范洁群

预拌混凝土施工期间开裂仍是目前混凝土现浇施工中普遍存在的问题,有成功的防治经验也有很多失败教训。对预拌混凝土施工期间裂缝的防治可从3个方面着手:1)减小混凝土的绝对收缩量;2)改善混凝土的内、外约束条件;3)提高混凝土的抗(拉)裂能力。其中,首要方面要采取措施减小混凝土的绝对收缩量。

现代大量使用的预拌混凝土由于泵送施工对拌合物性能的要求,水泥性能的改变及外加剂、掺合料等组分的使用使现代混凝土的收缩产生了较大的变化,正确认识现代预拌混凝土收缩发展的变化规律,分析其对混凝土开裂的影响,从而正确选择有效的裂缝防治措施有非常重要的意义。

1 混凝土收缩的估算模式及影响因素分析

国内外很多技术文献基于不同的试验研究和经验,对于混凝土收缩建议有不同的估算方法,其中具有代表性的有我国学者王铁梦推荐提出的国内模式、ACI209委员会提出的ACI式、欧洲使用较多的CEB式、Bazant和Pantula提出的BP式等估算模式。

国内估算模式:任意时间素混凝土(包括低配筋混凝土)收缩量计算公式如下:

公式含义详见文献[1]。该模式主要考虑了水泥品种、水泥细度、骨料种类、水灰比、水泥浆量、初期养护时间、使用环境湿度、构件尺寸、操作方法及配筋率十种影响因素。

ACI混凝土收缩估算公式是在标准状态混凝土收缩值的基础上,通过实验确定各影响因素偏离标准条件时的校正系数建立的,其基于Branson的试验研究按两种初养方式估算。

影响混凝土收缩性能的因素可以总结为以下4个大项:时间(龄期);原材料及配合比;操作方法、养护、环境条件;构件情况,共26个小项。以上各收缩估算模式均是时间(龄期)的函数,均考虑了环境湿度的影响,多数考虑了构件的形状、尺寸及水灰比、水泥用量的影响。均没有考虑水泥强度等级、骨料级配、骨料含泥量、骨料用量、单位用水量的影响。另外也均没有考虑矿物掺合料、外加剂、纤维掺加的影响,目前在我国预拌混凝土中几乎都掺加了一定量的外加剂和矿物掺合料。风速也会在很大程度上影响新浇混凝土的水分蒸发、散失速率,进而影响混凝土的干燥收缩,这在大坍落度混凝土浇筑的早期尤其明显。水泥细度也是影响预拌混凝土收缩性能的重要因素,但在上述估算模式中,只有王铁梦教授推荐的模式中考虑了这一因素。B—P模式直接考虑了混凝土强度等级因素对收缩的影响。

2 国内估算模式和ACI模式收缩值与龄期关系计算对比分析

1)国内估算模式模拟计算。

国内估算模式中(文献[1]),按目前国内常见情况之一(地下结构墙,C40),确定其各修正系数:

使用普通硅酸盐水泥,取 M1=1.00;

水泥细度,比表面积按360m2/kg,取 M2=1.08;

采用花岗岩粗骨料,取 M3=1.00;

按水灰比0.400,取 M4=1.00;

水泥浆量(重量比)按28%,取 M5=1.35;

初期养护时间按3 d,自然状态硬化,取 M6=1.09;

环境湿度按50%,取 M7=1.00;

构件(墙体)高 4m,厚 350mm,r=0.6,自然状态硬化,取M8=1.40;

机械振捣,取 M9=1.00;

按配筋率(包括模量比)0.02,取 M10=0.94。

另外,考虑养护条件一般,取经验系数b=0.01,将以上系数代入下式,得混凝土任意时间收缩值:

为方便对比,收缩以微应变(10-6)表达。

2)ACI估算模式模拟计算。

ACI估算模式中,按混凝土潮湿养护,计算其后的收缩值。式中的t是指“混凝土经最初的潮湿养护或蒸汽养护之后的时间”,以天表示,因此,该模式并不能估算最初的潮湿养护或蒸汽养护这段时间的收缩。

其他条件保持与1)相同,确定如下:

混凝土潮湿养护7 d后的自由收缩:

各修正系数取值如下:

考虑到混凝土墙体养护困难,并尽可能估算出早期的收缩,潮湿养护天数取为1 d,取 γcp=1.2;

环境湿度按50%,取 γλ=0.90;

仍考虑为墙体,高4m,长6m,厚350mm,分别按两种方法修正,综合取 γh=0.64;

混凝土坍落度按180mm,取γs=1.18;

砂率按40%,取 γφ=1.0;

水泥用量按470kg,取 γc=1.04;

新拌混凝土含气量按1%,取 γα=0.96。

将以上系数代入下式,得该模式下混凝土任意时间收缩值:

应注意混凝土收缩的实际龄期是(t+1)d。

在混凝土浇筑后至30d龄期内,ACI估算模式的计算结果明显高于国内估算模式,究其原因,与国内模式相比,ACI模式多考虑了水泥用量、混凝土坍落度、构件形状尺寸等影响因素,而这些因素在本算例中均有增大收缩量的作用:水泥用量偏多(470kg);混凝土坍落度偏大(180mm);构件为墙体,与空气接触面积大,水分蒸发、散失快;同时,ACI模式没有考虑配筋等可以抑制混凝土收缩的因素。

另外,与传统干硬性混凝土相比,现代预拌混凝土使用的水泥颗粒细度更大(比表面积达350m2/kg～400m2/kg),普遍掺加外加剂、矿物掺合料,泵送施工要求混凝土流动性大等,造成其收缩性能尤其是早期收缩性能与传统干硬性混凝土有明显不同,其中,水泥颗粒细度加大,大流动性导致现代预拌混凝土总收缩量更大,早期收缩发展更快,见图1。

3 结语

需要说明的是,虽然已经有较多的试验及工程实践数据表明现代预拌混凝土的总收缩量变大,且早期收缩发展快(这两点对混凝土施工期间的早期开裂影响尤为严重),但仍然没有足够的数据可以对以上收缩估算模式进行修改,还需要不断的数据积累及理论分析,以期使以上收缩估算模式更完善,更符合我国目前普遍使用的预拌混凝土的实际情况。

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2]汪 澜.水泥混凝土组成、性能及应用[M].北京:中国建材工业出版社,2005.

[3]冯乃谦,顾晴霞.混凝土结构的裂缝与对策[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]匡 烨.混凝土收缩和徐变影响因素分析[J].山西建筑,2008,34(1):173-174.