■ 暢亞文 劉廣利 許開萍

1 概述

武廣高速鐵路建設(shè)中大量采用耐久性混凝土技術(shù)，其中混凝土結(jié)構(gòu)物種類、數(shù)量大部分都是大體積結(jié)構(gòu)。在施工中防止混凝土發(fā)生收縮，避免形成裂縫，導(dǎo)致混凝土開裂從而嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性尤為重要。

武廣高速鐵路使用的混凝土配合比設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：（1）由于混凝土耐久性的需要，對(duì)原材料的品質(zhì)要求在現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上有所提高。（2）增加了抗裂性對(duì)比試驗(yàn)。要求進(jìn)行配合比間的抗裂性能對(duì)比試驗(yàn)，以選擇在標(biāo)準(zhǔn)條件下抗裂性能相對(duì)較好的配合比用于施工。（3）增加了在各種環(huán)境作用下耐久性的要求，混凝土配合比設(shè)計(jì)周期經(jīng)常要比以往長(zhǎng)1～2個(gè)月。

在保證混凝土質(zhì)量的前提下，混凝土配制時(shí)鼓勵(lì)采用較少的水泥用量、摻用較多的摻和料、采用較低的水膠比。《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》和《客運(yùn)專線耐久性混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》等對(duì)此做出要求：（1）C30及以下混凝土的膠凝材料總量高于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）為提高混凝土的耐久性，改善施工性能和抗裂性能，混凝土中宜適量摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣粉或硅灰等礦物摻和料，不同礦物摻和料的摻和數(shù)量應(yīng)根據(jù)混凝土性能通過(guò)試驗(yàn)確定。

2 影響混凝土收縮因素試驗(yàn)研究

混凝土收縮一般采用線形試件測(cè)量全部長(zhǎng)度內(nèi)的平均變形值。為探討混凝土收縮的影響因素，按照GBJ 82—1985規(guī)定的混凝土干燥收縮標(biāo)準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)了不同細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)、不同砂率、不同粉煤灰摻量的混凝土對(duì)比試驗(yàn)，從中找出影響混凝土收縮的因素，以有效指導(dǎo)實(shí)際施工。

2.1 細(xì)度模數(shù)的影響

不同細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)混凝土配合比見表1。對(duì)比試驗(yàn)配合比相同，其中細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)：ss-1為2.8，ss-2為3.3，ss-3為2.3，其他原材料相同。

不同細(xì)度模數(shù)對(duì)應(yīng)收縮值見表2。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，如果細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)增加，混凝土收縮量則減小。細(xì)度模數(shù)為2.8的混凝土比細(xì)度模數(shù)為3.3的混凝土120 d的收縮量增加了4%，細(xì)度模數(shù)為2.3的混凝土相對(duì)另外2種混凝土120 d的收縮量增幅較大（比細(xì)度模數(shù)為2.8的混凝土增加了11.9%，比細(xì)度模數(shù)為3.3的混凝土增加了16.5%）。

表1 不同細(xì)度模數(shù)混凝土配合比 kg

表2 不同細(xì)度模數(shù)的混凝土收縮值 0.01 mm

理論上講，混凝土收縮主要是水泥石的收縮，骨料對(duì)水泥石的收縮起內(nèi)約束作用?；炷粮鞣N原材料之間相互形成最密實(shí)的形態(tài)時(shí)，混凝土的施工性能、強(qiáng)度及收縮性能方可達(dá)到最佳。通?；炷僚浜媳染哂泄橇系目偪障短畛湎禂?shù)大于100%、砂漿體積大于石子空隙含量的基本特點(diǎn)。當(dāng)混凝土各組成材料用量不變，連續(xù)改變砂的細(xì)度模數(shù)時(shí)，實(shí)際上已造成混凝土骨料堆砌體空隙率和比表面積的連續(xù)變化，膠凝材料漿體體積不足以填充骨料空隙，混凝土不能完全密實(shí)，宏觀表現(xiàn)為細(xì)度模數(shù)越小，混凝土收縮越大。

2.2 砂率的影響

不同砂率的混凝土配合比見表3。ss-8的砂率為0.37，ss-1的砂率為0.42，ss-9的砂率為0.47。砂的細(xì)度模數(shù)確定為2.8，其他原材料相同。

不同砂率所對(duì)應(yīng)的混凝土收縮值見表4。從試驗(yàn)數(shù)值可見，混凝土的收縮隨砂率的增大而增大。ss-9的120 d收縮值最大，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收縮值也增加了6.3%。

水泥石和集料的界面并不是一個(gè)“面”，而是一個(gè)有一定厚度的“過(guò)渡層”，其厚度為0～10μm。“過(guò)渡層”是水泥漿體中的水向集料表面遷移方向形成水灰比的梯度而產(chǎn)生的。從集料表面向水泥石體系，水灰比逐漸減小，直至達(dá)到水泥石本體水灰比。其他條件相同時(shí)，單個(gè)集料和漿體界面過(guò)渡層厚度隨集料表面積的大小而變化，粒徑小的集料過(guò)渡層厚度小。按照中心質(zhì)假說(shuō)，各級(jí)中心質(zhì)和介質(zhì)之間都存在過(guò)渡層，中心質(zhì)以外所存在的組成、結(jié)構(gòu)和性能的變異范圍都屬于過(guò)渡層?；炷恋募蠈儆诖笾行馁|(zhì)，大中心質(zhì)對(duì)周圍介質(zhì)所產(chǎn)生的吸附、化合、機(jī)械咬合、黏結(jié)、稠化、強(qiáng)化、晶核作用、晶體取向、晶體連生等一切物理、化學(xué)、物理化學(xué)效應(yīng)均稱為大中心質(zhì)效應(yīng)，效應(yīng)所能達(dá)到的范圍稱為“效應(yīng)圈”，“過(guò)渡層”是“效應(yīng)圈”的一部分。有利的中心質(zhì)效應(yīng)不僅可改善“過(guò)渡層”的大小和結(jié)構(gòu)，而且能使“效應(yīng)圈”中的大介質(zhì)在不同程度上具有大中心質(zhì)的某些性能；增加有利效應(yīng)，減少不利效應(yīng)，對(duì)改善混凝土的宏觀行為發(fā)揮重要作用。

集料用量一定情況下，砂率較小時(shí)，粗集料含量較大，由于集料表面積較大而使“過(guò)渡層”變厚，雖然較厚的“過(guò)渡層”存在較多的薄弱環(huán)節(jié)，但其破壞作用由于較大中心質(zhì)的有利效應(yīng)而得到抑制，宏觀上表現(xiàn)為混凝土收縮裂縫相對(duì)較小。隨著砂率的增大，粗集料減少，粗集料的抑制作用減弱，表現(xiàn)為所測(cè)的塑性收縮裂縫面積有增大趨勢(shì)。

2.3 粉煤灰摻量的影響

不同粉煤灰摻量混凝土配合比見表5?？偟哪z凝材料不變，ss-1、ss-10、ss-11和ss-12的粉煤灰摻量分別為0、10%、20%和30%，其他原材料相同。

不同粉煤灰摻量所對(duì)應(yīng)的混凝土收縮值見表6。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，混凝土中摻加粉煤灰對(duì)混凝土的收縮起到抑制作用，抑制效果隨粉煤灰摻量的增加而增加。粉煤灰摻量為10%時(shí)，混凝土收縮值比基準(zhǔn)混凝土收縮減小5.0%，粉煤灰摻量達(dá)到20%時(shí)，收縮量減小14.9%，抑制效果比較明顯。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量達(dá)30%時(shí)，相對(duì)20%摻量的收縮量減小不很明顯。

粉煤灰水化也是一個(gè)放熱反應(yīng)，但其單位放熱量明顯低于水泥，因此摻粉煤灰的混凝土水化熱明顯低于不摻的混凝土，即降低了混凝土內(nèi)的溫度梯度，減小了混凝土收縮的驅(qū)動(dòng)力，從而降低了收縮值。另外，毛細(xì)孔孔徑越小，漿體內(nèi)部相對(duì)濕度越低，毛細(xì)管負(fù)壓就越大，引起的自收縮就越大。由于粉煤灰具有微集料效應(yīng)，即粉煤灰細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，成為大量水化物沉積的核心，隨著水化齡期的進(jìn)展，這些細(xì)微顆粒及其水化產(chǎn)物填充水泥孔隙，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而降低了混凝土的收縮值。

表3 不同砂率混凝土配合比 kg

表4 不同砂率的混凝土收縮值 0.01 mm

表5 不同粉煤灰摻量混凝土配合比 kg

3 C50梁體混凝土收縮試驗(yàn)研究

武廣高速鐵路XXTJⅡ標(biāo)橋梁梁體設(shè)計(jì)絕大部分都是混凝土標(biāo)號(hào)C50、跨度達(dá)30余m、自重達(dá)900 t以上的簡(jiǎn)支箱梁。一片C50箱形梁混凝土用量達(dá)300余m2，斷面最小尺寸達(dá)3 m，屬于典型的大體積耐久性混凝土，是高速鐵路橋梁的關(guān)鍵構(gòu)件，其耐久性直接關(guān)系到橋梁的使用壽命。為保證箱形梁施工階段不出現(xiàn)裂縫，對(duì)箱形梁的C50混凝土收縮現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)和分析。

4種不同配合比（見表7）的C50耐久性混凝土收縮值見表8。測(cè)試結(jié)果表明：幾種摻加高效減水劑和活性礦物摻和料的混凝土的收縮量變化范圍不大，在0.14%～0.16%。在減小骨料最大粒徑、摻加活性礦物摻和料替代水泥、摻加高效減水劑降低單位用水量等有利因素的共同作用下，防止混凝土收縮的效果較好，值得在工程中推廣使用。

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也反應(yīng)了高標(biāo)號(hào)、大體積混凝土收縮的某些規(guī)律。假定120 d收縮值為混凝土的全部收縮量，各時(shí)間段混凝土收縮的百分比見圖1?？梢姡?種混凝土第1天的收縮量都很大，超過(guò)全部收縮量的50%，值得注意。

混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組分分子間的距離，隨溫度變化產(chǎn)生體積收縮而引起裂縫。混凝土中水泥和水發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)放出水化熱，在絕熱狀態(tài)下，每100 kg水泥水化放出的水化熱可使混凝土升溫10～12 ℃。在水灰比較低情況下，混凝土中水泥水化放出的熱量較多，混凝土溫度會(huì)升得更高，再加上骨料的初始溫度，可使混凝土內(nèi)部的最高溫度達(dá)到70～80 ℃，水化進(jìn)行得更快，混凝土很快失去可塑性。而混凝土又是熱的不良導(dǎo)體，在硬化初期，混凝土內(nèi)部因溫度很高而體積膨脹，外部隨氣溫降低而收縮。本試驗(yàn)C50混凝土雖然使用部分活性礦物料代替水泥，但低于0.35的水膠比依然使單位體積混凝土中水泥用量顯得偏高，而水泥用量越大，在混凝土凝結(jié)硬化中水泥水化放出的熱量越多，溫升就越快，混凝土內(nèi)外溫度越懸殊，表面越容易出現(xiàn)收縮，因此，高強(qiáng)耐久性混凝土在施工后的1～3 d內(nèi)收縮現(xiàn)象較明顯。

試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入活性礦物摻和料可大幅降低耐久性混凝土的自收縮。摻量不超過(guò)20%時(shí)，其降低值隨摻量的增大而增大；摻量超過(guò)20%時(shí)，降低作用并不明顯。4組混凝土配合比活性礦物摻和料摻量在35%以上，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，幾組混凝土收縮總量確實(shí)沒有太大差別。值得注意的是，ss-5配合比水泥用量最小，其1 d收縮量比其他幾組低10%以上；ss-4的水泥用量最大，其1 d收縮量比ss-5大16%，比ss-6和ss-7大10%。活性礦物摻和料在水泥漿體系中的水化非常緩慢。在相同水膠比條件下，用粉煤灰替代部分水泥相當(dāng)于增大早期有效水灰比。因此粉煤灰可降低混凝土內(nèi)部的早期自干燥速度，顯著降低早期自收縮。而且由于減少了水泥用量，也在相當(dāng)大程度上降低了混凝土的水化熱，減小了溫度收縮。后期粉煤灰的繼續(xù)水化使水泥石內(nèi)部自干燥程度提高，但此時(shí)混凝土已有較高的彈性模量和很低的自徐變系數(shù)，在相同自干燥程度下，產(chǎn)生的自收縮同早期相比要小得多。因此，大摻量活性礦物摻和料代替部分水泥用量，降低早期水化熱，對(duì)于降低混凝土早期收縮也有較大貢獻(xiàn)。

表6 不同粉煤灰摻量的混凝土收縮值 0.01 mm

表7 4種C50混凝土配合比 kg

表8 4種C50混凝土收縮值 0.01 mm

4 結(jié)論

通過(guò)一系列試驗(yàn)分析和實(shí)際施工效果觀察，總結(jié)出減小混凝土收縮、提高混凝土耐久性的規(guī)律：

（1）混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足相關(guān)技術(shù)要求的同時(shí)，細(xì)骨料盡量選擇級(jí)配良好、質(zhì)量?jī)?yōu)良、平均粒徑較大的中粗砂，從而降低混凝土的干縮，對(duì)混凝土的收縮控制具有重要作用。

（2）混凝土砂率對(duì)混凝土的收縮有著重要影響。配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足混凝土工作性能的情況下，盡量選擇較低的砂率。

（3）混凝土配合比中摻加粉煤灰等活性礦物摻和料以替代水泥用量，可有效降低混凝土收縮。且粉煤灰的大量摻加可顯著降低混凝土的早期水化放熱，從而緩解水化熱對(duì)混凝土的不利影響。

另外，在大量的施工實(shí)踐中，總結(jié)出比較有效的抵抗混凝土收縮變形的方法：

（1）在混凝土尤其是大體積混凝土關(guān)鍵部位增設(shè)加強(qiáng)鋼筋或鋼筋網(wǎng)。在溫度收縮應(yīng)力較大的現(xiàn)澆板中，表面布置雙向溫度收縮鋼筋等。某些構(gòu)造物伸縮縫的間距雖然符合規(guī)范要求，但由于施工周期長(zhǎng)，又是暴露在大氣中的露天結(jié)構(gòu)，故在結(jié)構(gòu)中斷面薄弱處、應(yīng)力集中處宜采取加強(qiáng)措施，實(shí)踐證明在混凝土結(jié)構(gòu)物關(guān)鍵部位增設(shè)加強(qiáng)鋼筋或鋼筋網(wǎng)可有效減少混凝土體積收縮，防止裂縫產(chǎn)生。

（2）盡量縮短混凝土澆筑與開始養(yǎng)護(hù)時(shí)間。初凝后立即養(yǎng)護(hù)可有效抑制耐久性混凝土的早期自收縮。為減小混凝土構(gòu)件的內(nèi)外溫差，混凝土澆筑后及時(shí)（從初凝開始）水養(yǎng)護(hù)或密封養(yǎng)護(hù)（即在混凝土澆筑后覆蓋塑料薄膜，待混凝土初凝后拆開塑料薄膜，用木抹子搓表面兩遍后，在表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，再覆蓋塑料薄膜和保溫材料，待終凝后再灑水養(yǎng)護(hù)），以控制混凝土的降溫速度。養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)根據(jù)混凝土種類、環(huán)境溫度、濕度等確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間。水灰比低的應(yīng)及時(shí)給予補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間可以短一些；水灰比很大時(shí)，自由水分多，養(yǎng)護(hù)可待初凝后開始，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間要長(zhǎng)一些；在相對(duì)濕度較大的潮濕地區(qū)，濕養(yǎng)的影響不大，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間要長(zhǎng)，才能使其滲透性穩(wěn)定；摻用礦物摻和料的混凝土，由于摻和料的二次水化反應(yīng)進(jìn)行較慢，故養(yǎng)護(hù)時(shí)間要長(zhǎng)一些。

總之，為了防止混凝土收縮，提高混凝土的耐久性，混凝土施工中，應(yīng)從原料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)等方面加強(qiáng)管理，嚴(yán)格操作規(guī)程，控制混凝土收縮，確?；炷临|(zhì)量。

[1]科技基［2005］101號(hào) 客運(yùn)專線耐久性混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件[S]，2007

[2]梅泰. 混凝土的結(jié)構(gòu)、性能與材料[M]. 祝永年，沈威，陳志源. 譯. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1991

[3]Neubauer C M，Jennings H M， Carboczi E J. A three-phase model of elastic and shrinkage properties of mortar [J]. Advanced Cement Based Materials，1996(4)

[4]Edward J Garboczi，Dale P Bentz. Analytical formulas for interfacial transition zone properties[J]. Advanced Cement Based Materials，1997 (6)

[5]覃維祖. 混凝土性能對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性及安全性的影響[J]. 混凝土，2002(6)