外加剂对公路高性能混凝土变形性能的影响

中国高速公路建设项目多，里程长，由于地形地貌特征，西南地区高速路中桥隧比例高，混凝土用量大。作为结构主体材料的混凝土性能对工程质量控制至关重要，在混凝土性能当中，变形性能是影响混凝土外观和结构安全的重要性能之一，有必要进行针对性研究。

1 高性能混凝土与体积稳定性

在公路建设中使用高性能混凝土已成为工程技术人员的共识。美国多年前就有一项“战略公路研究计划”[1]，该计划主要目标之一是研究、评价和推广高性能混凝土(简称HPC)在公路桥梁中的应用。

高性能混凝土的典型特征之一是它的高耐久性，而高体积稳定性则是高耐久性非常重要的保证条件。仅仅将高性能混凝土认为是高强和大坍落度混凝土，而忽视其体积稳定性，容易引起不良工程后果。例如在美国，3座HPC示范桥已经开裂；国内工程中也出现所用的“高性能混凝土”和传统概念混凝土一样开裂的现象。

2 公路工程对掺外加剂混凝土变形性能的要求

公路水泥混凝土工程对混凝土强度等级、耐久性和质量要求越来越高，且混凝土中广泛地使用外加剂。外加剂对混凝土变形性能的影响，在工程应用中往往被忽视，掺外加剂后的混凝土变形性能复杂，在外加剂使用不当时容易出现混凝土开裂并导致结构破坏现象，尤其是公路工程混凝土结构和构件中有两个显著特点[2]:一是混凝土薄壁结构占主导地位；二是公路工程混凝土结构是承受动载为主的结构。因此，掌握掺外加剂混凝土的变形性能非常重要，如果变形过大，薄壁结构混凝土易出现裂缝，一旦遭遇超载、振动、冲击和超饱和交通流，结构裂缝将快速扩展，混凝土结构在短期内可能发生破坏。

由于较大的收缩变形会对混凝土结构造成不利影响，因此我国混凝土外加剂标准对掺外加剂混凝土性能指标中的收缩率比有具体要求，如《混凝土外加剂》（GB8076-1997）中规定缓凝高效减水剂混凝土与基准混凝土相比，28d收缩率比不大于135%；《公路工程混凝土外加剂》（JT-T523-2004）中规定缓凝高效减水剂混凝土与基准混凝土相比，28d收缩率比不大于125%。可见，由于公路混凝土的特点，其对混凝土收缩变形的限制比普通混凝土更严格。

3 外加剂品种对混凝土变形性能的影响

混凝土外加剂是在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料。按照外加剂的定义，除了常用的化学外加剂之外，用于混凝土中的合成纤维由于符合上述定义，现代研究者也把合成纤维当作外加剂的一种。

混凝土变形性能是多样和复杂的，这里主要研究的是非荷载引起的化学外加剂和合成纤维外加剂对混凝土变形性能的影响。研究过程中的试验方法参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTJE30-2005）[3]。

3.1 减水剂类型对混凝土变形性能的影响

公路工程中使用最多的外加剂是减水剂，或者是以高效减水剂为基础配制的泵送剂。因此，选择引起混凝土收缩变形小的高效减水剂在高性能混凝土设计中是关键之一。

减水剂是混凝土外加剂中的最核心材料，该类产品的发展水平基本上反映了一个国家的混凝土外加剂的总体水平。我国目前减水剂品种以第二代萘系产品为主体，占总量的90%以上，聚羧酸系高效减水剂为新兴的第三代减水剂，目前在交通、水利等工程以及商品混凝土中已有应用。但相对于萘系减水剂，聚羧酸系高性能减水剂的应用尚属起步，工程应用数据积累相对较少，尤其是混凝土的收缩变形数据，因测试时间长、要求高而研究更少[4]。

研究中选用巴斯夫化学建材(上海)有限公司销售的聚羧酸系高性能减水剂（以下简称Rc），分析测试聚羧酸系高性能减水剂与萘系高效减水剂应用于混凝土后的收缩变形性能区别。 基准配合比——水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水∶减水剂=1∶1.63∶2.44∶0.13∶0.37∶0.014。 材料品种规格:地维P.O52.5R水泥；中砂；4.75～26.5mm碎石；I级粉煤灰。分别采用聚羧酸减水剂、萘系高效减水剂配制混凝土，其收缩试验结果见图1。

图1 不同减水剂混凝土收缩变形

通过试验结果可以发现，无论是早期或是后期，聚羧酸减水剂混凝土各龄期收缩值都远小于萘系减水剂混凝土。按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中水泥混凝土干缩性试验方法，测得的硬化后聚羧酸减水剂混凝土的变形值比萘系减水剂混凝土的变形值在28天后降低20%以上。

聚羧酸系高性能减水剂混凝土的收缩率低于萘系减水剂混凝土，证明聚羧酸减水剂混凝土具有优异的体积稳定性，这点对公路混凝土尤其重要。

3.2 合成纤维外加剂对混凝土变形性能的影响

选用聚丙烯（PP）纤维，并研究其对混凝土收缩变形性能的影响，实验结果见图2。其中PP纤维混凝土除加入0.7kg/m3纤维外，混凝土配合比同基准混凝土配合比一样——水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶水∶减水剂=1∶1.13∶2.35∶0.17∶0.41∶0.01；材料品种规格:地维P.O42.5水泥；中砂；4.75～26.5mm碎石；II级粉煤灰；萘系减水剂。

图2 PP纤维混凝土的收缩变形

从试验结果可以发现，PP纤维混凝土（19mm长聚丙烯纤维，掺量0.7kg/m3）各龄期收缩值明显小于基准混凝土。合成纤维加入混凝土后，较大程度地改善了混凝土的收缩变形性能。

合成纤维分散在混凝土中，起到了类似筛网的作用，缓解了粗颗粒的快速下沉和游离水的上升，减低了混凝土失水速率，对早期塑性收缩有一定防治作用。纤维的阻裂作用，减少了混凝土的微裂缝，即切断了水分散失的通道，从而减少了混凝土的干燥收缩。水泥基体凝结硬化后与握裹的纤维丝相粘连成为致密的、乱向分布的网状增强系统，有助于削弱混凝土各种收缩（如化学收缩、温度收缩、干缩等）产生的应力，从而极为有效地抑制混凝土变形。

4 结论

（1）公路工程中掺外加剂混凝土的非荷载变形控制不当，引起的混凝土开裂可能导致结构破坏，或降低混凝土结构耐久性能。通过正确地选择和使用外加剂，使公路混凝土尽量避免大的非荷载变形，避免工程质量问题的发生，可提高混凝土的耐久性，节约高速公路将来的巨额维护费用。

（2）本研究中的聚羧酸减水剂混凝土早龄期及硬化后期的收缩变形均远小于萘系减水剂混凝土，且28d降低值在20%以上。

（3）合成纤维外加剂混凝土各龄期的收缩变形远低于普通混凝土。在合适的纤维掺量下，合成纤维可以很好地抑制由于干缩、塑性沉降、自生收缩等引起的混凝土变形。

（4）在现有混凝土原材料状况、施工水平条件下，通过添加能够改善混凝土体积稳定性的外加剂及其组合，并充分考虑设计、施工因素，可以控制和减少混凝土收缩变形。聚羧酸减水剂与合成纤维外加剂的复合使用是减少混凝土不利变形，提高混凝土耐久性，配制高性能混凝土的有效途径。

[1]程日盛.美国战略公路研究计划(SHRP)简介[J].河南交通科技，1999（5）:35-38.

[2]交通部公路科学研究院.公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南[M].北京:人民交通出版社，2006.

[3]JTJE30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[4]俞海勇.掺有聚羧酸高性能混凝土减水剂的混凝土收缩与变形[J].化学建材，2005，6.