超大体积承台高抗裂混凝土性能研究

赵 娜,鲁志伟,那继鹏,盛炎民,丁 川,崔招娣,王宁宁

(1.中信建设有限责任公司,北京 100027;2.华北建设集团限公司,北京 100027;3.常州工学院,常州 213032;4.南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司,南京 211100)

既有研究与工程实践表明,随着社会快速发展,大体积混凝土结构建设越来越多,如桥梁中承台、高层房建的筏板等,然而裂缝问题是超大体积混凝土结构的一大顽疾[1]。混凝土结构开裂后,不仅会影响结构受力,侵蚀介质的腐蚀速度也将加快,混凝土结构的耐久性将进一步恶化[2]。因此,混凝土裂缝控制是保障结构服役寿命的前提,而控制施工期中的非荷载裂缝则是其中的关键。近年来,为尽量避免早期裂缝的出现,大多数大体积结构混凝土配合比逐步采用了低水胶比、掺入较多粉煤灰与矿粉取代水泥的方式进行设计[3-6],并且为防止后期裂缝的扩展,许多结构在受力复杂位置的混凝土中还加入聚丙烯纤维进行增强[7],上述措施的采用,虽然减少了工程中裂缝出现的风险与数量,但仍无法解决混凝土开裂问题。

总结既有工程实践可以发现,对于超大体积混凝土承台而言,使用功能性抗裂材料是抑制结构混凝土开裂的主要措施。然而目前一些抗裂性功能材料如膨胀剂等的作用历程与混凝土自收缩历程难以匹配,因此造成了配合比设计不合理的问题亟待解决。

1 配合比设计思路

1)为了控制大体积混凝土早期裂缝,可以加入调控材料来干预水泥水化反应,以此来调节水泥水化过程,减小水化热放出速率,实现混凝土结构的温度场调控机制,而不会降低总的热放出量。

2)控制矿粉掺量一定,通过用粉煤灰代替水泥的方式,减小水泥用量,进而降低水泥水化放热量,实现基于大掺量粉煤灰和水化热调控材料的低温升、小收缩协同提升技术。

3)通过使用钙镁复合材料控制膨胀材料在温度下的膨胀行为,并利用具有不同膨胀特性的膨胀组分(即钙镁复合材料)进一步达到补偿收缩过程的作用。

2 试验原材料及混凝土测试方法

水泥选用海螺PⅡ 42.5硅酸盐水泥,其基本物理力学性能指标如表1所示。

表1 水泥基本性能指标

粉煤灰采用F类Ⅰ级粉煤灰,基本性能指标及化学成分如表2所示。

表2 粉煤灰化学成分 w/%

抗裂剂使用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的HME-V抗裂剂,主要性能指标如表3所示。

表3 混凝土抗裂剂主要性能指标

碎石级配为5～25 mm三级配碎石,碎石掺配比例为(5～10 mm)∶(10～20 mm)∶(20～25 mm)=1∶6∶3,表观密度2 750 kg/m3;细集料为II区河砂,表观密度2 740 kg/m3,细度模数为2.8;减水剂为聚羧酸高性能减水剂PCA-Ⅰ,减水率35%,固含量30%,28 d干燥收缩率比≤100%。

按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424—2010进行混凝土基本物理力学性能、耐久性能测试;按照《水工混凝土试验规程》SL352—2006进行热物理学试验;结合《混凝土膨胀剂》GB/T 23439—2009与《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009进行混凝土变形试验。

3 混凝土配合比设计及性能试验

针对大体积结构混凝土进行了配合比优化设计试验,固定配合比的胶材总量410 kg/m3,水胶比0.36,矿粉掺量10%,砂率40%,调整粉煤灰掺量比例分别为15%、20%、25%。混凝土配合比见表4。

表4 C40大体积混凝土试验配合比

3.1 混凝土基本物理性能

由表5可知4组混凝土拌合物工作性能均满足要求,未出现离析和泌水。掺入抗裂剂对坍落度影响不大,与不掺抗裂剂的混凝土均为180～200 mm,掺入抗裂剂的凝结时间相对延长2～3 h,究其原因是与抗裂剂中的水化热调控成分相关,其改变了水化历程,但对施工性能影响较小。与对照组A0相比,随着粉煤灰掺量的增加,混凝土7 d强度相对降低,随着水化时间延长28 d强度与A2配合比相差不大;对比配合比A2和A3发现,抗裂剂等量取代水泥后,早期强度降低11%,28 d后强度降低3.2%,由此可知等量取代水泥后早期7 d强度会有一定降低,但是后期28 d强度降低幅度较小。

表5 C40大体积混凝土基本物理性能

3.2 混凝土耐久性能

根据表4所示配合比进行耐久性能试验,包括抗裂等级、28 d碳化深度、56 d氯离子扩散系数、56 d电通量等,测试结果如表6所示。四个配合比耐久性能均能满足设计要求,其中抗裂等级均在L-Ⅲ以上,A0组其余三项耐久指标均为四组中最大值,但完全满足28 d碳化深度小于5 mm,56 d氯离子扩散系数低于4.0×10-12m2/s,56 d电通量小于1 000 C的要求。与基准配合比A0相比,随着粉煤灰用量逐渐增加,提高了混凝土的致密性,降低了氯离子的渗透性,从而碳化深度和氯离子扩散系数逐渐降低;对比配合比A2和A3,在大量粉煤灰代替水泥的基础上,进一步使用抗裂剂可以更好的降低碳化深度、氯离子扩散系数以及电通量,分析其原因,抗裂剂能够有效控制混凝土的收缩和开裂,且在后期水化过程中细化孔隙结构,改善混凝土的整体性能,从而提高混凝土的力学性能和耐久性。

表6 耐久性能测试结果

3.3 混凝土变形性能

混凝土自收缩测试结果如图1所示,当配比中不掺抗裂剂时,混凝土30 d自收缩变形量为160×10-6～200×10-6,且随着水泥用量的逐渐降低,其自收缩变形量也随之降低,在一定程度上可以认为水泥掺量与混凝土的自收缩变形量存在线性关系;此外,随着抗裂剂的加入,如A3所示,混凝土在早期及中后期均保持较好的膨胀状态,既在混凝土温降阶段和自收缩过程中储存一定的膨胀压应力,且在30 d补偿收缩后仍有约150×10-6膨胀变形量。由此可见,采用较小水泥与粉煤灰比例,同时复掺适当抗裂剂可以在满足力学性能的基础上,提高混凝土抗裂性能。

3.4 混凝土绝热温升

图2为测得的A0、A1、A2和A3四个配合比历时7 d的绝热温升曲线,普通混凝土A0～A2三个配合比绝热温升随龄期变化趋势一致,7 d龄期绝热温升分别为42 ℃、40 ℃、38 ℃。由此说明在一定程度上降低水泥用量可以降低混凝土绝热温升,对超大体积混凝土裂缝控制非常有利。由配合比A2和A3可知,抗裂剂的掺入对凝结时间的影响较小,并且水化热的放出速率在快速水化阶段明显降低,初凝后1～3 d混凝土的绝热温升分别降低了约40%、25%、20%,7 d绝热温升为37.8 ℃与未掺抗裂剂混凝土38 ℃的绝热温升相比略低。从水化历程角度分析,水化放热速率与其调控材料相关,通过改变材料掺量可以显著降低早期温升情况,从而减小由于放热过多导致混凝土开裂的风险。

4 结 论

a.从原材料品质控制、混凝土配合比设计角度出发,结合混凝土拌合物的水化热温升、物理力学性能及耐久性能试验,优化了超大体积C40混凝土配合比,有效解决了传统超大体积混凝土存在早期水化速率快、水化放热量大、后期收缩导致开裂等问题。混凝土具体配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶抗裂剂∶砂∶碎石∶水∶外加剂=234∶103∶41∶32∶754∶1 131∶148∶6.15。

2.与普通混凝土A2相比,抗裂剂掺入后其1～3 d混凝土的绝热温升分别降低了约40%、25%、20%,7 d绝热温升为37.8 ℃,30 d补偿收缩后混凝土仍有约150×10-6的膨胀变形量,抗裂等级达到L-Ⅴ级,28 d碳化深度2.7 mm,56 d氯离子扩散系数为2.85×10-12m2/s,56 d电通量为720 C,具有较好的抗裂性能和耐久性能。