补偿收缩混凝土配合比设计及其性能研究

书中自有颜如玉

摘 要：为了在消除因混凝土龄期差大造成的混凝土收缩裂缝的同时保证高空接塔时混凝土的正常泵送，在原有混凝土配合比上添加纤维和澎胀剂，以提高其抗裂性并抑制其早期收缩，通过观察其塌落度与泌水情况，发现长、短纤维的加入会降低其塌落度、保水性能，膨胀剂的掺入会导致其流动性显著下降，无法满足泵送施工的要求，通过逐步上调砂率与减水剂的掺量，使新的混凝土配合比达到原配合比的工作状态。混凝土的收缩试验与劈裂试验表明掺长纤维的混凝土收缩率小于掺短纤维的。9#掺长纤维的混凝土作为新老混凝土接塔的优选配合比，其早期收缩率较原配合比下降30%,劈裂强度较原配合比提高30%。
关键词：新旧混凝土;龄期;配合比;收缩;劈裂试验;
作者简介：黄涛(1987—),男，湖南湘潭人，本科，工程师，研究方向：桥梁施工与管理;
基金：国家自然科学基金项目(51778228);湖南省杰出青年基金(2021JJ10003);
在混凝土结构施工过程中，新旧混凝土的龄期差会导致收缩裂缝的出现。为解决因龄期差产生的收缩开裂问题。沙建芳[1]等通过露骨剂处理基面、调节旧混凝土含水状态及降低新混凝土收缩率的方式提高新老混凝土界面粘结强度。纤维作为优良的复合材料，可有效抑制混凝土结构的开裂，文献[2,3,4]等通过试验验证了纤维的掺入能提升混凝土的强度指标和抗裂性能，玄武岩纤维对劈裂强度的提升效果大于抗压强度。左俊卿[5]等平板实验研究了膨胀剂和聚丙烯纤维对混凝土早期抗裂性能的影响，试验结果表明膨胀剂和聚丙烯纤维均可改善了混凝土早期抗裂性能，且聚丙烯纤维的改性效果优于膨胀剂。曹丰泽[6]等通过试验验证了掺加了MgO膨胀剂的C35补偿收缩混凝土在满足强度发展的前提下，可有效降低结构收缩裂缝产生的几率。梁宇[7]等通过配合比试验配制出适用于装配式结构新旧结合面的有膨胀效果的补偿收缩混凝土，确保新旧混凝土结合面的有效粘结。张登祥[8]等对高强轻集料混凝土(HSLC)的抗裂影响因素进行了分析，结果表明，普通混凝土(NC)相比，7 d前的收缩应变量大于NC,开裂时HSLC总收缩应变明显小于NC。王海啸[9]等认为通过掺加膨胀剂实现混凝土温升和温降阶段全过程的补偿收缩。张晶[10]通过试验表明双掺纤维和膨胀剂的混凝土抗裂性能优于单掺其中一种材料。杨之璋[11]等通过试验表明，外加剂的掺入能很好地抑制泡沫混凝土的早期收缩和塑性开裂。任增洲[12]分析了砂率对大流动性混凝土收缩及其开裂性能的影响，结果表明，在一定砂率范围内砂率较小和较大均不易引起塑性收缩开裂，而在这之间的某一砂率反而容易引起收缩开裂。
目前已有的研究成果主要聚焦于解决混凝土的收缩开裂问题，并未考虑到施工过程的正常泵送问题。本文在原有的混凝土配合比基础上，逐量的掺加长短纤维、膨胀剂，在强度满足的基础上，通过调整砂率与减水剂掺量满足高空工作性能，最后在各配合比中选在早期收缩率与抗拉强度满足要求的最优配合比。
1工程背景杨梅洲大桥为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥。桥跨布置为：(70+70+70+658+100+70+70)m, 索塔为钢筋混凝土独柱形塔，采用C55混凝土。其中河东侧索塔总高度181.68 m, 下塔柱及中塔柱为分离式的箱形断面，中下塔柱在牛腿处设置横梁，中塔柱分离断面通过设置横梁合并为上塔柱哑铃型断面。该大桥于2019年2月停工。2021年2月复工，主塔整体停工600余d。东墩上塔柱已浇筑部分60余m, 还有40余m中塔柱长度尚未完成。
2新老混凝土接塔的关键问题原高空泵送混凝土水灰比为0.4,早期收缩变形大，已浇筑的混凝土经过两年的停工期其收缩变形已基本稳定，对上部待浇筑混凝土具有约束作用，将导致新浇筑混凝土内部产生拉应力，极易造成新浇筑混凝土在施工早期出现竖向裂缝。一旦出现裂纹，在上部新浇筑混凝土自重及施工荷载的共同泊松效应作用下，将加剧裂缝的扩展，影响结构的安全性与耐久性。
解决思路是在旧混凝土上浇筑一节特殊配合比混凝土，混凝土适量加入纤维、膨胀剂等抑制其早期收缩减少拉应力，同时加入的纤维还可提高其抗拉能力，双管齐下保证新浇筑混凝土不会产生裂缝，在此节段基础上又重新浇筑成原有配合比混凝土，同时满足施工的质量与经济性。问题的关键在于新浇筑特殊配合比混凝土其工作性能满足高空浇筑要求，同时其不能过多减小早期收缩，以适应后浇的原有配合比混凝土。
根据主塔的实际施工高度，配合比应实现以下目标。
(1)满足结构安全要求，28d强度≥55 MPa;
(2)满足泵送施工要求，塌落度160～200mm, 2 h塌落度损失≤40 mm。
根据施工方提供的原材料，对原施工配合比(见表1中1#配比)C55基准配合比优化。在此基础上，在此基础上按体积掺量0.05%、0.10%、0.15%、0.2%,掺入长短两种聚丙烯纤维、按体积掺量0.3%、0.4%、0.5%,掺入膨胀剂、以及讲以上两种材料复掺，分别研究其对混凝土工作性、强度、抗裂性能的影响，从而确定适合本工程的C55抗裂泵送混凝土的最优配合比。

实验编号		w/b	βs /%	各材料用量/(kg/m3)								强度/MPa
				水泥	粉煤灰	矿粉	砂	碎石	水	减水剂	纤维/膨胀剂	3 d	28 d
施工方参考配合比	1	0.30	37	375	50	75	662	1 128	150	6.00	0	52.6	72.7
	4	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.00	0	50.4	>88.8
	5	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	6.00	0.92	53.7	72.5
单掺短纤维	6	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.50	0.92	54.6	>88.8
	7	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.50	1.38	53.1	>88.8
	8	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.50	1.82	51.7	>88.8
	9	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.50	0.92	53.1	>88.8
单掺长纤维	10	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.75	1.38	50.6	>88.8
	11	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.75	1.82	53.1	85.0
	12	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.75	0.3%	52.7	78.9
单掺膨胀剂	13	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.75	0.4%	52.5	59.4
	14	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	6.00	0.5%	53.8	60.4
纤维p+膨胀剂u	15	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	5.75	P短0.9U0.4	53.8	60.1
	16	0.3	42	375	50	75	752	1 038	150	7	P长0.9U0.4	49.7	67.8

由表1可知，根据3 d与28 d抗压强度测试结果可知，全部配合比方案均满足强度要求。
为确定基础施工参考配合比，按表1中1#、2#、3#、4#进行塌落度实验。
1#混凝土拌合物流动性过大，但粘聚性、保水性不足，有泌水离析现象。初步判断1#配比的砂率偏小，故将1#配比的砂率由原37%调整到42%,得到4#配比。实验结果表面采用4#配合比时，混凝土的流动性、强度均能达到设计要求，因此采用4#为基准配合比。
以4#配比为C55基准配合比，在此基础上掺入不同掺量长、短纤维进行试配，按表1中的5#～11#四种配合比。
短纤维的加入时，若要使混凝土要达到4#基准配合比的工作性，需要将减水剂的掺量提升至1.1%。在9#长纤维掺量为0.92 kg/m3、减水剂掺量为1.1%时，混凝土工作性能满足要求。在相同掺量的情况下，长纤维相较于短纤维其塌落度、工作性都略差，说明长纤维在混凝土中的需水量大于短纤维。
以4#配比为C55基准配合比，在此基础上，掺入不同掺量膨胀剂进行试配，按表1中的12#、13#、14#三种配合比。
12#满足施工条件。14#配合比下混凝土塌落度满足要求，但扩展度不足，如需满足泵送施工条件，进一步提高减水剂用量1.4%。
综上可知，膨胀剂对混凝土的工作性影响较为显著。随膨胀剂掺量增加，混凝土的流动性急剧下降，不能满足泵送施工要求，需加大减水剂用量以改善混凝土流动性。
以4#配比为C55基准配合比，在此基础上，复掺纤维、膨胀剂进行试配，按表1中的15#配合比，复掺短纤维0.92 kg/m3、膨胀剂0.4%时，其塌落度实验效果图如下。
与单掺短纤维、膨胀剂的混凝土相比，复掺长纤维、膨胀剂使得混凝土塌落度明显降低。复掺长纤维、膨胀剂时，若要达到基准组混凝土的流动性，需将减水剂用量提升至1.4%。
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》,采用非接触式方法测定混凝土的干缩率，试验设备为非接触式混凝土早期收缩测试仪。
表2 各组混凝土的3 d收缩率 导出到EXCEL

试件编号	3 d收缩率 /10-6%	28 d收缩率 /10-6%
4#空白组	763	—
6#0.92短纤维混凝土	700	—
9#0.92长纤维混凝土	494	—
15#0.4%膨胀剂+0.92短纤维	605	796(23 d)

测定表2各组混凝土的收缩率，并得到相应的收缩曲线。对比单掺纤维、单掺膨胀剂、复掺纤维与膨胀剂对混凝土收缩性能的影响。每组配比测定3个样，3 d为1个周期。不掺纤维和膨胀剂的空白组和单掺0.92 kg/m3短纤维的实验组收缩率曲线图如图1。

图1 不同配比混凝土的3 d收缩率曲线 下载原图
①以混凝土3d收缩率为例，单掺0.92 kg/m3长纤维混凝土的收缩率最小。与空白组相比，其3 d收缩率可降低约35%,收缩率降低值达269×10-6%;
②与空白组相比，单掺0.92kg/m3短纤维混凝土的3 d收缩率降低约8.3%,其抗收缩效果不如掺长纤维的好；
③与空白组相比，复掺0.4%膨胀剂+0.92kg/m3短纤维混凝土的收缩率降低约21%;与单掺0.92 kg/m3短纤维混凝土相比，复掺0.4%膨胀剂+0.92 kg/m3短纤维的效果较好。
④以复掺0.4%膨胀剂+0.92kg/m3短纤维混凝土为例，其3 d收缩率为605×10-6%,23 d收缩率为796×10-6%,3 d收缩率达23 d的76%。由此表明，混凝土的干燥收缩大部分发生在早龄期(3 d)。

试样编号	3 d劈裂抗拉强度				28 d劈裂抗拉强度(3.30出结果)
	原始数据/kN			劈裂强度 /MPa	原始数据/kN			劈裂强度 /MPa
4#空白组	123.73	105.26	125.11	3.34	127.69	130.01	131.83	3.67
6#0.92短纤维混凝土	158.99	146.99	157.87	4.38	140.02	180.14	223.22	4.53
9#0.92长纤维混凝土	158.5	172.15	164.36	4.67	170.03	213.03	183.09	5.34
13#0.4%膨胀剂	149.21	151.54	158.04	4.32	171.82	149.71	156.45	4.51
15#0.4%膨胀剂+0.92短纤维	161.68	142.75	164.18	4.42	163.96	185.71	165.01	4.85
16#0.4%膨胀剂+0.92长纤维	156.21	148.27	163.33	4.41	175.07	145.78	172.22	4.65

由表3可知，与空白组相比，单掺长纤维混凝土的劈裂抗拉强度最高，3 d增加约40%;28 d增加约45%。单掺短纤维、单掺膨胀剂混凝土的3 d劈裂抗拉强度均较空白组高出约30%左右，28 d高出约23%。
综合上述，从强度、工作性能、早期收缩及劈裂抗拉强度最终选择9#配合比。
5小 结针对工程关键问题，分别进行了混凝土配合比设计、早期收缩性能及抗开裂性能测定，并对比研究了不同掺量的配合比方案，初步得到如下结论。
(1)在基准C55混凝土配合比下，单掺短纤维、长纤维、膨胀剂，以及复掺长/短纤维与膨胀剂，会导致混凝土流动性下降，但通过调整减水剂用量，可达到泵送施工要求，且均能有效提高混凝土早期(3 d)抗压强度。单掺纤维混凝土28 d抗压强度值高达70 MPa以上
(2)与基准C55混凝土(4#配比)相比，掺0.92 kg/m3聚丙烯纤维(长度6 mm)6#配比混凝土的3 d收缩率明显降低，收缩率降低幅度达143×10-4%。由此表明，掺入聚丙烯纤维可有效降低新浇筑混凝土的早期收缩率，对预防与控制裂缝的产生具有较好效果。复掺0.92 kg/m3纤维+0.4%膨胀剂的混凝土试件3d收缩率与基准C55混凝土相当，对抑制混凝土收缩效果不明显。
(3)与空白组相比，单掺长纤维混凝土的劈裂抗拉强度最高，3 d增加约40%;28 d增加约45%。单掺短纤维、单掺膨胀剂混凝土的3 d劈裂抗拉强度均较空白组高出约30%左右，28 d高出约23%,长纤维混凝土的劈裂抗拉强度好于单掺短纤维、单掺膨胀剂和复掺短纤维、膨胀剂。
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