环境对混凝土冷缝力学性能影响的试验研究

铁新纳　李立青　袁群　李宗坤

摘要：为系统研究冷缝对混凝土结构力学性能的影响，针对气温、浇筑时间间隔等因素，以带冷缝面的混凝土试件为研究对象，进行抗折、劈裂、抗渗、抗冻性能的试验研究。结果表明，冷缝的存在显著降低了混凝土的抗折和劈拉强度；浇筑时间间隔相同时秋季冷缝面的抗折、劈拉强度最高，夏季次之，冬季最低；混凝土冷缝面的抗折和劈拉强度及抗渗、抗冻性能总体上均随浇筑时间间隔的增加呈减弱趋势，不同的是抗折和劈拉强度在混凝土初凝时间与终凝时间之间存在最劣点。

关键词：混凝土冷缝；力学性能；最劣点；浇筑时间间隔；养护条件

混凝土浇筑特别是大体积水工混凝土浇筑过程中，时常因意外停电、机械设备损坏等而浇筑中断，若中断时间超过混凝土的初凝时问且浇筑面没有适当处理，则将在两期混凝土之问形成厚度很薄的冷缝面。已有资料表明，一般情况下冷缝面处混凝土的黏结强度较低，对结构的劈裂、抗渗、抗折等性能损害严重，是影响结构安全的病害面。目前已有学者针对冷缝病害状况进行相应的结构补强加固研究。酷暑期混凝土浇筑过程中冷缝面处强度降低显著的试验结果表明，温度对混凝土冷缝面的力学性能产生了一定的影响。考虑到我国地域广阔，南北方温度差异明显，气候条件同样会对混凝土冷缝面的力学性能产生影响。为此，本文综合考虑混凝土浇筑时间间隔、浇筑温度等影响因素，通过抗折、劈裂、抗冻、抗渗试验研究冷缝面对混凝土结构力学性能的影响，以期为带冷缝混凝土结构可靠性的评估及补强加固提供技术支持。

1试验原材料及试验方法

1.1试验原材料

（1）水泥。选用P·0 32.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能指标符合国家标准规范要求。

（2）集料。粗集料为粒径4.75-31.50 mm的石灰石质碎石；细集料为普通河砂，属Ⅱ区中砂。粗、细集料直接取自工地，其各项物理性能指标满足混凝土配制要求。

（3）水。水为生活用自来水，不含对混凝土性能有负面影响的有害成分。

（4）混凝土配合比设计。混凝土采用普遍应用的C25混凝土，其配合比为水泥：水：砂：石=1.00：0.49：2.06：3.14。

1.2试验方法

参照《水工混凝土试验规程》进行试件的制作和力学性能测试。试验地点在河南省郑州市，分夏、秋、冬三个时段进行，夏季在7月中下旬、秋季在10月中下旬、冬季在12月中下旬。试件浇筑时各季节的平均气温分别为33.2、18.6、-2.5℃。养护方式为自然养护，分别于夏季、秋季、冬季测试混凝土的初凝时间与终凝时间。测试结果表明，3种环境下混凝土的初凝时间相差不超过15 min，终凝时间相差不显著。为便于后期的数据处理，混凝土试件制作过程中均取混凝土的初凝时间为3 h，终凝时间为6 h。为系统研究浇筑时间间隔对混凝土冷缝面力学性能的影响，选取先后两期混凝土浇筑时间间隔分别为1.5、3.0、4.5、6.0、24.0 h。先浇筑试件的第1部分，振捣密实，不涂刷任何界面剂，达到指定的时间问隔后再浇筑第2部分混凝土；同时浇筑一组整体试件作为参照样。此外，预留一组尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，以测定混凝土的实际抗压强度。试件浇筑完毕立即运往室外，24 h后拆模，洒水养护7 d，然后自然养护至28 d后进行试验。

抗折、抗冻试件的尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm：劈裂抗拉强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；抗渗试件为复合圆台体，上底直径为175mm、下底直径为185 mm、高为150 mm。

2试验结果及分析

2.1混凝土冷缝面的抗折强度

抗折试件制备时将冷缝设在中间，试验采用两点对称加载方式（见图1）。

图2为浇筑时间间隔与混凝土冷缝面抗折强度与28d抗压强度比值的关系曲线。由图2可知，混凝土冷缝面的抗折强度受浇筑时季节气温、浇筑时间间隔影响很大。

（1）夏季、秋季、冬季未设冷缝的参照试件28 d抗折强度分别为4.17、3.45、2.06 MPa，夏季浇筑的混凝土28 d抗折强度最高，表明气温高的夏季混凝土强度发展快，冬季气温较低时强度发展变缓。这与混凝土的凝结硬化速度受温度影响一致，温度越高，强度发展越快。

（2）浇筑时间间隔相同时基本上是秋季混凝土冷缝面抗折强度与抗压强度的比值最高，夏季次之，冬季最低。超过终凝时间后形成冷缝试件的抗折强度与抗压强度的比值随混凝土浇筑时间间隔的变化不大，影响趋于稳定：时间间隔超过1 d后，可按新老混凝土黏结面对待。这与文献的结论基本一致：两期混凝土的浇筑时间间隔超过一定时间后，间隔时间的长短对黏结强度的影响不太显著。

（3）随浇筑时间间隔递增，夏季、秋季混凝土冷缝面抗折强度与抗压强度的比值整体呈现先降低而后稍有增高的趋势。该现象说明存在最劣点，即在该时间间隔点浇筑后期混凝土时抗折强度下降率达到最大值，在该时间间隔点最不宜浇筑新混凝土。本试验中该间隔点位于混凝土的初凝和终凝之间。原因分析如下：先浇混凝土初凝后其结构内部已形成了初期的C-S-H凝胶和钙矾石等网状骨架结构，后期混凝土浇筑时的振捣会在一定程度上破坏先浇混凝土形成的强度骨架结构，致使两期混凝土接触面处的黏结强度大幅降低，从而影响到试件的抗折强度。冬季混凝土冷缝面抗折强度与抗压强度的比值随浇筑时间间隔的增加变化不显著。

2.2混凝土冷缝面的劈裂抗拉强度

劈裂试件制备时，冷缝面设置在试件中部且呈水平方向，浇筑及加载示意见图3。

图4为浇筑时间间隔与混凝土冷缝面劈裂强度与28 d抗压强度比值的关系曲线。由图4可知，浇筑时间间隔相同时，混凝土冷缝面的劈裂强度与抗压强度比值的发展趋势和抗折强度与抗压强度比值的趋势相近，秋季最高，夏季稍低，冬季最低。从降低率来看，夏季冷缝面比值的最大降低率为61.0%；秋季冷缝面受浇筑时间间隔的影响相对较小，最大降低率为38.1%；冬季冷缝面的最大降低率为33.0%。冬季两期混凝土黏结面的劈裂强度与抗折强度发展趋势较为相似，在研究范围内未出现明显最劣点。原因在于，冬季低温下室外混凝土初凝时问稍有延缓，浇筑时间间隔较短时先浇混凝土形成的强度骨架结构较弱，与后浇混凝土的水化进程相差不显著，故而黏结面强度下降不明显：浇筑时间间隔较长时两期混凝土水化进程相差较大，致使冷缝面强度下降显著，然而先浇混凝土长时间置于寒冷空气中已被冻实，后期混凝土浇筑过程的振捣对先浇混凝土形成强度骨架结构的影响不明显，故而未出现明显最劣点。

2.3混凝土冷缝面的抗冻性

抗冻试件的制作与抗折试件相同。养护至28 d，按《水工混凝土试验规程》中速冻法在混凝土自动快速冻融设备上试验。因混凝土未掺加外加剂，抗冻性能总体较差，经10次冻融循环后试件表面剥落严重，自振频率很不稳定，且时常有试件从冷缝面处断开，故而采用试件的质量损失率超过5%，或从冷缝面处断开时的循环次数作为判断试件破坏的依据。试验结果见图5、图6。由图5可知，浇筑时间间隔分别为0、1.5、3.0、4.5、6.0 h時每组试件抗冻融循环次数的平均值分别为30.0、23.3、25.0、21.7、21.7。混凝土冷缝面的抗冻性比参照混凝土差，且随着浇筑时间间隔的增加，带有冷缝面混凝土试件的抗冻性能逐渐降低，试件的破坏形式不再以质量损失率作为衡量标准，转而由混凝土在冷缝面处被冻断的循环次数控制。由此可见，冷缝的存在显著降低了试件的抗冻性能。

图6为夏季、秋季、冬季混凝土冷缝面抗冻性能与浇筑时间间隔的关系。由图6可知，季节（温度）对各阶段冷缝面的抗冻性能影响显著，混凝土浇筑时间间隔相同时秋季冷缝面的抗冻性能最好，夏季次之，冬季最差。随着混凝土浇筑时间间隔的增加，各季节带冷缝试件的抗冻性能整体呈下降趋势。