耐久性混凝土收缩因素研究

■ 畅亚文 刘广利 许开萍

1 概述

武广高速铁路建设中大量采用耐久性混凝土技术，其中混凝土结构物种类、数量大部分都是大体积结构。在施工中防止混凝土发生收缩，避免形成裂缝，导致混凝土开裂从而严重影响混凝土结构物耐久性尤为重要。

武广高速铁路使用的混凝土配合比设计具有以下特点：（1）由于混凝土耐久性的需要，对原材料的品质要求在现行行业标准基础上有所提高。（2）增加了抗裂性对比试验。要求进行配合比间的抗裂性能对比试验，以选择在标准条件下抗裂性能相对较好的配合比用于施工。（3）增加了在各种环境作用下耐久性的要求，混凝土配合比设计周期经常要比以往长1～2个月。

在保证混凝土质量的前提下，混凝土配制时鼓励采用较少的水泥用量、掺用较多的掺和料、采用较低的水胶比。《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》和《客运专线耐久性混凝土暂行技术条件》等对此做出要求：（1）C30及以下混凝土的胶凝材料总量高于400 kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3；（2）为提高混凝土的耐久性，改善施工性能和抗裂性能，混凝土中宜适量掺加优质粉煤灰、矿渣粉或硅灰等矿物掺和料，不同矿物掺和料的掺和数量应根据混凝土性能通过试验确定。

2 影响混凝土收缩因素试验研究

混凝土收缩一般采用线形试件测量全部长度内的平均变形值。为探讨混凝土收缩的影响因素，按照GBJ 82—1985规定的混凝土干燥收缩标准方法，设计了不同细骨料细度模数、不同砂率、不同粉煤灰掺量的混凝土对比试验，从中找出影响混凝土收缩的因素，以有效指导实际施工。

2.1 细度模数的影响

不同细骨料细度模数混凝土配合比见表1。对比试验配合比相同，其中细骨料细度模数：ss-1为2.8，ss-2为3.3，ss-3为2.3，其他原材料相同。

不同细度模数对应收缩值见表2。

试验数据可见，如果细骨料细度模数增加，混凝土收缩量则减小。细度模数为2.8的混凝土比细度模数为3.3的混凝土120 d的收缩量增加了4%，细度模数为2.3的混凝土相对另外2种混凝土120 d的收缩量增幅较大（比细度模数为2.8的混凝土增加了11.9%，比细度模数为3.3的混凝土增加了16.5%）。

表1 不同细度模数混凝土配合比 kg

表2 不同细度模数的混凝土收缩值 0.01 mm

理论上讲，混凝土收缩主要是水泥石的收缩，骨料对水泥石的收缩起内约束作用。混凝土各种原材料之间相互形成最密实的形态时，混凝土的施工性能、强度及收缩性能方可达到最佳。通常混凝土配合比具有骨料的总空隙填充系数大于100%、砂浆体积大于石子空隙含量的基本特点。当混凝土各组成材料用量不变，连续改变砂的细度模数时，实际上已造成混凝土骨料堆砌体空隙率和比表面积的连续变化，胶凝材料浆体体积不足以填充骨料空隙，混凝土不能完全密实，宏观表现为细度模数越小，混凝土收缩越大。

2.2 砂率的影响

不同砂率的混凝土配合比见表3。ss-8的砂率为0.37，ss-1的砂率为0.42，ss-9的砂率为0.47。砂的细度模数确定为2.8，其他原材料相同。

不同砂率所对应的混凝土收缩值见表4。从试验数值可见，混凝土的收缩随砂率的增大而增大。ss-9的120 d收缩值最大，比ss-1增加了5.0%，比ss-8增加了11.6%，而ss-1比ss-8的120 d收缩值也增加了6.3%。

水泥石和集料的界面并不是一个“面”，而是一个有一定厚度的“过渡层”，其厚度为0～10μm。“过渡层”是水泥浆体中的水向集料表面迁移方向形成水灰比的梯度而产生的。从集料表面向水泥石体系，水灰比逐渐减小，直至达到水泥石本体水灰比。其他条件相同时，单个集料和浆体界面过渡层厚度随集料表面积的大小而变化，粒径小的集料过渡层厚度小。按照中心质假说，各级中心质和介质之间都存在过渡层，中心质以外所存在的组成、结构和性能的变异范围都属于过渡层。混凝土的集料属于大中心质，大中心质对周围介质所产生的吸附、化合、机械咬合、黏结、稠化、强化、晶核作用、晶体取向、晶体连生等一切物理、化学、物理化学效应均称为大中心质效应，效应所能达到的范围称为“效应圈”，“过渡层”是“效应圈”的一部分。有利的中心质效应不仅可改善“过渡层”的大小和结构，而且能使“效应圈”中的大介质在不同程度上具有大中心质的某些性能；增加有利效应，减少不利效应，对改善混凝土的宏观行为发挥重要作用。

集料用量一定情况下，砂率较小时，粗集料含量较大，由于集料表面积较大而使“过渡层”变厚，虽然较厚的“过渡层”存在较多的薄弱环节，但其破坏作用由于较大中心质的有利效应而得到抑制，宏观上表现为混凝土收缩裂缝相对较小。随着砂率的增大，粗集料减少，粗集料的抑制作用减弱，表现为所测的塑性收缩裂缝面积有增大趋势。

2.3 粉煤灰掺量的影响

不同粉煤灰掺量混凝土配合比见表5。总的胶凝材料不变，ss-1、ss-10、ss-11和ss-12的粉煤灰掺量分别为0、10%、20%和30%，其他原材料相同。

不同粉煤灰掺量所对应的混凝土收缩值见表6。从试验结果可以看出，混凝土中掺加粉煤灰对混凝土的收缩起到抑制作用，抑制效果随粉煤灰掺量的增加而增加。粉煤灰掺量为10%时，混凝土收缩值比基准混凝土收缩减小5.0%，粉煤灰掺量达到20%时，收缩量减小14.9%，抑制效果比较明显。同时也发现粉煤灰掺量达30%时，相对20%掺量的收缩量减小不很明显。

粉煤灰水化也是一个放热反应，但其单位放热量明显低于水泥，因此掺粉煤灰的混凝土水化热明显低于不掺的混凝土，即降低了混凝土内的温度梯度，减小了混凝土收缩的驱动力，从而降低了收缩值。另外，毛细孔孔径越小，浆体内部相对湿度越低，毛细管负压就越大，引起的自收缩就越大。由于粉煤灰具有微集料效应，即粉煤灰细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的进展，这些细微颗粒及其水化产物填充水泥孔隙，改善了混凝土的孔结构，从而降低了混凝土的收缩值。

表3 不同砂率混凝土配合比 kg

表4 不同砂率的混凝土收缩值 0.01 mm

表5 不同粉煤灰掺量混凝土配合比 kg

3 C50梁体混凝土收缩试验研究

武广高速铁路XXTJⅡ标桥梁梁体设计绝大部分都是混凝土标号C50、跨度达30余m、自重达900 t以上的简支箱梁。一片C50箱形梁混凝土用量达300余m2，断面最小尺寸达3 m，属于典型的大体积耐久性混凝土，是高速铁路桥梁的关键构件，其耐久性直接关系到桥梁的使用寿命。为保证箱形梁施工阶段不出现裂缝，对箱形梁的C50混凝土收缩现象进行检测和分析。

4种不同配合比（见表7）的C50耐久性混凝土收缩值见表8。测试结果表明：几种掺加高效减水剂和活性矿物掺和料的混凝土的收缩量变化范围不大，在0.14%～0.16%。在减小骨料最大粒径、掺加活性矿物掺和料替代水泥、掺加高效减水剂降低单位用水量等有利因素的共同作用下，防止混凝土收缩的效果较好，值得在工程中推广使用。

同时，试验结果也反应了高标号、大体积混凝土收缩的某些规律。假定120 d收缩值为混凝土的全部收缩量，各时间段混凝土收缩的百分比见图1。可见，4种混凝土第1天的收缩量都很大，超过全部收缩量的50%，值得注意。

混凝土内部结构组分分子间的距离，随温度变化产生体积收缩而引起裂缝。混凝土中水泥和水发生水化反应时放出水化热，在绝热状态下，每100 kg水泥水化放出的水化热可使混凝土升温10～12 ℃。在水灰比较低情况下，混凝土中水泥水化放出的热量较多，混凝土温度会升得更高，再加上骨料的初始温度，可使混凝土内部的最高温度达到70～80 ℃，水化进行得更快，混凝土很快失去可塑性。而混凝土又是热的不良导体，在硬化初期，混凝土内部因温度很高而体积膨胀，外部随气温降低而收缩。本试验C50混凝土虽然使用部分活性矿物料代替水泥，但低于0.35的水胶比依然使单位体积混凝土中水泥用量显得偏高，而水泥用量越大，在混凝土凝结硬化中水泥水化放出的热量越多，温升就越快，混凝土内外温度越悬殊，表面越容易出现收缩，因此，高强耐久性混凝土在施工后的1～3 d内收缩现象较明显。

试验结果表明：掺入活性矿物掺和料可大幅降低耐久性混凝土的自收缩。掺量不超过20%时，其降低值随掺量的增大而增大；掺量超过20%时，降低作用并不明显。4组混凝土配合比活性矿物掺和料掺量在35%以上，从试验数据看，几组混凝土收缩总量确实没有太大差别。值得注意的是，ss-5配合比水泥用量最小，其1 d收缩量比其他几组低10%以上；ss-4的水泥用量最大，其1 d收缩量比ss-5大16%，比ss-6和ss-7大10%。活性矿物掺和料在水泥浆体系中的水化非常缓慢。在相同水胶比条件下，用粉煤灰替代部分水泥相当于增大早期有效水灰比。因此粉煤灰可降低混凝土内部的早期自干燥速度，显著降低早期自收缩。而且由于减少了水泥用量，也在相当大程度上降低了混凝土的水化热，减小了温度收缩。后期粉煤灰的继续水化使水泥石内部自干燥程度提高，但此时混凝土已有较高的弹性模量和很低的自徐变系数，在相同自干燥程度下，产生的自收缩同早期相比要小得多。因此，大掺量活性矿物掺和料代替部分水泥用量，降低早期水化热，对于降低混凝土早期收缩也有较大贡献。

表6 不同粉煤灰掺量的混凝土收缩值 0.01 mm

表7 4种C50混凝土配合比 kg

表8 4种C50混凝土收缩值 0.01 mm

4 结论

通过一系列试验分析和实际施工效果观察，总结出减小混凝土收缩、提高混凝土耐久性的规律：

（1）混凝土配合比设计时，在满足相关技术要求的同时，细骨料尽量选择级配良好、质量优良、平均粒径较大的中粗砂，从而降低混凝土的干缩，对混凝土的收缩控制具有重要作用。

（2）混凝土砂率对混凝土的收缩有着重要影响。配合比设计时，在满足混凝土工作性能的情况下，尽量选择较低的砂率。

（3）混凝土配合比中掺加粉煤灰等活性矿物掺和料以替代水泥用量，可有效降低混凝土收缩。且粉煤灰的大量掺加可显著降低混凝土的早期水化放热，从而缓解水化热对混凝土的不利影响。

另外，在大量的施工实践中，总结出比较有效的抵抗混凝土收缩变形的方法：

（1）在混凝土尤其是大体积混凝土关键部位增设加强钢筋或钢筋网。在温度收缩应力较大的现浇板中，表面布置双向温度收缩钢筋等。某些构造物伸缩缝的间距虽然符合规范要求，但由于施工周期长，又是暴露在大气中的露天结构，故在结构中断面薄弱处、应力集中处宜采取加强措施，实践证明在混凝土结构物关键部位增设加强钢筋或钢筋网可有效减少混凝土体积收缩，防止裂缝产生。

（2）尽量缩短混凝土浇筑与开始养护时间。初凝后立即养护可有效抑制耐久性混凝土的早期自收缩。为减小混凝土构件的内外温差，混凝土浇筑后及时（从初凝开始）水养护或密封养护（即在混凝土浇筑后覆盖塑料薄膜，待混凝土初凝后拆开塑料薄膜，用木抹子搓表面两遍后，在表面喷涂养护剂，再覆盖塑料薄膜和保温材料，待终凝后再洒水养护），以控制混凝土的降温速度。养护时应根据混凝土种类、环境温度、湿度等确定养护时间。水灰比低的应及时给予补水养护，但养护时间可以短一些；水灰比很大时，自由水分多，养护可待初凝后开始，但养护时间要长一些；在相对湿度较大的潮湿地区，湿养的影响不大，但养护时间要长，才能使其渗透性稳定；掺用矿物掺和料的混凝土，由于掺和料的二次水化反应进行较慢，故养护时间要长一些。

总之，为了防止混凝土收缩，提高混凝土的耐久性，混凝土施工中，应从原料选择、配合比设计、施工及养护等方面加强管理，严格操作规程，控制混凝土收缩，确保混凝土质量。

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