冬，石明建，祝燁然，葉燕萍

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 238281；5.寧波航通預(yù)制構(gòu)件有限公司，浙江 寧波 315221）

0 前言

混凝土是一種非勻質(zhì)復(fù)合材料，在硬化過程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，混凝土終凝前的沉降、水分蒸發(fā)和自生反應(yīng)等引起的塑性收縮，因水泥漿與骨料彈性模量不同會(huì)引起微裂紋產(chǎn)生，微裂紋會(huì)在內(nèi)、外部環(huán)境作用下隨時(shí)間發(fā)展出現(xiàn)初裂、通裂、擴(kuò)展和體積不穩(wěn)定變化，影響到混凝土外觀、耐久性，甚至建筑物結(jié)構(gòu)安全和使用壽命[1]。

對(duì)于混凝土抗裂我們更多關(guān)注的是大體積溫度應(yīng)力引起的裂縫問題，然而近年來高強(qiáng)、高性能混凝土的工程應(yīng)用中出現(xiàn)了大量混凝土早期開裂現(xiàn)象，引起了這一領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)塑性裂縫（裂縫源頭）的關(guān)注?；炷猎缙陂_裂現(xiàn)象主要與現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的約束、材料品質(zhì)與施工工藝等各方面因素有關(guān)[2]，雖已不斷研發(fā)出礦物摻合料、纖維、水份蒸發(fā)抑制劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑、減縮劑、膨脹劑等多種技術(shù)手段，但因材料及環(huán)境的復(fù)雜多變和經(jīng)濟(jì)性原因，使得這些技術(shù)不能準(zhǔn)確或正確應(yīng)用，難以很好地解決混凝土開裂問題。

本文研究了不同外加劑對(duì)泵送混凝土早期變形的抑制作用，針對(duì)性分析了不同外加劑對(duì)混凝土早期不同階段內(nèi)部與外部環(huán)境物理、化學(xué)作用，通過聯(lián)合和平衡不同外加劑作用更加合理地利用外加劑以減少混凝土早期收縮的問題，從而抑制早期微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，使混凝土內(nèi)應(yīng)力分布更均勻、結(jié)構(gòu)更連續(xù)，實(shí)現(xiàn)混凝土抗裂性能的提升。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：中國海螺P·O42.5水泥，比表面積355 m2/kg，其化學(xué)成分見表1；粉煤灰：南京熱電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分見表1；砂：細(xì)度模數(shù)2.4的Ⅱ區(qū)Ⅰ類天然砂，含泥量0.8%，表觀密度2.675 g/cm3，空隙率36%；石子：5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量0.6%，針片狀含量11.2%；外加劑：南京瑞迪高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑（HLC-IX，減水率26%，含固量16.5%）、塑性膨脹劑（SP）、混凝土膨脹劑（氧化鈣類，PZ）、晶核早強(qiáng)劑（ZQ）和市售PVA纖維（PVA）；水：自來水。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土性能

新拌混凝土性能：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；混凝土力學(xué)性能參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2 混凝土早期變形

在不考慮外部環(huán)境作用時(shí)，混凝土早期變形主要以塑性沉降及自收縮變形為主，本試驗(yàn)測(cè)試混凝土在恒溫絕濕條件下由于漿體沉降和內(nèi)部膠凝材料水化作用而引起的早期變形。測(cè)試方法參考DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中混凝土的自生體積變形測(cè)試方法進(jìn)行。其中：密封試件筒由直徑100 mm、長(zhǎng)550 mm的PVC波紋管構(gòu)成，底部采用塞子和502膠水密封，測(cè)試有效長(zhǎng)度為500mm。試件制作時(shí)內(nèi)部未內(nèi)埋電阻應(yīng)變計(jì)，而是采用自動(dòng)應(yīng)變采集系統(tǒng)，自裝模20 min后直接測(cè)試端部混凝土的變形情況，近似為漿體自生體積變形，以3個(gè)試件為1組。

1.3 試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

選取2個(gè)有具代表性的低強(qiáng)度等級(jí)C25和高強(qiáng)度等級(jí)C50泵送混凝土配合比，摻加聚羧酸減水劑HLC-IX，控制混凝土的出機(jī)坍落度為（220±10）mm，再分別摻入不同的外加劑：塑性膨脹劑（SP）、氧化鈣類混凝土膨脹劑（PZ）、晶核早強(qiáng)劑（ZQ）和PVA纖維（PVA），SP、PZ和ZQ的摻量為推薦最低摻量，PVA摻入易影響混凝土的施工狀態(tài)，本試驗(yàn)選取不影響施工性能的超低摻量。分別測(cè)試不同外加劑對(duì)C25和C50泵送混凝土的拌和性能、力學(xué)性能及入模后～3 d的收縮變形的影響。C25和C50泵送混凝土中分別摻入膠凝材料質(zhì)量的0.03%SP、6%PZ、0.2%ZQ和0.015%PVA纖維。C25泵送混凝土的基準(zhǔn)配比為：水膠比0.54，砂率0.41，用水量185 kg/m3，膠凝材料總量為340 kg/m3，粉煤灰摻量為膠凝材料總質(zhì)量的20%，見表2。C50泵送混凝土的基準(zhǔn)配比為：水膠比0.33，砂率0.39，用水量176 kg/m3，膠凝材料總量為535 kg/m3，粉煤灰摻量為膠凝材料總質(zhì)量的20%，見表3。

表2 C25泵送混凝土試驗(yàn)外加劑及其摻量設(shè)計(jì) %

表3 C50泵送混凝土試驗(yàn)外加劑及其摻量設(shè)計(jì) %

2.1 不同外加劑對(duì)混凝土性能的影響（見表4、表5）

表4 不同外加劑對(duì)C25泵送混凝土性能的影響

表5 不同外加劑對(duì)C50泵送混凝土性能的影響

由表4、表5可見：

（1）0.03%SP和0.015%PVA對(duì)C25和C50混凝土的流動(dòng)性、含氣量、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度性能基本無影響。

（2）6%PZ和0.5%ZQ對(duì)C25和C50混凝土的流動(dòng)性、含氣量略有影響，但影響不大；ZQ有明顯縮短凝結(jié)時(shí)間和提高早期、后期抗壓強(qiáng)度作用；PZ對(duì)凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度影響不穩(wěn)定，有縮短凝結(jié)時(shí)間和降低抗壓強(qiáng)度的可能。

2.2 不同外加劑對(duì)混凝土早期變形的影響

采用GS-Ⅱ型干縮變形自動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試混凝土的早期自生體積變形。將新拌混凝土裝入直徑100 mm、測(cè)試有效長(zhǎng)度為500 mm的PCV管，內(nèi)襯塑料薄膜，底部封死，頂部用塑料薄膜包裹密封，在室溫（20±2）℃恒溫絕濕條件下采用自動(dòng)應(yīng)變采集系統(tǒng)通過小玻璃板抵住混凝土表面，自裝模20 min和1 h后直接測(cè)試端部混凝土的變形情況，近似為漿體自生體積變形。C25和C50混凝土的早期變形測(cè)試結(jié)果分別見圖1、圖2和圖3、圖4。

由圖1、圖2可見：

（1）空白組C25泵送混凝土（D1-1）分別以20 min和1 h為初長(zhǎng)測(cè)量起點(diǎn)時(shí)，測(cè)得3 d豎向收縮分別為820με和100 με，1 h內(nèi)豎向收縮為1 h～3 d豎向收縮的7.2倍。

（2）空白組C25泵送混凝土以1 h為起始點(diǎn)，測(cè)得的終凝（8 h）豎向收縮值為3 d豎向收縮的28.0%。

（3）摻SP、PZ、ZQ和PVA組相對(duì)空白組C25泵送混凝土3 d豎向收縮抑制率，以20 min為測(cè)試起點(diǎn)時(shí)分別為26.5%、26.6%、28.8%和1%，以1 h為測(cè)試起點(diǎn)時(shí)分別為-3.0%、58.0%、-9.0%和6.0%。

圖1 測(cè)試起點(diǎn)為20 min時(shí)不同外加劑對(duì)C25混凝土3 d變形的影響

圖2 測(cè)試起點(diǎn)為1 h時(shí)不同外加劑對(duì)C25混凝土3 d變形的影響

圖3 測(cè)試起點(diǎn)為20 min時(shí)不同外加劑對(duì)C50混凝土3 d變形的影響

圖4 測(cè)試起點(diǎn)為1 h時(shí)不同外加劑對(duì)C50混凝土3 d變形的影響

由圖3、圖4可見：

（1）空白組C50泵送混凝土（G1-1）分別以20 min和1 h為初長(zhǎng)測(cè)量起點(diǎn)時(shí)，測(cè)得3 d豎向收縮分別為961με和422 με，1h內(nèi)豎向收縮為1 h～3d豎向收縮的1.3倍。

（2）空白組C50泵送混凝土以1 h為起始點(diǎn)時(shí)，測(cè)得的終凝（6h40 min）豎向收縮為3 d豎向收縮的59.0%。

（3）摻SP、PZ、ZQ和PVA組相對(duì)空白組C50泵送混凝土的3 d豎向收縮抑制率，以20 min為測(cè)試起點(diǎn)時(shí)分別為14.4%、28.4%、31.3%和0.6%，以1 h為測(cè)試起點(diǎn)時(shí)分別為：-1.2%、41.9%、25.8%和1.4%。

由此可見：（1）泵送混凝土1 h內(nèi)塑性沉降變形大，C25混凝土較C50具有1 h內(nèi)塑性沉降占早期收縮比例大的特點(diǎn)，即低強(qiáng)度等級(jí)較高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的塑性沉降收縮在早期變形影響更大。幾種外加劑對(duì)于塑性沉降抑制作用大小為：ZQ＞SP＞PZ，微量PVA對(duì)塑性沉降無抑制作用。（2）終凝前塑性收縮占早期收縮比例大，不考慮1 h內(nèi)塑性沉降C50較C25泵送混凝土終凝前塑性收縮率增大2.1倍，即高標(biāo)號(hào)較低標(biāo)號(hào)混凝土塑性向硬化轉(zhuǎn)化階段收縮大。對(duì)這個(gè)時(shí)期的收縮抑制作用最為明顯的外加劑是PZ。（3）由20 min和1 h不同起始點(diǎn)測(cè)得的豎向收縮對(duì)于判定外加劑保持混凝土體積穩(wěn)定性作用的結(jié)論不同：20 min為起始點(diǎn)時(shí)，SP、ZQ和PZ外加劑對(duì)減小混凝土塑性收縮均有抑制作用；若1 h為起始點(diǎn)，則只有PZ外加劑在高、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中有作用體現(xiàn)。

3 結(jié)論

（1）SP和微量PVA對(duì)混凝土的施工性能、力學(xué)性能影響不大，ZQ有明顯縮短凝結(jié)時(shí)間和提高抗壓強(qiáng)度的作用，PZ對(duì)凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度影響不穩(wěn)定，有縮短凝結(jié)時(shí)間和降低抗壓強(qiáng)度的可能；

（2）分別以20min和1h為起始點(diǎn)，測(cè)試外加劑對(duì)混凝土早期變形作用得出的結(jié)論不同。測(cè)試起始點(diǎn)越早，越能準(zhǔn)確地反映外加劑對(duì)混凝土早期變形的作用。

（3）在混凝土早期變形全塑性階段，低強(qiáng)度等級(jí)較高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的沉降收縮占早期變形比例大，外加劑對(duì)抑制混凝土塑性沉降變形作用大小為：ZQ＞SP＞PZ，微量PVA作用不大。在混凝土彈塑性及硬化早期階段，高強(qiáng)度等級(jí)較低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的收縮變形比例大，這個(gè)時(shí)期抑制收縮作用較穩(wěn)定的外加劑為PZ。