外加剂对桥梁混凝土干缩性能的影响分析

2013-06-20马迪

交通运输研究 2013年8期

马迪

（邯郸市交通运输局公路工程一处，河北邯郸 056000）

桥梁结构在公路建设中应用广泛，是交通工程的枢纽，加之我国幅员辽阔，江河湖泊纵横交错，因此至20世纪末我国的桥梁建造技术得到了迅猛的发展。但是混凝土的碳化、氯离子侵蚀等导致混凝土桥梁发生结构损伤，使得桥梁耐久性不足，造成了很大的损失，超过了人们的预期，在欧美等发达国家已经成为严重的财政负担。美国1984年的调查表明，现役的57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足和必须做修复与加固处理，当年的修复费为54亿元[1]；1988年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费用每年需要2 500亿美元，其中桥梁修复费用为1 550亿美元。我国北方地区许多的桥梁使用不到10年就普遍出现混凝土开裂、剥落现象。北京西直门立交桥投入使用仅19年，就因为严重侵蚀和钢筋锈蚀破坏等原因于1999年报废重建。因此提高桥梁混凝土的抗裂性是提高混凝土结构耐久性的关键。本文主要研究外加剂对桥梁混凝土干缩性能的影响。

1 原材料选择

1.1 水泥

水泥的技术性能对于桥梁混凝土抗裂性的影响非常大，应该选用质量稳定、水化热低、含碱量较低的水泥。本试验选用普通硅酸盐水泥（42.5R），其技术指标见表1。

表1 水泥的技术性质

1.2 粗集料

混凝土所用粗集料为天然卵石；预制桥面板、塔柱及山坡展线桥使用的粗集料是由天然碎石和卵石破碎石按一定比例搭配而成。应严格控制粗集料的含泥量，如果含泥量大，不仅会增加混凝土的收缩，还会降低桥梁混凝土的抗拉强度，对桥梁混凝土的抗裂性非常不利。

1.3 细集料

细集料为天然砂及砂砾，其各项技术指标均满足规范要求。

1.4 外加剂

外加剂可以有效改善混凝土的各项性能。引气剂被认为是目前提高混凝土抗冻性能的最常用和最有效的办法之一。加入引气剂能产生均匀、稳定、封闭、互不连通的微小气泡，避免了毛细管道的形成，改善了混凝土的抗冻耐久性。抗渗性方面，对混凝土的“引气”与其偶然截留的空气不同，引气产生的气泡直径数量级约为0.05mm，而偶然截留的空气形成的气泡要大得多。引气后可在水泥浆中形成彼此分离的孔隙，因此不会形成连通的透水孔道，从而降低了混凝土的渗透性能。

高效缓凝减水剂在保证混凝土强度指标不变的条件下，经济有效地改善了新拌混凝土的和易性，满足高塔泵送要求。可见，外加剂的加入将有效改善混凝土的工作性和耐久性。

高效缓凝减水剂的技术指标见表2。引气剂的技术指标见表3。

表2 高效缓凝减水剂的技术指标

表3 引气剂的技术指标

2 试验设计

2.1 试验装置

每组混凝土配比成型三个混凝土试件，其中两个用于测试混凝土1～7d由干燥失水引起的变形；另一个用于测量1～7d内的水分蒸发量。干燥收缩试验装置由三部分组成，包括千分表、测试夹具及混凝土试件，其中试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

2.2 试验步骤

试验步骤如下：

a）按标准方法拌合混凝土，浇筑并振实；

b）混凝土试件成型好后在标准养护条件下进行养护，1d后立即拆模（也可以在室温下用塑料薄膜进行覆盖以防止水分过快蒸发）；

c）将混凝土试件移入恒温恒湿室内，架设千分表进行测试；

d）测试过程中，前3d每隔2h进行读数并测定混凝土试件的质量变化，3d后每隔4h进行一次测量；

e）测试期间，保持恒温恒湿室内的温度及湿度恒定，以横向对比不同材料组成的混凝土的自由收缩值。

3 试验分析

3.1 减水剂

在混凝土中掺入高效缓凝减水剂，减水剂的分散作用破坏了胶凝材料的絮凝结构，增加了混凝土内自由水的比例，从而导致混凝土浇筑成型后在内部形成大量连通孔道，影响了混凝土早期的干燥收缩变形[2]。减水剂掺量与混凝土干缩值及水分蒸发量的关系如图1、图2所示。

图1 不同减水剂掺量对应的早期干燥收缩

图2 不同减水剂掺量对应的水分蒸发量

由图1与图2可以看出：混凝土水胶比相同时，随着高效减水剂掺量的改变，混凝土的早期干燥收缩和水分蒸发量均不相同。随着减水剂的增加，相同龄期内混凝土的水分蒸发量增大。同时，高效缓凝减水剂的不仅减水效果好，而且使得坍落度经时损失小，尤其对于高寒地区混凝土工作性有很大的改善，有效解决了桥梁施工面临的混凝土泵送问题，同时降低了水胶比，使桥梁混凝土干缩减少，提高了混凝土的均匀性，也使早期强度大幅度提高，增强了桥梁混凝土的抗裂性能。同时发现，一方面，高效缓凝减水剂的加入将会使水泥石孔隙分布细化，有增大桥梁混凝土的干燥收缩的趋势；另一方面，将有效降低水的表面张力，有减少收缩的作用[3]。因此，在这两方面的共同作用下，高效缓凝减水剂的种类和掺量将影响干混凝土的干燥收缩变形。

减水剂掺量为0.8%时，桥梁混凝土具有相对较小的收缩变形，它的干缩值是掺入减水剂0.5%和1%时干缩变形值的89%和92.9%，这说明了减水剂存在一个最佳掺量，在这一掺量下，桥梁各部位混凝土的收缩变形较小。

3.2 引气剂

在桥梁混凝土中掺入适量的引气剂后，由于引气剂引入大量微小且独立的微气泡，这些球状气泡可作为体积膨胀的“缓冲阀”，降低和延缓其他物理膨胀和化学反应膨胀引起的混凝土破坏。因此，选用性能较好的引气剂并控制其掺量，有利于防止混凝土的收缩开裂。引气剂掺量与混凝土干缩值及水分蒸发量的关系如图3、图4所示。

图3 不同引气剂掺量对应的早期干缩

由图3与图4可以看出：引气剂的加入可改善桥梁混凝土的和易性和流动度，同时桥梁混凝土的塑性和内粘聚性提高，并且细小气泡的作用使桥梁混凝土用水量有所下降，后期强度损失较小，可以提高高寒地区桥梁混凝土的抗裂性。桥梁混凝土中的引气剂掺量为5‱时，混凝土的含气量和水分蒸发量与基准混凝土的相差不大，混凝土的收缩值与基准混凝土相比也大致相同。可见，桥梁混凝土水分蒸发量与引气剂掺量相关性不大。

图4 不同引气剂掺量对应的水分蒸发量

桥梁混凝土的早期干燥收缩变形先增大后减小，因此桥梁混凝土的引气剂掺量不能过高也不能过低，应该选用性能好的引气剂并控制其掺量，有利于防止桥梁混凝土的早期收缩开裂。引气剂的引气作用可在混凝土中产生不连续的微小、封闭、稳定的气泡，从而减小连通孔隙率，作为水结冰或盐结晶膨胀的缓冲阀，可以减少可冻水，让水尽量吸附在毛细孔或凝胶孔，有利于提高高寒地区桥梁混凝土的抗裂性。