基于风险系数的掺机制砂预拌混凝土抗裂性能研究

赵江涛

（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

在实际工程应用过程中，除了保证混凝土工作性及可施工性能外，硬化水泥基材料的耐久性能也是工程设计和质量控制的重要依据。裂缝是混凝土材料的质量通病，混凝土出现裂缝后为氯离子渗透提供传输路径，从而引发钢筋锈蚀等一系列耐久性问题，缩短工程结构服役寿命[1]。控制并减少混凝土裂缝是配制混凝土的难点[2-3]。混凝土裂缝包括塑性收缩裂缝、自收缩裂缝、干缩裂缝、温度收缩裂缝、沉降裂缝、冻胀裂缝、施工裂缝等。据统计，混凝土的裂缝有80%是由混凝土自身的收缩变形引起的。

另一方面，随着我国基础建设的发展，不少地区天然砂资源逐步减少，很多地方面临无砂可用的困境。机制砂指采用专门制砂设备将岩石破碎并筛分制成颗粒小于4.75 mm 的岩石颗粒，是一种有效的河砂替代品，在我国不少地区已得到了广泛应用[4]。相对于河砂，机制砂颗粒形貌差、粉体含量高，机制砂在预拌混凝土中的应用出现各种各样的问题，所以机制砂大体积混凝土施工水化热裂缝问题更甚。Li 和Ruan[5]的研究表明，机制砂混凝土的抗裂性能弱于河砂混凝土。对于机制砂高性能混凝土的收缩抗裂性能，特别是早期收缩抗裂性能的研究具有较大的意义。

本文采用研发的机制砂专用外加剂和抗裂功能材料，分别测试了C30 机制砂混凝土的收缩性能、28 d 弹性模量、28 d劈裂抗拉强度和绝热温升，并结合C30 混凝土长40 m、宽40 m、厚1 m 的大体积底板，依据GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》中附录B 对底板结构混凝土的开裂风险系数（抗裂安全系数的倒数）进行了计算，以改善机制砂混凝土的抗裂性能。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ42.5R 水泥，主要化学成分见表1，矿物组成见表2；粉煤灰：Ⅱ级，主要技术性能见表3；细集料：机制砂，细度模数2.94，含泥量6.13%；粗骨料：5～25 mm 连续级配碎石，含泥量0.5%，泥块含量0.2%；聚羧酸系高性能减水剂（PCE）：固含量10%，减水率30%；专用外加剂（MSA）：自制，固含量10%，由70%减水型聚羧酸高性能减水剂和30%保坍型聚羧酸高性能减水剂复配而成；抗裂功能材料（ACFM）：自制，粉末状，由55%轻烧氧化镁、20%改性淀粉衍生物和5%偶联剂制成。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的矿物组成 %

表3 粉煤灰的主要技术性能

1.2 试验配合比

试验配合比如表4 所示。

表4 混凝土的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

混凝土的收缩率：根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

混凝土的弹性模量和抗拉强度：根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

混凝土的绝热温升：利用MIT-686-0-01 型绝热温升测量设备监测水泥基材料的水化放热行为，混凝土体积为50 L，计算机以30 min 的间隔时间自动采集数据。

抗裂性能评价方法：根据GB 50496—2018 附录B，底板结构混凝土的开裂风险系数以长40 m、宽40 m、厚1 m 的大体积板为基础进行计算和评价。采用基于“水化温湿度约束”多场耦合效应的混凝土开裂风险评估方法[6]，以开裂风险系数η 为评估依据，见式（1）：

式中：σ（t）——t 时刻的混凝土最大拉应力，MPa；

ft（t）——t 时刻的最大抗拉强度，MPa。

一般认为：η>1.0 时混凝土会开裂；当0.7<η≤1.0 时，混凝土开裂的风险更大；当η≤0.7，混凝土不开裂，不开裂保证率为≥95%。

2 结果与分析

C30 机制砂混凝土的自体积变形、绝热温升、弹性模量和抗拉强度试验结果见表5 和图1。

表5 掺机制砂C30 混凝土的抗裂性能

图1 掺机制砂C30 基准与优化混凝土的绝热温升

由表5 可见，优化混凝土28 d 弹性模量从31.0 GPa 提高到34.6 GPa，28 d 抗拉强度从2.91 MPa 提高到4.23 MPa，分别提高了11.6%、45.4%；混凝土的3 d、28 d 自体积变形分别从98 με、188 με 降至65 με、142 με，分别降低了33.7%、24.5%；3 d 绝热温升从38.9 ℃降至38.4 ℃。

由图1 可见，采用优化措施后，虽然混凝土的绝热温升峰值未发生显著变化，但7 d 内的温度发展趋势有明显的缓和现象，说明优化措施在一定程度上减缓了内部早期水化放热集中，提高了混凝土在约束条件下的抗裂能力。

对于C30 混凝土，计算了长40 m、宽40 m、厚1 m 大体积底板的开裂风险。计算条件为夏季浇筑，浇筑温度为30 ℃，环境温度为28 ℃。约束条件是地板下的垫层，其它计算参数：墙、板混凝土密度为2400 kg/m3、线膨胀系数为1.0×10-5K-1、泊松比为0.167，比热为0.98 kJ/（kg·K）、导热系数为2.4 W/（m·K），模板对流换热系数为15.3 W/（m2·K）。

没有进行表面隔热措施的情况下，采用机制砂制备的基准及优化C30 混凝土1 m 厚底板绝热温升及抗裂风险系数测试及计算结果如图2 所示。

图2 混凝土底板温度历程及表面开裂风险系数

由图2 可见，对于基准混凝土，底板的中心开裂风险系数约为1.0，表面开裂风险系数约为0.7；对于优化混凝土，底板中心开裂风险系数为0.75，表面混凝土开裂风险系数为0.52。分析结果可知，为弥补机制砂在颗粒级配及形貌上的缺陷，采用专用化学功能外加剂可有效降低混凝土绝热温升，进而大幅提高混凝土的抗裂性能。

同时，基于有限元理论[7]，对基准和优化混凝土的早期温度场和应力场分布进行了有限元分析，结果如图3 所示。

图3 基准混凝土与优化混凝土的温度场及二维应力分布

由图3 可以看出，对于基准混凝土，3 d 龄期时水化放热率大，混凝土温升明显，最高温度主要集中在底板中心；从混凝土中心和表面结构的早期应力云图可以看出，浇筑后底板表面和中心会出现局部应力集中及拉应力增大现象，这将诱导混凝土裂缝的出现。而优化混凝土由于采用了专用外加剂和抗裂功能材料，表面和中心的局部温升和应力集中显著降低，进一步验证了混凝土抗裂性的提高。

3 结论

（1）针对机制砂的颗粒形貌与级配特点，研发的专用化学外加剂显著改善了机制砂混凝土的综合抗裂性能，与基准混凝土相比，优化后混凝土的28 d 弹性模量、28 d 抗拉强度分别提高了11.6%和45.4%；3 d、28 d 自生体积变形分别减小了33.7%、24.5%。混凝土底板中心开裂风险系数由于1.00 降为0.75，表面开裂风险系数由0.70 降为0.52。

（2）基于工程实际，采用基于有限元分析开裂风险系数计算方法，可为混凝土材料及结构的抗裂评价提供重要的参考。