摘要：以摻礦粉粉煤灰泵送混凝土塑性階段的體積減縮量作為評價泵送混凝土塑性收縮的量化依據(jù)，證實了摻用礦渣微粉與混凝土塑性收縮裂縫有一定的內(nèi)在關(guān)系，尤其是夏季采用25%以上的大摻量用于現(xiàn)澆樓板等薄壁結(jié)構(gòu)混凝土工程，極易引發(fā)混凝土塑性裂縫。通過復(fù)摻粉煤灰能顯著提高泵送礦渣微粉混凝土的抗塑性收縮能力。
關(guān)鍵詞：泵送混凝土；塑性收縮裂縫；礦渣微粉；粉煤灰；塑性收縮率；泌水率
中圖分類號：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001- 702X（2006）10- 0001- 05
0 前言
隨著城市化進(jìn)程的加快，商品預(yù)拌混凝土已得到相當(dāng)規(guī)模的推廣應(yīng)用。然而，商品預(yù)拌混凝土發(fā)展至今，最不容忽視而令人困惑的嚴(yán)重問題，莫過于愈演愈烈廣而伐之的泵送混凝土裂縫問題，已引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。目前，普通C30 泵送混凝土的坍落度已達(dá)180 mm 左右，而過去工地自拌的坍落度小于100 mm 的塑性混凝土卻鮮見裂縫，于是，混凝土大坍落度流動化成了眾矢之的；泵送混凝土普遍摻加粉煤灰，也順理成章地成了致裂因素之一，限制粉煤灰摻量的呼聲漸起?？梢姡杀盟突炷烈l(fā)的裂縫問題，已不僅僅是純粹的學(xué)術(shù)問題，在一定層面上更是落實混凝土產(chǎn)業(yè)發(fā)展如何與環(huán)境資源相協(xié)調(diào)的科學(xué)發(fā)展觀的問題。
近年來，對混凝土塑性收縮致裂的研究已多見報道，但這些文獻(xiàn)偏重于從混凝土塑性收縮的形成機(jī)理、影響因素和防治措施上加以分析論述[1- 3]，并沒給出具體的量化評價，從而無法研判各種影響因素對混凝土塑性收縮的作用程度。鑒于混凝土塑性收縮目前尚無可供借鑒的試驗標(biāo)準(zhǔn)，本文針對泵送混凝土塑性收縮的變形特征，提出了具有一定可操作性、試驗誤差相對較小的方法。并據(jù)此量化研究泵送混凝土塑性收縮的主要影響因素，明晰商品預(yù)拌混凝土發(fā)展中存在的種種困惑和羈絆。
1 泵送混凝土塑性收縮致裂的機(jī)理淺析
泵送混凝土在澆注早期發(fā)生的裂縫大多屬塑性收縮致裂，此類裂縫多見于側(cè)模拆除后施工荷載作用前的混凝土表層開裂。從機(jī)理上分析，塑性收縮致裂與混凝土表層水蒸發(fā)所形成的沿高度方向的水膠比梯度不無關(guān)系。如澆注后風(fēng)速較大、保濕養(yǎng)護(hù)不充分，此類裂縫會迅速發(fā)展延伸。但混凝土塑性收縮和干燥收縮在物化性能上有本質(zhì)的差異?；炷恋姆莿蛸|(zhì)性決定了混凝土澆注后固相顆粒相對沉降，水分遷移蒸發(fā)令毛細(xì)管產(chǎn)生負(fù)壓使混凝土體積收縮?；炷脸两凳湛s的同時伴隨著泌水發(fā)生，兩者使混凝土在塑性階段體積減量，這種體積減量為物理減縮；而混凝土硬化后產(chǎn)生的水化產(chǎn)物體積小于消耗的水泥與水的體積總和，則混凝土硬化后的干燥收縮實為化學(xué)減縮。由于混凝土在塑性階段尚不具備一定的初始結(jié)構(gòu)，無法抵御自身的收縮，當(dāng)混凝土沉降收縮受到鋼筋的約束作用，便導(dǎo)致鋼筋上部的混凝土表層開裂。在柱梁板聯(lián)結(jié)處，因斷面型式?jīng)Q定了鋼筋構(gòu)造和配筋率不同，此處的混凝土便受到程度不等的約束，沉降量不同，極易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。當(dāng)水泥水化產(chǎn)物足以填充并切斷毛細(xì)管道，阻止了固相顆粒的沉降，即宣告混凝土泌水結(jié)束，塑性收縮相對停止。
塑性收縮裂縫好發(fā)于混凝土澆注后1～3 h，分布在沿梁上部、樓板與柱交接處及樓板表層水平鋼筋位置。由于此時混凝土尚未硬化，通過二次抹面，尤其是做好終飾面處理，此類裂縫完全能彌補(bǔ)。作者曾親歷過夏季混凝土地下室頂板澆注后未經(jīng)終飾面處理的早期塑性收縮裂縫置于陽光下曝曬，直至裂縫擴(kuò)大貫穿成“一線天”的嚴(yán)重質(zhì)量事故。從現(xiàn)場頂板混凝土表面可見大量經(jīng)初次抹面形成的弧形劃痕，可以推斷混凝土抹面時，初凝未開始，泌水尚未結(jié)束。經(jīng)向現(xiàn)場作業(yè)人員求證，推斷屬實，抹面僅此一次。在此后的樓層施工中，施工方采納了我方意見，增加抹面次數(shù)并覆蓋養(yǎng)護(hù)，未見塑性裂縫發(fā)生。此外，采用未經(jīng)充分濕潤的木模，或模板支撐剛度不夠，均能加劇混凝土塑性收縮裂縫的發(fā)生?；炷亮芽p的形成往往不是單因素作用的結(jié)果，如果是硬化前產(chǎn)生的塑性收縮裂縫而不發(fā)展，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。但在工程實例中，往往是硬化前產(chǎn)生的塑性裂縫，又繼發(fā)干縮裂縫和溫差裂縫，從而大大降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，判斷混凝土裂縫的形成機(jī)理，必須綜合考量各種因素的疊加作用。
2 泵送混凝土塑性收縮率的量化評價方法
我國混凝土自生變形的測量大多沿用SD 105—1982《水工混凝土試驗規(guī)程》的埋入式應(yīng)變計法，但該法不能檢測到混凝土終凝前的變形，而將一大部分的混凝土自生變形忽略了。雖然，部分學(xué)者已注意到該試驗方法的局限性[4- 5]，在自收縮研究中，基準(zhǔn)零點已提前至混凝土成型后2 h[6]；清華大學(xué)李鵬輝[7]在對微膨脹碾壓混凝土的自生變形研究中，采用了高精度位移傳感器法，能對水泥水化熱自動補(bǔ)償修正，同時也能將混凝土的沉降收縮寓于實測的自生變形之中。但對混凝土塑性收縮率的測定，最有效的方法應(yīng)首推體積應(yīng)變法。上述線應(yīng)變法仍不能直觀地揭示混凝土成型后的經(jīng)時變形特征，且試驗成本昂貴。文獻(xiàn)[5]中介紹了一種體積測量法，即將新拌水泥砂漿灌入橡皮球中并密封浸入水中，如此將水泥砂漿的體積變化轉(zhuǎn)化為橡皮球的體積變化，通過測定試樣的浮力變化得出水泥砂漿的體積變形量。但因水泥砂漿的泌水原因，試樣與橡皮球間不能保持緊密粘合，影響了試驗精度。本研究部分借鑒GB 8076—1997《混凝土外加劑》第5.5.2 條關(guān)于摻外加劑混凝土的泌水率試驗方法。由于泵送混凝土的沉降收縮與泌水同時發(fā)生，且混凝土泌水在臨近初凝前結(jié)束，泌水試驗的整個過程能較直觀地反映泵送混凝土塑性收縮的變化特征。鑒于外加劑品種、摻量、泵送壓力和振搗因素均對混凝土泌水有一定影響，因此，在本研究中剔除這些因素，以水泥、摻合料對泵送混凝土塑性收縮的影響為關(guān)注焦點。試驗方法如下：將坍落度達(dá)（190±5）mm 的流動性混凝土，分3 層裝入1 000 ml 玻璃量筒內(nèi)，裝入時量筒應(yīng)稍加傾斜；每層裝入后，手持量筒置于5 mm 厚的橡膠墊上輕輕顛擊，直至混凝土液面有氣泡溢出，外視量筒側(cè)面無蜂窩孔隙，蓋上玻璃片，讀出混凝土初始體積V0；每隔30 min 用吸管吸出泌水1 次，同時讀出此時混凝土體積量Vt，直至連續(xù)3 次無泌水吸出為止。不同時段的混凝土體積收縮率為：（V0- Vt）/V0×100%，泵送混凝土塑性收縮率即以該體積收縮率表征。泌水率計算方法同該標(biāo)準(zhǔn)。
3 原材料及試驗方案
水泥：采用PII52.5 水泥（比表面積356 m2/kg）和PO42.5水泥，80 μm篩篩余量1.6%，其它性能見表1。
外摻料：分別為普通低鈣灰，45 μm 篩篩余量14.8%；高鈣灰，45 μm 篩篩余量16.8%；礦渣微粉，比表面積424 m2/kg和改性粉煤灰MASAC（商品名），比表面積486 m2/kg，其它性能見表2；碎石：5～20 mm 連續(xù)級配；中砂：細(xì)度模數(shù)2.4；外加劑選用萘系高效減水劑，減水率16%。
鑒于某些外摻料具有一定的減水功能，并兼顧到試驗結(jié)果更貼近于泵送混凝土坍落度實際控制水平，試驗均以等稠度條件下的普通C30 混凝土為基準(zhǔn)。根據(jù)表3 的試驗方案，試驗分六大系列，依此設(shè)為水泥品種、低鈣灰、高鈣灰、礦渣微粉以及這些外摻料的組合疊加和水膠比對泵送混凝土塑性收縮的影響關(guān)系。為排除普通水泥中所含混合材對試驗結(jié)果的影響，除系列1 中采用了PO42.5 水泥外，其余試驗均為PII52.5 水泥。
4 泵送混凝土塑性收縮率的影響因素
4.1 水泥品種
混凝土泌水和塑性沉降是兩個反向運動的物理量，不同時段實測的混凝土體積減縮量應(yīng)為該時段發(fā)生的泌水總量與體積沉降量的絕對值之和，即混凝土體積減縮量總大于該時段發(fā)生的泌水總量。如系列1 的試樣PII52.5 試驗中，當(dāng)泌水總量達(dá)10 ml 時，混凝土體積減縮量為21 ml。2 種不同水泥隨時間發(fā)展的混凝土塑性收縮變化特點如圖1 所示。
系列1 的PII52.5 試樣，試驗中混凝土泌水率與塑性收縮率的遞變規(guī)律，即混凝土泌水率愈大，由此引發(fā)的混凝土塑性收縮率也愈大，見圖2。
已知試驗采用的PO42.5 水泥已摻有一定量的石灰石和粉煤灰，其混凝土塑性收縮率較PII52.5 水泥有所減小。李悅[8]的自收縮研究表明，摻加石灰石和粉煤灰，同樣能減低水泥石的自收縮。目前，水泥廠和相關(guān)的水泥粉磨中轉(zhuǎn)站提供的PO42.5 水泥，其混合材品種和數(shù)量已對技術(shù)人員的混凝土質(zhì)量控制帶來較大難度。部分水泥企業(yè)提供的質(zhì)量保證書與實物質(zhì)量嚴(yán)重不符，礦物組成差異懸殊，致使水泥本身的泌水率起伏不定，這也是當(dāng)前外加劑適應(yīng)性問題愈趨突出的主要誘因。因此，不能籠統(tǒng)地得出用普通水泥配制的混凝土塑性收縮率小于硅酸鹽水泥的結(jié)論。
4.2 水膠比
圖3 為水膠比對泵送混凝土塑性收縮率的影響。
從圖3 可以看出，泵送混凝土塑性收縮率隨水膠比的增大而增大。當(dāng)水膠比小于0.41 時，方能確保用硅酸鹽水泥配制的泵送混凝土塑性收縮率小于1%。王川[9]的試驗表明，當(dāng)水膠比大于0.36，粉煤灰混凝土較易產(chǎn)生塑性開裂；而水膠比小于0.36 對混凝土塑性開裂具有明顯抑制作用。因此，強(qiáng)度等級較低的泵送混凝土，坍落度愈大，泌水率愈大，極易產(chǎn)生塑性變形。在滿足可泵性的前提下，應(yīng)盡可能降低混凝土坍落度。
4.3 外摻料
不同摻量的3 種外摻料與泵送混凝土塑性收縮率的關(guān)系見圖4。
目前泵送混凝土中常用的3 種外摻料對混凝土塑性收縮的影響差異顯著，分析討論如下：
?。?）在25%的常規(guī)摻量下，摻入普通低鈣灰和高鈣灰均能減小泵送混凝土的塑性收縮。以PII52.5 水泥不摻外摻料的混凝土塑性收縮率為基準(zhǔn)，則摻高鈣灰、普通低鈣灰和礦渣微粉的混凝土塑性收縮率依次為71%、86%、105%。
?。?）高鈣灰因燒失量低，需水比小，摻入后混凝土的泌水率最小。同時，高鈣灰中的C3A 含量較高，決定了高鈣灰的早期活性高于普通低鈣灰和礦渣微粉；此外，高鈣灰中的f-CaO，遇水消解，伴隨體積膨脹，起到了一定的補(bǔ)償收縮作用。隨著高鈣灰摻量的提高，這種膨脹作用更加強(qiáng)烈。在50%摻量下，前30 min 內(nèi)未有泌水檢出，混凝土體積未見明顯變化。而摻50%的普通低鈣灰，因混凝土需水量上升, 導(dǎo)致泌水增加，混凝土塑性收縮趨勢增強(qiáng)，但最終塑性收縮率仍小于基準(zhǔn)混凝土。嚴(yán)捍東[10]通過對摻高鈣灰和摻普通低鈣灰水泥膠砂的干縮和自收縮試驗分析，也證明了高鈣灰中的f- CaO 水化的確可補(bǔ)償水泥膠砂早期的塑性收縮，對低水膠比水泥膠砂自收縮的補(bǔ)償作用更加明顯。
?。?）摻礦渣微粉的泵送混凝土塑性收縮率隨礦渣微粉摻量的提高而顯著增大，表明大摻量礦渣微粉泵送混凝土的塑性致裂趨勢增強(qiáng)。現(xiàn)有關(guān)于新拌礦渣微粉混凝土性能的論述中，大量的觀點趨同。普遍認(rèn)為目前摻礦渣微粉混凝土的泌水性能較傳統(tǒng)的礦渣水泥已明顯改善[11]。這是因為礦渣水泥中的礦渣顆粒細(xì)度很難磨細(xì)到與水泥顆粒同等水平，除一部分較細(xì)的礦渣顆粒能發(fā)揮一定的活性外，其余的礦渣顆粒僅起微集料填充效應(yīng)?，F(xiàn)今的礦渣微粉，比表面積較大，摻加后混凝土粘聚性增強(qiáng)，改善了混凝土的保水性能。田培[12]的論述指出：“平滑致密吸附性較水泥顆粒差的磨細(xì)礦渣混凝土，可能會使泌水增大。但泌水與取代水泥的磨細(xì)礦渣的細(xì)度有關(guān)，若磨細(xì)礦渣的比表面積大于水泥，則泌水有可能減少。磨細(xì)礦渣的比表面積越大，減少泌水的效果越明顯”。迄今為止，未見有關(guān)摻礦渣微粉混凝土泌水性能的基礎(chǔ)試驗結(jié)果，大量的論述僅僅是縱向的理論化的定性推斷。從圖5 的泌水率試驗結(jié)果可以看出，在外摻料25%摻量及等流動度條件下的泵送混凝土泌水率大小依次為：礦渣微粉>普通低鈣灰>高鈣灰，其中礦渣微粉混凝土的泌水率超出了用硅酸鹽水泥配制的基準(zhǔn)混凝土。
?。?）摻外摻料混凝土的保水性能由外摻料本身的顆粒形貌決定。由于粉煤灰中的球形顆粒含量高，這些玻璃體微珠表面光滑圓潤，質(zhì)地致密，摻入后混凝土流動性、保水性較好；而磨細(xì)礦渣微粉顆粒形狀不規(guī)則，多棱角，采用立磨磨制的礦渣微粉還具有顆粒分布窄，細(xì)顆粒少，且?guī)в嗅樒瑺?，引起混凝土需水量上升，泌水增大[13]，直接導(dǎo)致了礦渣微粉混凝土塑性收縮率的增大。
?。?）礦渣微粉顆粒的表面物理化學(xué)惰性，決定了摻入后對外加劑吸附量小，即不存在對外加劑的適應(yīng)性問題，因此，夏季高溫條件下，采用30%以上的大摻量礦渣微粉用于梁板柱等上部結(jié)構(gòu)的混凝土配比設(shè)計非常普遍，如施工養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，極易誘發(fā)混凝土塑性裂縫，而夏季又恰恰是樓板開裂的高發(fā)期。所以，對于表面模數(shù)較大的薄壁結(jié)構(gòu)，因蒸發(fā)量大，在夏季應(yīng)適當(dāng)限制礦渣微粉的摻量。
5 提高泵送礦渣微粉混凝土抗塑性收縮能力的工藝措施
5.1 混凝土配比設(shè)計
選擇具有一定引氣組分的外加劑，在泵送混凝土中引入穩(wěn)定性較好、分布均勻的封閉氣孔，減小固相顆粒的沉降速度，切斷泌水通道。對上部結(jié)構(gòu)的混凝土配比，應(yīng)選用凝結(jié)時間適中的泵送劑，適當(dāng)控制礦渣微粉摻量。如過度緩凝將延遲水泥水化進(jìn)程，水化產(chǎn)物不足以填充切斷泌水通道，增加泌水量。
通過復(fù)合摻加粉煤灰，是改善礦渣微粉混凝土泌水性能，提高其抗塑性收縮能力的最佳技術(shù)路徑。表4 和圖6 顯示，在確?；炷翉?qiáng)度及摻合料總量不變的條件下，摻入顆粒形貌較好的粉煤灰能大幅度降低礦渣微粉混凝土的塑性收縮率。摻入普通低鈣灰、高鈣灰和改性粉煤灰MASAC 后，混凝土塑性收縮率分別減小44%、56%和78%，其中又以高鈣灰和改性粉煤灰MASAC 效果最佳。
改性粉煤灰MASAC 是以普通粉煤灰為基料，輔以少量激發(fā)劑經(jīng)磨細(xì)比表面積達(dá)400 m2/kg 以上的活性摻合料，其性能符合GB/T 18736—2002 《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》要求。由于其細(xì)度比S95 級礦渣微粉更細(xì)，補(bǔ)充了礦渣微粉中細(xì)顆粒含量的不足，提高了水泥- 礦渣微粉- 改性粉煤灰復(fù)合膠凝體系在細(xì)微觀層次上的自然堆積密度，阻止了固相顆粒的沉降，減少了拌合物需水量，同時由于改性粉煤灰的表面活化和化學(xué)激發(fā)作用，誘導(dǎo)并提高粉煤灰顆粒的水化能力，較早地切斷混凝土中的泌水通道。從圖5 中也可看出，礦渣微粉和粉煤灰復(fù)摻明顯降低了混凝土的泌水率。
5.2 施工養(yǎng)護(hù)
商品預(yù)拌混凝土公司有責(zé)任向施工單位提供其商品混凝土的初終凝時間等技術(shù)數(shù)據(jù)，以便施工方掌控抹面時間。但切忌抹面時過度提漿，否則也容易產(chǎn)生塑性裂縫；對高大的梁、墻板等混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用分層澆搗工藝，每層應(yīng)充分搗實，且每層澆搗的間隔時間應(yīng)以前次振搗的混凝土充分沉降和泌水為宜；夏季樓層施工盡可能安排在晚上進(jìn)行，以減少水分蒸發(fā)量，同時施工單位應(yīng)有防止風(fēng)吹曝曬等造成混凝土塑性裂縫的措施。
6 結(jié)語
本文以泵送混凝土塑性階段的體積減縮率作為評價泵送混凝土塑性收縮的量化依據(jù)，具有簡便可行，易于操作，直觀性強(qiáng)等特點，同時試驗成本低廉，適于推廣應(yīng)用。但試驗方法尚需完善，如有專用的透明變徑容量杯，則可進(jìn)一步提高試驗精度。泵送混凝土塑性收縮率與混凝土泌水率顯著相關(guān)，泵送混凝土泌水率愈大，塑性收縮率也愈大，由此產(chǎn)生混凝土塑性收縮裂縫的幾率加大。用不同水泥品種配制的泵送混凝土塑性收縮率差異顯著，混合材為火山灰性質(zhì)的，如粉煤灰、煤矸石普通水泥，其塑性收縮率小于硅酸鹽水泥；泵送混凝土塑性收縮率隨水膠比增大而增大，對強(qiáng)度等級較低的泵送混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制坍落度。
在泵送混凝土塑性收縮率的影響因素中, 其作用程度由強(qiáng)至弱依次為：外摻料>水膠比>水泥品種。在常用的普通低鈣灰、高鈣灰和礦渣微粉這3 種摻合料中，礦渣微粉對泵送混凝土塑性收縮率的影響最顯著，而普通低鈣灰和高鈣灰均能在常規(guī)摻量下減小泵送混凝土的塑性收縮率，其中高鈣灰對混凝土塑性收縮具有明顯的補(bǔ)償作用。在夏季，25%以上的大摻量礦渣微粉用于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，在各種不利因素組合下，極易出現(xiàn)塑性裂縫。
解決泵送礦渣微粉混凝土塑性收縮開裂的最佳技術(shù)途徑，是發(fā)展高性能混凝土，大摻量使用形貌效應(yīng)較好、有一定減水作用的優(yōu)質(zhì)磨細(xì)粉煤灰, 避免在上部結(jié)構(gòu)中大摻量單獨使用礦渣微粉；在外摻料摻量不變的條件下，分別加入普通粉煤灰和高鈣灰，能使混凝土的塑性收縮率降低44%和56%，從而顯著提高泵送礦渣微粉混凝土抗塑性收縮能力；對于采用雙摻礦渣粉煤灰的泵送混凝土，在滿足混凝土設(shè)計強(qiáng)度的前提下，應(yīng)最大限度地提高粉煤灰的復(fù)摻比率?；炷了苄允湛s不可避免，但塑性裂縫在一定程度上可以彌補(bǔ)。其關(guān)鍵在于設(shè)計、施工和材料各方面對混凝土塑性收縮的形成機(jī)理達(dá)成共識，針對性地采取切實可行的措施。
在以耐久性為標(biāo)志的高性能混凝土研究中, 應(yīng)以提高混凝土的體積穩(wěn)定性為第一要素。只有確?；炷羶?yōu)異的體積穩(wěn)定性，才能承載高性能混凝土所具備的高耐久性。撇開混凝土的體積穩(wěn)定性而奢談耐久性，是當(dāng)前高性能混凝土研究中的一大忌。同時應(yīng)致力于提高并改善常規(guī)細(xì)度下礦渣微粉的顆粒形貌工藝研究，提高礦渣微粉的球形系數(shù)，改善礦渣微粉顆粒表面的物化惰性，以充分發(fā)揮礦渣微粉的高活性。
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