水胶比对混凝土塑性收缩开裂性能的影响

任增洲

（重庆建设工程质量监督检测中心有限公司，重庆 400065）

0 引言

随着预拌混凝土在全国建筑行业的使用普及的同时也带来了一些问题，那就是混凝土的早期塑性收缩开裂问题越来越突出。据调查研究，高流态混凝土出现裂缝的时间大部分在开始几天内，有的甚至不到一天就有明显的裂缝［1］。影响混凝土拌合物早期塑性收缩开裂主要有混凝土配合比设计、生产工艺和浇筑方式以及养护条件等因素。加强混凝土早期塑性收缩开裂的研究对预防混凝土开裂具有显著实际意义。

本文通过测定混凝土水分蒸发速率、泌水速率、混凝土裂缝及收缩等数据研究分析了水胶比对强度等级为 C30～C50 的大流动性混凝土塑性收缩及其开裂性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验方法

根据 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准》中第 9 章规定，混凝土的早期抗裂性能试验采用集中约束平板法。试验的环境条件要求如下：试件表面中心风速不低于 5 m/s，试验温度 20±2 ℃，相对湿度 60±5 %。为了便于比较各组的试验数据，各组试验始终在上述试验环境条件下进行。塑性收缩性能试验是采用在 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准》中第 8 章中非接触法试验，采用激光测距仪，该设备可以自动采集和处理数据。该试验的环境条件要求为温度 20±2 ℃，湿度 60±5 %。

1.2 试验材料

1）水泥。42.5R 普通硅酸盐水泥，初凝时间 1 h 48 min，终凝时间 2 h 53 min，3 d 抗折和抗压强度分别为 5.1 MPa 和 29.1 MPa，28 d 抗折和抗压强度分别为 8.7 MPa 和 55.1 MPa。

2）粉煤灰。Ⅱ级灰，密度为 2 330 kg/m3，比表面积为 260 m2/kg。

3）矿渣。高炉矿粉，密度为 2 900 kg/m3，比表面积为 490 m2/kg。

4）细集料。渠河砂，细度模数为 1.10；机制砂，细度模数为 3.60，两种砂按一定比例复配混合使用。

5）粗集料。碎石，5～10 mm 和 10～20 mm 两个粒级按一定比例复配使用，压碎指标为 10.1 %，表观密度为 2.64～2.70 g/cm3。

6）高效减水剂。萘系高效减水剂，减水率约为 21 %。

2 试验结果及分析

水胶比对混凝土塑性状态有显著的影响。不同水胶比的混凝土拌合物毛细管压力的大小和发展情况、拌合物的泌水速率、早期溶解、水化和塑性沉降等也可能不同，因此不同水胶比条件下的混凝土拌合物的塑性收缩及其开裂状况可能存在显著的差别。William Lerch 直接提出最多裂缝的临界塑性状态是在水灰比为 0.52 时，低于或高于这个水灰比都不易出现塑性收缩裂缝［2］。表 1 和 表 2 分别为不同水胶比试验用混凝土配合比及其试验结果。

表1 试验用混凝土配合比

由表2可知，保持混凝土坍落度基本在180～220 mm，水胶比为 0.43 的混凝土的裂缝宽度和裂缝面积都比水胶比分别为 0.35 和 0.54 的小，这与国外一些专家研究得出的结论是相符的。如 Salah A.Altoubathe 和 David A.Lange 研 究发现，塑性砂浆（水灰比为 0.6）不易出现裂缝，而半塑性和湿砂浆（水灰比分别为 0.5 和 0.7）却严重出现裂缝［3，4］。同样，本试验得出混凝土在某一水胶比处不易出现塑性收缩裂缝，高于或者低于这个值，其塑性收缩裂缝面积都有增大的趋势。

表2 混凝土基本性能及其开裂试验结果

为了更好地研究分析水胶比对混凝土塑性收缩及其裂缝的影响机理，对其进行了水分蒸发速率、泌水速率及塑性收缩的测定（见图 1）。

图1 不同水胶比基准混凝土水分蒸发速率和泌水速率随时间变化的曲线图

由图 1 可知，水分蒸发速率和泌水速率随着时间都逐渐减小，但 5 h 的水分蒸发速率减小的趋势比较平缓，泌水速率减小的趋势较大，并且泌水在 4 h 后基本停止。水胶比为 0.43 的混凝土的水分蒸发速率与泌水速率差值远比水胶比为 0.54 的混凝土的小（水胶比为 0.43 和 0.54 的混凝土的 4 h 的总量差值分别为 1 462 g/m2、1 600 g/m2）；同样，水胶比为 0.43 的混凝土的水分蒸发速率与泌水速率差值比水胶比为 0.35 的混凝土小，其裂缝面积也小。这样得出，混凝土的塑性收缩裂缝与混凝土水分蒸发速率和泌水速率之差有很大关系，即水分蒸发速率与泌水速率之差越小，混凝土塑性收缩裂缝越小；反之，越大。因此，想要防止或减少混凝土塑性收缩开裂就要严格控制降低水分增发速率与泌水速率之差。混凝土泌水速率是由混凝土内部空隙决定的，现目前很难调节控制其泌水速率，只能通过调整环境及养护措施控制水分蒸发的速率来达到改善混凝土塑性收缩裂缝的目的。

本试验对 3 个不同水胶比的混凝土进行了塑性收缩的测定，具体如图 2 所示。

图2 不同水胶比的混凝土收缩值随时间变化的曲线图

由图 2 可知，3 个不同水胶比的混凝土拌合物前 2 h 的收缩值都很小，随着时间的推移，收缩值逐渐变大，基本都在 3～5 h 范围内达到了最大值，因此要想控制混凝土的塑性收缩，必须在前 3 h 之内采取必要的措施才能改善混凝土的塑性收缩。同时从图 2 中可以看出，水胶比为 0.43 的混凝土的塑性收缩值比水胶比分别为 0.35 和 0.54 的混凝土都要小。由此可知，水胶比对塑性收缩的影响及早期塑性开裂的影响趋势是一致的，即混凝土在某一水胶比处塑性收缩较小，高于或者低于这个值，其塑性收缩值都有增大的趋势。

水胶比对混凝土塑性收缩及其早期塑性开裂性能的影响的机理具体分析如下：当水胶比在较低情况下时，混凝土拌合物没有足够的水向混凝土表面迁移，使得混凝土的蒸发速率很快超过泌水速率，毛细管压力发展较快；同时粒子间的平均距离较小，体系中收缩力急剧增大，从而较早地达到混凝土的临界压力。对尚处于塑性阶段的混凝土来说，较早地达到临界压力，而混凝土还没有形成一定的抗拉强度来抵抗塑性开裂能力，混凝土很容易开裂；相反，当水胶比较大时，混凝土拌和物体中的自由水分较多，水分蒸发速率较快，当水分蒸发速率超过泌水速率时极易引起混凝土塑性收缩开裂；更为重要的是随着水胶比的增大，混凝土流动性增大，黏聚性降低，粗集料易沉降导致混凝土塑性沉降变大，混凝土的塑性沉降开裂风险增大，混凝土早期塑性开裂以塑性沉降开裂为主。

3 结论

1）对于大流动性混凝土（混凝土坍落度保持在180～220 mm），本实验得出水胶比为 0.53 和 0.35 的混凝土裂缝面积都比水胶比 0.43 的大，即混凝土在某一水胶比处不宜出现塑性收缩裂缝，高于或者低于这个值，其塑性收缩及其开裂性能都有增大的趋势。

2）混凝土的塑性收缩及其早期塑性开裂与混凝土的水分蒸发速率和泌水速率之间的差值的变化规律是一致的，要想改善混凝土的塑性收缩及其开裂必须控制水分蒸发速率即采取必要的环境控制和养护措施并且要在前 3 h 才能达到最理想的效果。Q