抗振混凝土收缩及抗裂性能研究

吴小虎

（甘肃兰州公路管理局，甘肃 兰州 730030）

0 引言

水泥混凝土水化早期阶段，组成水泥的各矿物成分迅速发生水化反应，内部骨架初步形成，水泥净浆硬化，结构形成较小的初始剪应力，但由于水化反应是一个漫长的过程，最初阶段水化产物较少，混凝土在混凝土内部形成的粘结应力较小，对扰动十分敏感。因此现阶段加固维修桥梁只能采取封闭桥梁、中断交通的方式[1-5]。然而，由于交通量繁重，中断交通会带来极大不便。部分桥梁由于处于交通要道，地理位置关键，更是无法中断交通进行施工，只能在开放交通的条件下进行维修、加固和改造，当车辆从桥面经过时，移动的车辆会对桥梁产生动力荷载产生的车桥耦合振动会使桥梁结构产生更大的变形和应力，对混凝土内部产生作用力，容易造成结构损伤和产生微裂缝，混凝土内部是否会产生大量微小裂缝而影响混凝土使用性能，有必要对其进行深入研究[6-10]。

因此本文通过自制抗振混凝土，研究不同纤维掺量对混凝土收缩变形与早期开裂的改善作用，研究成果为配制抗振混凝土提供思路，为今后公路混凝土桥梁维修、加固项目提供指导，降低施工时对交通的影响。

1 原材料及配合比设计

1.1 水泥

本文选用的水泥为重庆拉法基P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，其物理力学性能指标见表1。

表1 普通硅酸盐水泥物理力学性能测试结果

1.2 钢纤维

本文试验采用的钢纤维物理参数如表2所示。

表2 钢纤维物理参数表

1.3 粗集料

本试验采用5～10mm、10～20mm两档石灰岩碎石，所配置的混凝土标号为C50混凝土，对粗集料的技术要求等级为Ⅱ级，粗集料相关技术指标如表3所示。

表3 粗集料技术指标

1.4 细集料

根据规范要求，桥涵混凝土用细集料应采用级配良好、质地坚硬、吸水率小、颗粒洁净的河砂，河砂不易得到时，也可用硬质岩石加工的符合国家标准的人工砂[11-13]。本论文试验所用细集料为天然河砂，粒度组成均匀合理，颗粒圆整、表面光洁、流动性好，细度模数为2.56，属于中砂。本文所用混凝土对细集料技术要求为Ⅱ级，细集料技术指标如表4所示。

表4 细集料技术指标

1.5 外加剂

本文试验采用的外加剂为聚羧酸高效减水剂，其主要性能如表5所示。

表5 聚羧酸高效减水剂性能指标

1.6 水

混凝土拌和用水采用自来水，水质洁净、杂质含量少，满足规范相关要求。

1.7 混凝土配合比设计

混凝土拌合物中添加钢纤维后，会使得混凝土流动性降低[14-15]。因此，为达到施工要求的流动性，应增加单位用水量及适当增大砂率来提高钢纤维混凝土的流动性。本文试验选用三个钢纤维掺量，分别为0.5%、1%和1.5%，分别进行配合比设计，调整混凝土单位用水量、砂率，使其工作性达到施工要求，单位用水量和砂率优选过程类似于普通混凝土配合比设计过程，在此便不再赘述。研究其对混凝土干燥收缩和温度收缩的影响，并优选出最佳掺量。经过计算试拌，其中第Ⅰ组普通混凝土作为对照组，按照钢纤维不同钢纤维掺量分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组分别研究其变形性能，钢纤维混凝土配合比如表6所示。

表6 钢纤维混凝土配合比掺量表（kg/m3）

2 试验方案设计

2.1 收缩变形性能试验

为研究设计的钢纤维混凝土配合比对混凝土收缩变形性能的影响，试验条件在选取出的最不利振动组合条件下，最不利振动参数组合为A3B1C3D2，即：振动频率为10Hz，振幅为9mm，振动时间为60min，振动时间为5.5h。分别研究不同组混凝土在不同时间以及不同钢纤维掺量下的收缩变形性能。

2.2 平板法约束收缩开裂试验

本试验测定混凝土早期开裂的试验方法按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T50082-2009）规定的平板约束法进行，采用的尺寸为800mm×600mm×100mm的平板开裂试模。混凝土浇筑完成后，应保持表面平整，骨料不外露，试验时室温控制在（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%。试件成型后30min，用风扇往试件表面吹风，使试件表面中心正上方约100mm处风速约为5m/s，要求风向平行于试件表面和裂缝诱导器。

采用裂缝综合测试仪对裂缝的宽度和深度进行测量，宽度测量范围为0.01～2.1mm，精度为0.01mm，深度测量范围为10～400mm，精度5%。按照《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）按单位面积的总开裂面积将混凝土早期抗裂性等级分为五个等级，如表7所示。

表7 混凝土早期抗裂性等级表

3 试验结果及分析

3.1 干缩试验结果及分析

测试计算得到4组不同配合比混凝土的干燥收缩率随时间变化曲线如图1所示，混凝土的干燥收缩率随钢纤维掺量变化曲线如图2。

图1 干缩收缩率随时间变化曲线

图2 28d干缩收缩率随钢纤维掺量变化曲线

由图1可以看出，掺入钢纤维组Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组混凝土干燥收缩率与未添加钢纤维组Ⅰ混凝土干燥收缩随龄期变化规律基本一致。此外，钢纤维掺量越大，混凝土的干燥收缩率越小。当钢纤维掺量为1.0%和1.5%时，其干燥收缩率处于正常干缩范围内，能有效抑制车桥耦合振动的影响。由图2得出，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组混凝土28d干缩收缩率均比Ⅰ组低，即添加钢纤维的混凝土干燥收缩率明显比未添加混凝土低。此外，从Ⅰ组-Ⅲ组，混凝土干燥收缩率大致呈线性降低，且降低幅度较大，而从Ⅲ组-Ⅳ组时，混凝土干燥收缩率下降趋势明显变缓，说明在混凝土中，当钢纤维掺量在1%以下时，钢纤维显著降低混凝土干燥收缩率，而当钢纤维掺量超过1%后，钢纤维的作用效果减弱。

3.2 温缩试验结果及分析

4组不同配合比混凝土的温度收缩系数随时间变化曲线图如图3所示，温度收缩系数随钢纤维掺量变化规律如图4所示。

由图3可以看出，掺入钢纤维后混凝土的并没有改变混凝土的温缩规律，总体上温度收缩系数在-20～-10℃范围内出现第一个小高峰，之后在0～10℃范围内由于水分物理状态变化导致收缩系数迅速增长，之后又回落到一个比较平稳的状态。由图4可得，在最不利振动条件下，比较不同掺量钢纤维混凝土温度收缩系数可得，温缩系数平均值、高温平均值和低温平均值规律基本一致。当钢纤维掺量从0增加到1%时，温度收缩系数随着钢纤维掺量的增加呈线性趋势降低，钢纤维对混凝土温缩改善效果明显。而当钢纤维掺量继续增加时，混凝土温度收缩系数继续降低，但降低趋势明显放缓，因此并未充分发挥出钢纤维的作用。

图3 试件温度收缩系数随温度变化曲线

图4 试件温度收缩系数随钢纤维掺量变化曲线

综合对比可知，当钢纤维掺量为1%时，对混凝土的干燥收缩和温度收缩改善效果都比较明显，且能充分发挥钢纤维的作用。

3.3 平板法约束收缩开裂试验

振动对混凝土性能影响最大的组合为A3B1C3D2，为研究在最不利振动组合下钢纤维对混凝土早期开裂的改善效果，分别对比素混凝土在静置和最不利振动组合下，以及钢纤维混凝土在最不利振动组合条件下的开裂情况，测试结果如表8所示。

表8 混凝土早期平板收缩开裂结果表

从表7可以看出，素混凝土在未受振动影响时单位面积的总开裂面积较小，抗裂性能等级为Ⅲ级，在受到最不利振动组合影响下，素混凝土抗裂性能明显变差，裂缝数量增多，裂缝最大宽度、平均开裂面积、单位面积开裂裂缝数目及单位面积的总开裂面积明显增大，抗裂性等级为I级。掺入钢纤维后，钢纤维能显著改善振动混凝土的早期开裂效果。裂缝最大宽度、平均开裂面积、单位面积开裂裂缝数目及单位面积的总开裂面积均较素混凝土有较大下降，抗裂性能得到提升，与未受振动的素混凝土相比，裂缝最大宽度更小，这是由于混凝土振动形成微裂缝时，钢纤维在混凝土中承受拉应力，对裂缝的产生起到一定的阻碍作用，延缓裂缝的扩展；平均开裂面积、单位面积开裂裂缝数目、单位面积的总开裂面积稍大于未受振动的素混凝土，但差距并不大，抗裂性能等级均为Ⅲ级。

因此，从混凝土收缩变形开裂性能考虑，振动作用后会劣化混凝土性能，使混凝土收缩变形增大，早期抗裂性能变差，裂缝增多。通过掺加钢纤维能有效改善混凝土性能，控制混凝土收缩变形，限制微裂缝的发展，提高混凝土的抗裂等级。此外，在本文试验中，钢纤维体积掺量为1%时为最佳掺量。

4 结论

本文通过对抗振混凝土的常规收缩变形以及平板法约束收缩开裂试验研究不同钢纤维掺量、凝结时间、温度等因素对抗振混凝土干燥收缩和温度收缩大小的影响，并得出以下结论：

1）在混凝土中添加钢纤维后，其干燥收缩和温度收缩均明显减小，振动对混凝土影响得到有效控制。

2）钢纤维掺量0.5%、1.0%、1.5%三个掺量中，掺量从0.5%到1.0%范围变化时，混凝土收缩值线性降低，钢纤维作用效果明显，当掺量从1.0%到1.5%范围变化时，收缩值变化率减缓，多添加的钢纤维作用并没有充分发挥，因此混凝土中钢纤维掺量在1%左右时效果较好，也比较经济。

3）通过平板法约束收缩开裂试验，振动后混凝土裂缝明显比未振动混凝土裂缝增多，而添加钢纤维后混凝土裂缝数量及宽度显著降低，钢纤维在混凝土中延缓了裂缝的发展。