水泥品种、骨料级配与环境因素变化对高性能混凝土塑性开裂的影响

翟 超，肖 杨

(1.新疆维吾尔自治区水利管理总站，乌鲁木齐 830000； 2.新疆维吾尔自治区水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000)

近年来，低水胶比高强和高性能混凝土应用越来越广泛[1]。而高强和高性能混凝土水灰比低，胶凝材料用量大，早期自生收缩也显著增大[2-3]。在实际工程中，混凝土的室外养护往往较试验室的差，正常情况下会暴露在比较干燥的环境中，更容易发生塑性开裂。本文以新疆甘河子水库面板混凝土为研究对象，分析不同水泥、骨料级配以及施工环境的变化对高性能混凝土塑性开裂的影响，提出预防早期开裂的工程措施，为面板混凝土施工提供技术支撑。

1 试验方法

1.1 试验装置及试件尺寸

本文采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[4]进行早期抗裂试验。尺寸为800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型试件。混凝土骨料最大公称粒径不应超过31.5 mm。混凝土早期抗裂试验装置(图1)应采用钢制模具。

图1 混凝土早期抗裂试验装置示意图(mm)

1.2 试验步骤

1) 将新拌混凝土浇筑在试模内，并立即将混凝土摊平，且表面应比模具边框略高。放于振动台上，振动密实(10 s左右)，将表面抹平。

2) 在试件成型30 min后，放置于(20±2)℃、相对湿度为(60±5)%的环境中，立即调节风扇位置和风速，使试件表面中心正上方100 mm处风速为(5±0.5)m/s，并应使风向平行于试件表面和裂缝诱导器。

3) 试验时间应从混凝土搅拌加水开始计算，在(24±0.5)h用放大倍数为100倍的刻度放大镜测裂缝宽度，用钢直尺测量裂缝长度。

1.3 试验结果计算

1) 每条裂缝的平均开裂面积应按下式计算：

(1)

2) 单位面积的裂缝数目应按下式计算：

(2)

3) 单位面积上的总开裂面积应按下式计算：

c=a×b

(3)

式中：Wi为第i条裂缝的最大宽度，mm，精确到0.01 mm；Li为第i条裂缝的长度，mm，精确到1 mm；N为总裂缝数目，条；A为平板的面积，m2，精确到小数点后两位；a为每条裂缝的平均开裂面积，mm2/条；精确到1 mm2/条；b为单位面积的裂缝数目，条/m2，精确到0.1条/m2；c为单位面积上的总开裂面积，mm2/m2，精确到1 mm2/m2。

根据《混凝土质量控制标准》(GB 50164-2011)[5]，试验结果的评定见表1。

表1 混凝土早期抗裂性能等级划分

2 试验方案

2.1 环境因素设计

在施工现场，通过在不同施工时段以及遇到高温、降雨、大风等气象变化时测试温度和湿度代表值来作为试验环境因素，环境因素的组合设计见表2。

表2 面板混凝土配合比

2.2 混凝土配合比

在配合比优选的基础上，结合工程部位(混凝土面板)，根据不同环境因素影响对优选的配合比进一步开展混凝土早期抗裂试验，从而评定混凝土的抗裂等级。其中，X1代表高抗硫水泥配置的混凝土，X2代表一级配普通硅酸盐水泥配置的混凝土，X3代表二级配普通硅酸盐水泥配置的混凝土。选取的配合比见表3。

表3 面板混凝土配合比

3 试验结果分析

由图2可知，在水泥影响中，高抗硫水泥配置的混凝土试件比普通硅酸盐水泥配置的试件更容易发生塑性开裂，开裂面积是一级配普通硅酸盐水泥混凝土的1.2倍，是二级配的1.5倍。在骨料的影响中，一级配普通硅酸盐水泥混凝土比二级配更容易发生塑性开裂，一级配开裂面积是二级配的1.3倍。在环境影响因素中，高温低湿大风条件下试件开裂面积最大，在835.6～1 565.2 mm2/m2之间，抗裂性能等级为Ⅰ级；其次是高温恒湿，单位面积总开裂面积为：684.5～1 044.8 mm2/m2，抗裂性能等级为Ⅱ级；第三是标准环境，单位面积总开裂面积为：213.8～465.4 mm2/m2，抗裂性能等级为Ⅳ级；第四是高温高湿环境，单位面积总开裂面积为：148.4～160.6 mm2/m2，抗裂性能等级为Ⅳ级；最小的是恒温高湿环境，单位面积总开裂面积为56.8～67.4 mm2/m2，抗裂性能等级为Ⅴ级。通过及时覆盖养护的混凝土试件未发生开裂，标准环境中2 h后覆盖养护的试件单位面积总开裂面积为108.6～215.6 mm2/m2，抗裂性能等级为Ⅳ级。见表4。

图2 水泥、骨料及环境因素对混凝土塑性开裂的影响图

试件单位面积总开裂面积mm2/m2标准环境W:20℃/H:62%高温恒湿W:35℃/H:62%恒温高湿W:20℃/H:80%高温高湿W:35℃/H:80%高温低湿大风速W:35℃/H:20%/S:6m/s覆盖养护1 h2 hX1465.41044.860.2155.41565.20215.6X2240.7991.467.4160.61333.80138.8X3213.8684.556.8148.4835.60108.6

由原因分析可知，根据混凝土早期强度值发展情况，抗硫酸盐水泥配置的混凝土早期强度高于普通硅酸盐水泥试件。相应地在形成约束时间上也早于普通硅酸盐水泥试件，早期混凝土抗拉强度低，在受到约束时便更容易产生塑性开裂。骨料级配影响同样是因为早期强度所致。与高温恒湿、标准环境、高温高湿、恒温高湿相比，在高温、大风、低湿的环境中，混凝土表面失水更为严重，在干燥收缩应力作用下，混凝土表面更容易被拉开，形成塑性开裂。

4 结 论

试验表明，高抗硫水泥配置的混凝土试件比普通硅酸盐水泥配置的试件更容易发生塑性开裂；一级配普通硅酸盐水泥混凝土比二级配更容易发生塑性开裂；在高温、低湿、大风的环境更容易发生塑性开裂；因此，在浇筑混凝土面板时应合理选择合理的时间，避开高温、低湿、大风天气，同时配合覆盖养护，可以避免塑性开裂的发生，对于面板工程施工提供技术保障。