基于降低C30混凝土塑性开裂风险的配合比调整试验研究*

时间：2024-09-30

彭丙杰，和德亮，罗小东，吴涛，胡顺忠，杨勇

（1. 成都建工赛利混凝土有限公司，四川成都 610015；2. 成都军区善后工作办公室，四川成都 610000）

0 前言

混凝土是一种准脆性材料，一般抗拉强度低、极限抗拉应变小，并且普通混凝土具有应变软化的特性[1]。尤其是在终凝前，混凝土几乎没有强度，极易开裂。混凝土开裂后，裂缝宽度迅速加大，很快达到宏观可见的水平，通常裂缝宽度大于 0.02mm。依据裂缝成因，可将裂缝分为两大类，一类是荷载裂缝，一类是非荷载裂缝。大量工程统计数据表明，混凝土裂缝中，荷载裂缝所占比例仅为 20%，而非荷载裂缝比例却高达 80%[2]。非荷载裂缝包括收缩裂缝、温度裂缝等，此类裂缝出现的时间，存在典型的早龄期化，尤其是房建结构中的水平构件及大面积薄板结构等，其早期塑性阶段的失水收缩开裂，基本出现在 24h 内，且较为普遍。同时，随着大面积水平结构连续施工的推广，塑性开裂问题也越来越引起人们的重视。

对于塑性开裂的机理，学者们的观点不一，试验方法也不尽相同[3-6]，其中 Wittmann 的毛细管压力理论[3]得到了学术界的普遍支持。他认为新拌混凝土表面逐步变干，使得固体颗粒之间的水与空气界面形成毛细管弯液面，产生毛细管负压，由于表面张力的作用，被毛细管水隔开的颗粒之间相互吸引产生应力[7]，当此力值超过混凝土的极限抗拉强度时，即产生开裂。目前，针对此类塑性开裂采取的措施包括表面保湿养护、添加膨胀剂、添加减缩剂、添加纤维等。除保湿养护外，其他措施仅在一些特殊工程部位应用，还未大面积推广，究其原因，主要是控制技术有一定的难度。如膨胀剂的添加，需要进行膨胀率的计算，但工程条件发生变化，以及施工过程发生变化，膨胀率的计算也就只能作为参考。因此，如何通过传统混凝土配合比调整和原材料调整，从而降低开裂风险，变得非常具有研究价值。

本文即通过研究骨料紧密堆积，降低骨料空隙率，从而降低浆体用量，以改善混凝土的抗裂性能。混凝土中骨料用量的增多，会起到限制浆体位移的作用。通过降低胶浆用量来减少水泥的用量，以降低混凝土的整体水化热，减小混凝土拌和物中自由水的损失速率，从而提高塑性抗裂性能。鉴于此，笔者通过连续级配粗骨料、两级配骨料进行试配，达到紧密堆积，保持水胶比不变，降低水泥用量等措施，研究骨料紧密堆积状态下，混凝土拌和物塑性开裂性能的变化，确定既有配合比的调整方向和塑性失水开裂的高风险期。

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

（1）水泥：试验采用四川亚东水泥厂有限公司P·O42.5R 水泥，具体性能见表 1。

表1 水泥物理指标

（2）粗骨料：选用 5～31.5mm 连续级配碎石，以及 5～16mm 和 16～31.5mm 两级配碎石以 1∶1 比例混合，产于周边，具体性能见表 2。

表2 碎石物理指标

（3）细骨料：采用两种砂，产于成都周边，具体性能见表 3。

表3 砂物理指标

（4）掺合料：矿粉选用四川双实建筑有限公司生产的 S75 级，粉煤灰选用济鹏公司生产的Ⅰ级粉煤灰，具体性能见表 4。

表4 掺合料物理指标

（5）减水剂：采用石家庄长安育才有限公司生产高性能聚羧酸减水剂，固含量 16.6%，减水率 27.9%。

1.2 试验方法

通过测试粗、细骨料空隙率，测得空隙率最小的搭配比例，同时，保持水胶比不变，容重不变，降低胶材用量。在满足工作性和强度要求的前提下，依据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的试验方法，测试混凝土平板开裂风险。

每条裂缝的平均开裂面积：

单位面积的裂缝数目：b=N/A

单位面积上总开裂面积：c=a·b

其中：

Wi——第 i 条裂缝的最大宽度，mm，精确到 0.01；

Li——第 i 条裂缝的长度，mm，精确到 1；

N——裂缝条数，条；

A——平板面积，mm2，精确到 0.01；

a——每条裂缝的平均开裂面积，mm2/条，精确到1；

b——单位面积的裂缝条数，条/mm2，精确到 0.1；

c——单位面积上总开裂面积，mm2/m2，精确到 1。

混凝土早期塑性开裂风险等级，参照 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》进行。同时，观测平板混凝土的水分蒸发速率，以及第一条裂缝出现的时间，以评价裂缝出现的风险期。

2 试验结果与分析

2.1 试验配合比的选定

平板试验，结构尺寸较小，为 800mm×600mm×100mm，混凝土沉降和温度应力可忽略不计。本文针对混凝土塑性阶段失水收缩的影响因素，进行配合比调整。通过采用二级配碎石，降低碎石空隙率，增加骨料用量，减少胶浆用量，达到利用骨料来限制浆体失水收缩的目的。

依据前文措施，通过 36 组试验，不断进行配合比的微量调整，优选出 4 组配合比，见表 5，其工作性和强度均较优，见表 6、表 7 和图 1、图 2。

表5 C30 混凝土配合比

由表 6、表 7 和图 1、图 2 及可见，通过降低砂率，增加骨料用量，降低骨料空隙率，可以实现保持水胶比不变，降低胶材用量的目的，同时，保持坍落度、扩展度和强度与基准相当。混凝土拌和物倒提流速随着胶浆量的减少而变慢，DM4 流速最慢，达到 8.99s，但满足施工要求。DM3 中水泥用量最少，倒提流速为5.63s，满足泵送施工，并且对提高拌和物塑性抗裂性较为有利。因此，选择采用连续级配碎石的 DM1 为基准组，选择采用二级配碎石的 DM3 为对比试验组（空隙率降低 7.4%，胶材降低 26kg）进行平板开裂试验。

图2 标准养护混凝土抗压强度

表7 标准养护混凝土抗压强度 MPa

图1 C30 混凝土拌和物性能

表6 C30 混凝土拌和物性能

2.2 混凝土初始流态对 DM1 和 DM3 平板开裂试验的影响

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能》规定进行混凝土平板试验，试验温度为10～22℃，相对湿度为 55%～65%，风速 5m/s，观测水分蒸发速率和裂纹发展情况。通过调整两组配合比的扩展度，验证不同流态下，DM1 和 DM3 抗裂性能的优劣。

2.2.1 低流态 DM1 和高流态 DM3 的平板开裂性能

通过降低外加剂 0.1% 的掺量，将 DM1 扩展度调整到 500mm，提高外加剂掺量 0.1%，将 DM3 扩展度调整度 600mm，两组混凝土均未泌水，其裂缝发展及失水速率见表 8、表 9 和图 3。

由表 8、表 9 和图 3 可见，两组配合比混凝土拌合物自加水开始计时，均在第 4 个小时出现第一条裂缝，在第 4 小时和第 7 小时之间，裂缝快速发展。在第 9 小时后，裂缝趋于稳定。失水速率亦有同样的规律，由于 DM3 初始流态较大，其表面自由水较多，造成早期失水速率较快。同时，裂缝条数与裂缝面积均是 DM1大于 DM3。裂纹扩展在第 9 个小时基本终止，此时，混凝土达到终凝，最终裂纹面积分别为 1257mm2和658mm2，DM1 裂纹面积几乎是 DM3 的 2 倍。

图3 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累计失水量 1

表8 裂缝和开裂面积 1

表9 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累计失水量 1 m2/kg

2.2.2 高流态 DM1 和低流态 DM3 的平板开裂性能

通过外加剂调整，提高 0.1% 掺量，将 DM1 扩展度调整到 600mm，降低 0.1% 掺量，将 DM3 扩展度调整度 500mm，两组混凝土均未泌水，其裂缝发展及失水速率见表 10、表 11 和图 4。

表10 裂缝和开裂面积 2

由表 10、表 11 和图 4 可见，DM1 在第 4h 出现第一条裂缝，DM3 在第 3.5h 出现第一条裂缝，两组配合比混凝土拌合物均在第 4～7h 裂缝快速发展，第 8h 后趋于稳定。从裂纹的发展速度来看，采用两级配碎石，降低胶材后，其裂纹发展速度较慢。由于，裂纹宽度测量存在较大误差，所以，单从裂纹长度来看，基准样 DM1 裂纹长度和条数，在后期超过了 DM3，同时，两组混凝土裂纹面积相差不大。并且，从失水速率来看，两组配合比混凝土拌合物相差不大，DM1 略大于DM3，这和初始自由水含量有关系。

图4 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累计失水量 2

2.2.3 相同流态 DM1 和 DM3 的平板开裂性能

通过外加剂将混凝土拌和物扩展度调整到一致，掺量均为 1.6%，扩展度均为 500mm。同时，试验过程关闭风扇，避免风速不均匀造成的误差。其裂缝发展及失水速率见表 12、表 13 和图 5。

由表 12、表 13 和图 5 可见，关掉风扇后，水分蒸发较慢，持续观测 11 个小时，未出现裂纹。24h 发现裂纹，但裂纹很细，并没有贯通。采用两级配骨料的混凝土仅出现了三条非常细的裂纹，裂纹宽度仅0.02mm，后期保湿养护，此种裂纹是可以恢复的。基准样出现的裂纹条数较多，但较短，裂纹最大宽度为0.1mm。

图5 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累计失水量 3

表12 裂缝和开裂面积 3

表13 DM1 和 DM3 混凝土拌和物累计失水量 3 m2/kg

2.3 试验结果分析

新拌混凝土拌和物初始，表面水分较多，随着水分的蒸发，不断有自由水迁移到表面，此时，表面毛细孔水分处于饱和状态，混凝土不会出现塑性开裂现象[8]。依据毛细孔负压理论（P=2rcosθ/R)，当混凝土表面水分蒸发速度大于自由水向表面的迁移速度时，毛细孔内液面半径 R 逐渐减小，接触角 θ 逐渐变小，负压力 P 逐渐增大。当此负压力增大到超过混凝土的极限拉应力时，出现开裂。

前两批次试验中，两组配合比 DM1 和 DM3 的扩展度差距较大。第一批次试验，DM1 扩展度小于 DM3，相差 100mm。虽然，DM3 表面水分蒸发较快，但其整体自由水较多，接触角 θ 在 4h 之前变化不大，同时，二级配骨料会限制浆体的部分位移，所以，DM3 裂纹面积远小于 DM1。

第二批次试验，DM3 扩展度小于 DM1，相差100mm。DM3 水分蒸发速率略小于 DM1，说明 DM1自由水含量可能高于 DM3，并且 DM3 比 DM1 较早出现第一条裂缝，这也说明 DM3 提前达到了蒸发速率和水分迁移速率的失衡现象。但是，随着裂纹发展可以看出，在第 6 和第 7 小时，两者裂纹长度已相差不多，在24h时，DM1 裂纹长度已超过 DM3，这说明依据骨料紧密堆积设计的 DM3 配合比中，二级配碎石有阻裂效应。同时，在试验过程中也观察到，表面裂纹在遇到碎石时，裂纹出现长时间的停滞状态。

第三批次试验，DM1 和 DM3 扩展度相同，但是由于 DM3 胶浆量较少，所以，其自由水也相对较少，理论上，DM3 会首先达到水分蒸发速率和迁移速率的失衡。但在前 11h，均未开裂，说明二级配碎石起到了阻裂效果。24h 后，DM3 裂纹长度、条数和宽度，以及开裂面积均远小于 DM1。第三批次试验排除了风速的影响，仅存在配合比上的不同，这说明通过降低骨料空隙率，减少胶浆用量，可以有效地改善混凝土的塑性抗裂性。

通过前文试验结果发现，在有风的影响下，塑性阶段的失水收缩开裂高风险期在混凝土拌和后 4～7h。同时，混凝土表面水分蒸发速度较快，并不代表其会提前开裂，关键是水分蒸发速率和迁移速率何时失衡[9]。二级配碎石在接近紧密堆积的情况下，可以起到阻碍裂纹扩展的作用，从而，降低了混凝土开裂的风险。

依据 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》，对三次平板开裂试验进行风险评价，见表 14。

表14 开裂风险等级

由表 14 可见，在有风影响的情况下，同一组配合比扩展度 600mm 的开裂风险大于扩展度 500mm 的。无风影响的情况下，开裂风险小于有风影响的情况。

不同配合比，降低胶材、降低骨料空隙率的开裂风险小于高胶材、高骨料空隙率的开裂风险。

通过前文分析，传统配合比塑性抗裂风险的调整，应是降低骨料空隙率，增加骨料用量，降低胶浆量。同时，应采取必要的措施，减少水分散失，保持混凝土表面水分蒸发与迁移速率相当，即保持毛细孔负压小于混凝土的极限拉应力。