施得銀 （中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040）

1 引言

混凝土由于水分散失引起體積減小的現(xiàn)象稱之為干燥收縮，是砂漿或漿體在恒溫及相對(duì)濕度的情況下，因?yàn)樗值纳⑹?dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)體積隨著齡期的增大而減小的現(xiàn)象。干燥收縮在整個(gè)混凝土結(jié)硬過程中持續(xù)加強(qiáng)，28d 后收縮依然進(jìn)行，還有可能繼續(xù)收縮若干年甚至幾十年。研究發(fā)現(xiàn)干縮往往是形成混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的關(guān)鍵因素，且干縮裂縫成因復(fù)雜，與施工、設(shè)計(jì)、環(huán)境條件及材料方面聯(lián)系緊密，使此類問題不易解決?；炷潦欠窬哂袃?yōu)良的抗裂性能會(huì)直接影響到整體結(jié)構(gòu)的安全，在大面積混凝土樓板中，必須對(duì)裂縫進(jìn)行嚴(yán)格控制。不同形態(tài)的裂縫通常是由于不同的原因引起，總體可以分為兩大類：第一類是由各種外荷載，如靜荷載、動(dòng)荷載和其它荷載形式直接引起的；第二類是使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形引起的，如溫度作用、自身收縮以及沉降等因素[1-2]。

現(xiàn)澆樓板出現(xiàn)裂縫并非是由第一類荷載因素占主導(dǎo)作用引起的，大量裂縫是由第二類非荷載因素作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形，第二類非荷載因素引起的裂縫占裂縫總數(shù)的比例高達(dá)80%以上[3]。目前的研究中，對(duì)于第一類荷載引起的裂縫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有詳盡的理論與計(jì)算過程，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以對(duì)第一類因素引起的裂縫進(jìn)行控制。非荷載因素中的水膠比、礦物摻量、外加劑和溫度變化等等都有可能引起現(xiàn)澆混凝土樓板出現(xiàn)裂縫。因此混凝土裂縫是工程建設(shè)的焦點(diǎn)問題，對(duì)非結(jié)構(gòu)荷載因素下開裂機(jī)理及防裂技術(shù)深化研究具有很大社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 研究背景與現(xiàn)狀

2.1 研究背景

本項(xiàng)目為皖西經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)校原址新建工程，項(xiàng)目總體規(guī)劃用地范圍為北臨水門塘路、南至新店路、西起蓼東大道、東至淮河大道，其中新規(guī)劃用地中，自用地西北角至用地東南角為一現(xiàn)狀灌溉明渠（兼有部分泄洪功能），老校區(qū)位于該渠的西南側(cè)，目前正在使用中，需等新校區(qū)建設(shè)完成將老校區(qū)搬遷后才方可進(jìn)行拆除新建。項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括學(xué)生公寓樓、學(xué)生食堂綜合樓、學(xué)生食堂綜合樓A、圖書行政綜合樓、培訓(xùn)中心理實(shí)一體教學(xué)樓等，起重圖書館地下室頂板平面尺寸達(dá)93m×84m，樓板混凝土澆筑防開裂是項(xiàng)目的重點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)。

主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆混凝土樓板存在開裂現(xiàn)象。后續(xù)安排技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場檢測，經(jīng)實(shí)測現(xiàn)澆混凝土樓板均有裂縫產(chǎn)生，且分布區(qū)域廣、數(shù)量多。圖1為現(xiàn)場樓板裂縫照片。

圖1 現(xiàn)場實(shí)測混凝土樓板裂縫

2.2 研究現(xiàn)狀

混凝土樓板裂縫產(chǎn)生的原因較多，根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際條件，主要分為以下三點(diǎn)。

①配合比。目前在混凝土樓板的配合比中，水膠比和粉煤灰的摻量都會(huì)影響樓板后期裂縫的產(chǎn)生。任增洲[4]研究水膠比對(duì)混凝土開裂情況的影響，發(fā)現(xiàn)太高或太低的水膠比都會(huì)加劇混凝土裂縫的產(chǎn)生，認(rèn)為最有效的措施是合理控制混凝土內(nèi)部水分含量，對(duì)養(yǎng)護(hù)環(huán)境提出一定要求。

②養(yǎng)護(hù)環(huán)境。溫度很大程度上會(huì)影響到混凝土樓板收縮，溫度過高或過低都會(huì)使混凝土樓板的表面和內(nèi)部的溫度有較大差異，由于內(nèi)部溫度場的變化，裂縫的產(chǎn)生也不足為奇。蔡秀敏[5]研究了摻粉煤灰的混凝土在不同溫度下的收縮規(guī)律，溫度的提高不利于混凝土的收縮，且加載齡期越長，對(duì)混凝土收縮越不利。

③摻和材料。對(duì)于普通的混凝土來說，添加一定的摻和材料可以大大改善混凝土樓板的性能。夏錦紅[6]等研究粉煤灰摻量對(duì)混凝土裂縫的影響，粉煤灰用量的增加會(huì)減小混凝土的收縮從而減少混凝土的裂縫。同時(shí)，合理的骨料配置會(huì)穩(wěn)固混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度，減緩內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。劉蒨等[7]研究了礦物摻和料和纖維對(duì)混凝土干縮的影響情況，發(fā)現(xiàn)礦物成分和纖維共同摻加會(huì)顯著減小混凝土的收縮。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的膠結(jié)材料為42.5 型普通硅酸鹽水泥，摻合料為粉煤灰和鋼纖維，減水劑為聚羧酸酯醚基高效減水劑，細(xì)骨料為普通河沙，粗骨料為粒徑5-31.5 的碎石。詳細(xì)信息如表1～表5 所示。

表1 水泥的物理特性

表2 粉煤灰的物理特性

表3 砂的物理特性表

表4 碎石的物理特性

表5 鋼纖維的物理特性

試驗(yàn)按照水膠比和砂率分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組。將水膠比從0.35 各增大、減小0.03，砂率從0.32 各增大、減小0.03。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ每組試驗(yàn)中根據(jù)鋼纖維的摻入情況，將混凝土試驗(yàn)另分為三個(gè)小組，其中不含鋼纖維的混凝土試樣為A、D、G組；含體積分?jǐn)?shù)為0.5%鋼纖維纖維的混凝土試樣為B、E、H 組；含有體積分?jǐn)?shù)為1%鋼纖維的混凝土試樣為C、F、I 組。每小組采用10%、25%以及30%摻量的粉煤灰，分別在溫度（20±2）℃、和（40±2）℃條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ每組內(nèi)各小組配合比組成材料的絕對(duì)體積之和不變。試樣分組和配比如表6～表8 所示。

表6 水膠比0.38 砂率0.29

表7 水膠比0.35砂率0.32

表8 水膠比0.32 砂率0.35

3.2 試驗(yàn)方法

干縮試驗(yàn)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）進(jìn)行，采用100mm×100mm×515mm 的長方體試樣。澆筑前在試模中埋入金屬測頭，澆筑時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行充分振搗，成型后帶模養(yǎng)護(hù)。構(gòu)件達(dá)到1d 齡期后進(jìn)行拆模和編號(hào)，之后立即送入T=（20±2）℃、H=98%的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。構(gòu)件達(dá)到3d 齡期后從養(yǎng)護(hù)室內(nèi)移出，按照編號(hào)分別轉(zhuǎn)移至T=（20±2）℃、H=（60±5）% 和T=（40±2）℃、H=（60±5）%的干縮室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使用混凝土收縮膨脹儀測得其初始讀數(shù)后按下列齡期進(jìn)行測量：1d、3d、7d、14d、21d、28d、35d、42d、49d、60d。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 水膠比對(duì)混凝土干燥收縮的影響

取鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0%，在T=（20±2）℃、H=（60±5）%養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探究0.32、0.35、0.38 三個(gè)水膠比對(duì)混凝土收縮的影響情況。結(jié)果如圖2所示。

圖2 表明：當(dāng)粉煤灰摻量＝10%、水膠比從0.32 至0.38 時(shí)，混凝土的干縮隨著水膠比的增大而減小；而當(dāng)粉煤灰摻量＝20%、30%、隨著水膠比從0.38 減小至0.32時(shí)，混凝土的干縮也相應(yīng)減小。

圖2 不同摻量粉煤灰下水膠比對(duì)混凝土干縮的影響情況

3.3.2 粉煤灰摻量、鋼纖維摻量對(duì)混凝土干燥收縮的影響

取水膠比＝0.35、在T=（20±2）℃、H=（60±5）%養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試樣，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探究粉煤灰摻量＝10%、20%和30%以及鋼纖維體積摻量等于0%、0.5%和1%對(duì)混凝土收縮的影響情況。結(jié)果如圖3所示。

圖3 表明，無論粉煤灰的摻量是多少，鋼纖維的摻入可以有效地減小混凝土的收縮，但鋼纖維體積摻量從0%至0.5%時(shí)，鋼纖維減小混凝土干縮的效果比較明顯；從0.5%至1%時(shí)，減小混凝土干縮的效果不高。同時(shí)，隨著粉煤灰摻量從10%至30%時(shí)，混凝土的干縮隨之減小。

圖3 不同摻量粉煤灰下鋼纖維體積摻量對(duì)混凝土干縮的影響情況

3.3.3 溫度對(duì)混凝土干燥收縮的影響

取水膠比＝0.35、鋼纖維摻量＝0%和0.5%的試樣，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究在（20±2）℃和（40±2）℃條件下混凝土各齡期的干燥收縮，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同鋼纖維摻量的混凝土在不同溫度下的干縮

圖4 表明，當(dāng)粉煤灰的摻量在10%至30%時(shí)，溫度升高會(huì)使混凝土前期產(chǎn)生的干縮較大，同時(shí)也提高了干縮速度。當(dāng)齡期達(dá)到10d 左右時(shí)，在（40±2）℃養(yǎng)護(hù)下的混凝土干縮速率開始減弱且趨于平緩，而在（20±2）℃養(yǎng)護(hù)下的混凝土干縮率始終呈現(xiàn)上升并要超過在（40±2）℃養(yǎng)護(hù)下混凝土干縮率的趨勢。由于溫度升高使混凝土內(nèi)部的水分在前期消耗過快，濕度隨之降低，當(dāng)混凝土發(fā)展至后期時(shí)，由于水分含量較低，使得干縮變慢。同時(shí)在（40±2）℃養(yǎng)護(hù)下的混凝土干縮的發(fā)展趨勢與鋼纖維的是否摻入并無顯著聯(lián)系，但鋼纖維的摻入減小了混凝土的干縮值。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)混凝土試樣共計(jì)54 組，從水膠比、粉煤灰摻量、鋼纖維摻量和溫度四個(gè)方面研究混凝土的干縮規(guī)律，在0d～60d 內(nèi)對(duì)試樣的收縮情況進(jìn)行記錄分析，總結(jié)出以下結(jié)論。

①水膠比對(duì)混凝土干縮的影響與粉煤灰摻量有關(guān)。當(dāng)粉煤灰摻量為20%和30%時(shí)，混凝土的干縮會(huì)隨著水膠比減小而減??；當(dāng)粉煤灰摻量等于10%，混凝土的干縮會(huì)隨著水膠比的增大而減小，粉煤灰摻量在10%～20%應(yīng)該存在臨界值。

②粉煤灰對(duì)混凝土干縮的影響與其自身摻量有關(guān)，與水膠比大小無關(guān)。粉煤灰摻量的增加能使混凝土的干縮值逐漸減小，這種減小在混凝土早期更加明顯。

③鋼纖維是否摻入對(duì)混凝土的干縮影響較大，其摻量對(duì)混凝土的干縮影響較小。鋼纖維的摻入能夠有效減小混凝土的干縮值，與粉煤灰摻量無明顯聯(lián)系，但減小效果高于粉煤灰，同時(shí)鋼纖維摻量雖然增加，其對(duì)干縮的減小幅度較低。

④溫度對(duì)混凝土早期干縮的影響較大。高溫會(huì)使混凝土早期迅速產(chǎn)生較大的干縮，但后期干縮總值卻會(huì)降低。同時(shí)溫度對(duì)混凝土干縮的影響趨勢與鋼纖維的摻入無明顯聯(lián)系。