蘇 彧

(法庫縣水利事務服務中心,遼寧 法庫 110400)

近年來,超高韌性、耐久、強度的水工混凝土研究應用逐漸引起工程界和學術界的廣泛關注。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,對結構物外觀和整體質量造成嚴重影響,特別是長期暴露在干燥環(huán)境中的水工混凝土,由于室外環(huán)境較差極易發(fā)生塑性開裂,既影響結構的耐久性又難以實現(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,如何科學評價與測試早期抗裂性能,并結合測試數(shù)據(jù)設計合適的制備養(yǎng)護方案,保證在各種環(huán)境服役過程中水工混凝土結構均能滿足規(guī)定的使用要求,現(xiàn)已成為國內外研究的熱點?；炷亮芽p的形成主要與以下因素有關:①混凝土自身固有的抗拉強度、收縮性能、彈性模量等因素限制;②所受約束、環(huán)境條件、結構構建的構造等外部因素的影響。針對混凝土成型的形狀以及上述裂縫的成因,目前測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、四周約束等方式,加速板狀混凝土的開裂;圓環(huán)法主要是利用內部剛性構件,通過約束圓環(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裂。

因此,文章以觀音閣水庫面板混凝土為例,采用平板法探討高性能水工混凝土早期開裂受施工條件、骨料級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裂有效預防提供一定技術支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

水泥:用高抗硫水泥、一級配和二級配普通硅酸鹽水泥,經(jīng)檢測3種水泥的細度、凝結時間、安定性、抗折和抗壓強度等指標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級粉煤灰,細度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%。細骨料:采用四寨子砂場天然中砂,表觀密度2600kg/m3,云母含量0%,微粒含量5.2%,細度模數(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%,有機質含量淺于標準色,中石含泥量0.6%,小石含泥量0.5%,堅固性符合≤%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《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行早期抗裂試驗,拌合物中的最大骨料粒徑31.5mm。1985年美國學者Kraai最早提出一種四周約束型的平板開裂試驗法,后經(jīng)國內外學者的優(yōu)化改進提出了多種試驗模具[6-7]。通過多道應力誘導平板開裂中國建材院自行研制了一種試驗裝置,如圖1,裂縫誘導器等間距平行排布于平板試模中。

圖1 試驗裝置示意圖-四周提供約束

1.3 試驗流程

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,然后移到振動臺上震動10s至密室,抹平表面浮漿。

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

步驟3:從拌合物加水攪拌開始計算試驗時間,試驗(24±0.5)h時測量裂縫寬度和長度,該過程所用到的設備有計時器、刻度放大鏡(放大倍數(shù)100倍)和鋼直尺。

1.4 數(shù)據(jù)計算

采用公式(1)～(3)計算每條裂縫的平均開裂面積a、單位面積上的裂縫數(shù)目b以及總開裂面積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裂面積,mm2/條、單位面積上的裂縫數(shù)目,條/m2和總開裂面積,mm2/m2。根據(jù)平板法試驗數(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價標準,即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級所對應的單位面積總開裂面積取值區(qū)間為c≥1000、700≤c<1000、400≤c<700、100≤c<400、c<100[8-10]。

2 試驗方案與結果

2.1 試驗方案

根據(jù)不同施工時段可能遇到的大風、降雨、高溫等氣候變化測定的濕度和溫度代表值,合理選擇試驗環(huán)境因素,充分考慮試驗目的設計不同環(huán)境因素組合如表1所示。

表1 環(huán)境因素設計

通過優(yōu)化調整試驗配合比,并考慮試驗配合比受不同環(huán)境因素和工程部位的影響特征,對面板混凝土開展早期抗裂試驗,最后按照試驗數(shù)據(jù)評定抗裂等級,試驗配比見表2。其中,1#、2#、3#代表高抗硫水泥、一級配和二級配普通硅酸鹽水泥配制的水工混凝土。

表2 試驗配合比

2.2 結果分析

不同環(huán)境、骨料級配和水泥類型下的混凝土塑性開裂測試數(shù)據(jù)見表3和圖1。結果表明,對于不同水泥品種,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)塑性開裂,高抗硫水泥是一級配、二級配普通硅酸鹽水泥試件開裂面積的1.60倍和2.03倍;對于不同骨料級配,一級配水泥相較于二級配水泥配制的水工混凝土更容易出現(xiàn)塑性開裂,前者的開裂面積是后者的1.27倍;對于不同環(huán)境條件,混凝土開裂面積最大的是高溫、低濕、大風環(huán)境(S:80%;T:35℃;W:5m/s),其開裂面積處于1024.8～1542.0mm2/m2范圍,按照抗裂等級劃分標準達到Ⅰ級水平;其次是高溫恒濕環(huán)境(S:60%;T:35℃),其開裂面積處于717.3～932.8mm2/m2范圍,按照抗裂等級劃分標準達到Ⅱ級水平;然后是標準環(huán)境(S:60%;T:20℃)和高溫高濕環(huán)境(S:80%;T:35℃),其開裂面積處于204.5～395.1mm2/m2范圍和136.5～150.7mm2/m2范圍,按照抗裂等級劃分標準兩者均達到Ⅳ級水平;最后是恒溫高濕環(huán)境(S:60%;T:20℃),其開裂面積處于51.1～60.4mm2/m2范圍,按照抗裂等級劃分標準達到Ⅴ級水平。對水工混凝土試件及時采取覆蓋養(yǎng)護措施,結果表明1h后未出現(xiàn)塑性開裂,覆蓋養(yǎng)護2h后標準環(huán)境中的水工混凝土單位面積開裂面積處于100.4～204.2mm2/m2范圍,按照抗裂等級劃分標準達到Ⅳ級水平[11-12]。

表3 單位面積總開裂面積 mm2/m2

圖1 水工混凝土塑性開裂圖

通過分析早期強度變化趨勢可知,見表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度較高,由此導致的最早約束時間也明顯提前,在受到約束時由于早期抗拉強度低更易形成塑性開裂,骨料級配因素也是因為早期抗拉強度低所引起的[13-15]。高溫大風低濕環(huán)境中的水工混凝土表面失水相較于恒溫高濕、高溫高濕、標準環(huán)境、高溫恒濕環(huán)境更加嚴重,混凝土表面受干燥收縮應力作用更容易被拉開,并最終發(fā)展成塑性開裂。

表4 不同試驗條件下的抗壓強度值

3 結 論

1)對于不同水泥品種,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)塑性開裂,高抗硫水泥是一級配、二級配普通硅酸鹽水泥試件開裂面積的1.60倍和2.03倍;對于不同骨料級配,一級配水泥相較于二級配水泥配制的水工混凝土更容易出現(xiàn)塑性開裂,前者的開裂面積是后者的1.27倍;對于不同環(huán)境條件,混凝土開裂面積最大的是高溫、低濕、大風環(huán)境,其次是高溫恒濕環(huán)境,然后是標準環(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程中建議避開大風、低濕、高溫天氣,合理選擇澆筑時間,并采取有效覆蓋養(yǎng)護措施,從根本上防止混凝土發(fā)生塑性開裂的情況,研究成果可為面板混凝土施工和配合比設計提供一定參考。