減縮劑對碾壓混凝土的減縮作用研究
2006-02-13 00:00
摘要：減縮劑對碾壓混凝土減縮作用的室內(nèi)試驗表明，減縮劑可改善碾壓混凝土的物理力學(xué)性能，減小其干縮，可提高其抗裂性能。
關(guān)鍵詞：減縮劑；干縮；抗裂性能；碾壓混凝土
Shr inkage effect of shr inkage reduc ing agen t on RCC
ZHONGWei hua， LU Cai rong
(N anjing Hydraulic Research Institute， N anjing 210029， Ch ina)
Abstract：Indoor test results of shrinkage effect of shrinkage reducing agent on RCC ( roller compacted concrete) show that the shrinkage reducing agent can imp rove RCC′s physical and mechanical performance， reduce its shrinkage and strengthen its crack resistance.
Key words：shrinkage reducing agent：dry shrinkage：crack resistance performance：roller compacted concrete
近年來，碾壓混凝土及其筑壩技術(shù)得到了快速的發(fā)展，越來越多的中高重力壩，以及拱壩、薄拱壩甚至高薄拱壩采用了碾壓混凝土澆筑，壩體結(jié)構(gòu)上也由最初的內(nèi)部為碾壓混凝土外包常態(tài)混凝土向全碾壓混凝土壩發(fā)展。 在壩體的橫縫設(shè)置上，碾壓混凝土壩體及其防滲體逐漸趨向于不分縫或盡量少分縫。 在混凝土材料方面，早期多采用低膠凝材料，為改善碾壓混凝土層間結(jié)合的質(zhì)量，現(xiàn)已多采用高膠凝材料的富漿碾壓混凝土。 早期混凝土摻合料主要為粉煤灰，由于部分工程壩址附近缺乏可用的粉煤灰，現(xiàn)已開始采用一些新型摻和料(如PT摻合料及磨細磷礦渣粉和磨細石灰石粉復(fù)合摻合料等)。 在施工條件方面，早期要求在低溫季節(jié)施工，以避開高溫，現(xiàn)正逐漸發(fā)展為全年施工。
碾壓混凝土拱壩要求混凝土具有更高的強度和抗裂能力，而且為保證混凝土碾壓層間結(jié)合的質(zhì)量，需增加混凝土膠材用量，由此會增大混凝土收縮：許多新型摻合料的應(yīng)用也會增大碾壓混凝土的收縮，不利于碾壓混凝土的抗裂性能。 在高溫多風(fēng)的氣候條件下施工，還應(yīng)使混凝土的干縮更小，否則極易發(fā)生表面干縮裂縫。 全碾壓混凝土壩通常采用加漿碾壓混凝土作為壩的防滲體面層，為保證防滲體的防滲、抗凍能力，同時減小防滲體混凝土與內(nèi)部碾壓混凝土變形性能的差異，則要求降低防滲體加漿混凝土的收縮變形。減縮劑( Shrinkage Reducing Agent)是近年來出現(xiàn)的一種較為新穎的改善混凝土收縮性能的外加劑，于1982年由日產(chǎn)水泥公司和三洋( Sanyo)化學(xué)工業(yè)公司首先研制成功。 隨后，日本、美國對減縮劑進行了廣泛深入的研究，已進入了工程應(yīng)用階段，并主要用在常態(tài)混凝土的配制和施工中[ 1 ] 。 本文通過室內(nèi)試驗研究減縮劑對碾壓混凝土收縮抗裂性能的影響。
1 室內(nèi)試驗用原材料
室內(nèi)試驗用原材料包括云南建峰水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，云南宣威發(fā)電廠的Ⅱ級粉煤灰(品質(zhì)檢驗結(jié)果見表1) ，磨細磷礦渣和磨細石灰石粉按1z 1復(fù)合的新型摻合料(品質(zhì)檢驗結(jié)果見表2)。 混凝土粗、細骨料均為云南臥馬河人工料場的人工骨料(粗骨料分5～20 mm、20～40 mm兩種粒級) ，四川成都全力混凝土外加劑有限公司的FDN高效減水劑(萘系)和上海麥斯特建材有限公司生產(chǎn)的SP - 8型高效減水劑(聚羧酸系) ，松香熱聚物AE引氣劑，以及日本生產(chǎn)的AS20和國內(nèi)開發(fā)的JM - SRA型減縮劑。針對AS20型減縮劑分別采用內(nèi)摻法和滲透法(混凝土表面涂刷)兩種方法進行試驗。
表1 粉煤灰品質(zhì)檢驗結(jié)果
Tab. 1 Quality test results of fly ash
表2 磨細磷礦渣粉和磨細石灰石粉的品質(zhì)指標
Tab. 2 Quality indexes of the blast furnace slag and limestone powder
2 減縮劑對碾壓混凝土性能的影響
2. 1 室內(nèi)試驗用碾壓混凝土材料用量
配制的試驗用碾壓混凝土的強度等級為C15 (90 d齡期) ，混凝土拌合物VC值控制在6～8 s。 參照現(xiàn)行行業(yè)標準《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》( SL48 - 94)和《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL /T5150 - 2001)進行試驗。試驗用碾壓混凝土的材料用量見表3。
表3 試驗用每方碾壓混凝土的材料用量
Tab. 3 Materialweight of every cubic meter of the tested RCC
注：①N - 0為不摻減縮劑的對比組：②N - 6組的材料用量雖與N - 0組相同，但因采用了AS20減縮劑并用二次滲透法進行試驗，即在拆模以后、7 d干縮齡期時，兩次在試件表面噴涂AS20減縮劑，故AS20減縮劑對混凝土拌和物的物理力學(xué)性能影響不大，主要研究其對碾壓混凝土干縮及抗裂性能的影響。
2. 2 碾壓混凝土拌合物性能試驗
通過試驗得出的減縮劑對碾壓混凝土拌合物的VC值、含氣量、混凝土重度等指標見表4。 試驗結(jié)果表明，在保持碾壓混凝土拌合物相同的VC值情況下，摻入減縮劑之后，混凝土用水量均有所降低(即水膠比均降低) ，說明減縮劑作用于碾壓混凝土可起到增加漿體液相濃度和混凝土分散性的作用。 摻入減縮劑之后，碾壓混凝土含氣量稍有下降，還能增加混凝土重度。 含氣量的降低和重度的增加將直接影響到碾壓混凝土的物理力學(xué)性能。
表4 碾壓混凝土拌合物性能試驗結(jié)果
Tab. 4 Performance of RCC mix
2. 3 碾壓混凝土物理力學(xué)性能試驗
減縮劑以及摻合料、高效減水劑的不同摻量情況下，碾壓混凝土7 d、28 d和90 d的抗壓強度，以及90 d的劈裂抗拉、軸向拉伸、軸心抗壓強度、靜力抗壓彈模等的試驗結(jié)果見表5。 其中，軸向拉伸試驗采用現(xiàn)行行業(yè)標準《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》( SL48 - 94)中的b型試件：軸向拉伸和靜力抗壓彈模試驗中均采用電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀測量變形。
表5 碾壓混凝土物理力學(xué)性能試驗結(jié)果
Tab. 5 Physical and mechanical p roperties of RCC
由表5可見，碾壓混凝土摻入減縮劑后，由于混凝土含氣量的降低和水膠比的下降，使表5中碾壓混凝土的各項物理力學(xué)性能得到了不同程度的改善。 此外，碾壓混凝土拌合物性能和抗壓強度試驗結(jié)果表明，JM - SRA減縮劑與不同摻合料、不同骨料和不同外加劑均有良好的適應(yīng)性，故對碾壓混凝土的工作性能和抗壓強度有改善作用。 不同摻合料的對比試驗表明，采用磷礦渣粉+石灰石粉復(fù)合摻合料的碾壓混凝土早期抗壓強度較高，而采用單摻粉煤灰的碾壓混凝土后期抗壓強度較高，減縮劑的摻入對不同摻合料的活性發(fā)揮無明顯影響。
2. 4 碾壓混凝土干燥收縮試驗
碾壓混凝土干燥收縮試驗結(jié)果見圖1。 N - 0，N - 1和N - 2組的試驗結(jié)果表明， JM - SRA和AS20型兩種減縮劑對碾壓混凝土的干縮性能均有明顯的改善作用。 摻量均為2%時，在28 d齡期以內(nèi)AS20和JM -SRA的減縮效果接近，但后期JM - SRA的減縮效果優(yōu)于AS20。 與N - 0對比組相比， JM - SRA早期可減小干縮約60% ， 90 d齡期時可減小干縮35%以上。 N - 0，N - 1，N - 3和N - 4組的試驗結(jié)果表明， JM - SRA減縮劑與摻合料磷礦渣粉+石灰石粉同時使用，碾壓混凝土早期可減小干縮40%左右， 90 d齡期時可減小干縮25%以上。 N - 0，N - 2和N - 6組的試驗結(jié)果表明，AS20減縮劑用內(nèi)摻法時，使1～3 d齡期的碾壓混凝土可減小干縮約60%， 90 d齡期時可減小干縮約30%：用二次滲透法時，使1～3 d齡期的碾壓混凝土可減小干縮40% ～60% ，隨著齡期的增長，減縮效果逐漸下降， 90 d齡期可減小干縮約10%。
圖1 減縮劑對碾壓混凝土收縮的影響
Fig. 1 Influence of shrinkage reducing agenton shrinkage of RCC
3 碾壓混凝土的減縮對其抗裂性能的影響
為比較因減縮劑的摻入對碾壓混凝土在早期塑性收縮下的抗裂性能，采用平板試件法[ 2 ]進行了濕篩砂漿的收縮開裂試驗，以測定砂漿及混凝土塑性收縮裂縫。 試驗裝置見圖2。 試件澆注于尺寸為600 mm ×600 mm ×20 mm的木模內(nèi)，木模底板與四周涂襯聚乙烯塑料薄膜，以防止木模吸水，并減少木模底部對試件收縮變形的影響。 木模四周固定著一圈寬40 mm、網(wǎng)眼2 mm并沿其中線彎折90°的鋼絲網(wǎng)，然后，用圖釘將鋼絲網(wǎng)固定在離木模四周約20 mm處，用于限制收縮變形。
圖2 碾壓混凝土濕篩砂漿收縮開裂試驗裝置示意圖(單位:mm)
Fig. 2 Test device of shrinkage cracking on RCC wet sievingmortar ( unit:mm)
將混凝土拌和物中粒徑大于5 mm的骨料篩除后，將濕篩的砂漿裝入試模，振實抹平后，立即以大于5 cm / s的風(fēng)速吹試件表面，以加速試件表面水份蒸發(fā)，試驗溫度為25 ℃，相對濕度為60 ±5%。 連續(xù)吹風(fēng)24 h，記錄試件表面的裂縫數(shù)目、寬度和長度。 根據(jù)濕篩砂漿開裂情況，計算以下a， b和c 3個裂縫參數(shù)，并根據(jù)這3個裂縫參數(shù)來評定砂漿試件的早期抗裂性能。
(1) 平均開裂面積a =1/2N ∑WiLi (mm2 )
(2) 單位面積開裂裂縫數(shù)目b = N /A (條/m2 )
(3) 單位面積上的總開裂面積c = ab (mm2 /m2 )
其中：Wi 為第i條裂縫的最大寬度(mm) ；Li 為第i第裂縫的長度(mm) ；N 為裂縫總數(shù)目(條) ；A 為試件面積(本試驗為0. 36 m2 )。
根據(jù)碾壓混凝土拌和物性能的試驗結(jié)果，選擇了N - 0，N - 1，N - 3，N - 4和N - 6五組進行濕篩砂漿的收縮開裂試驗，其試驗結(jié)果見表6。
表6 碾壓混凝土濕篩砂漿收縮開裂試驗結(jié)果
Tab. 6 Test results of shrinkage cracking on RCC wet sievingmortar
N - 0和N - 3組在面板上均出現(xiàn)裂縫，裂縫位置均位于平板面的4個角上，裂縫寬度小于0. 5 mm。 分析裂縫參數(shù)可知，不同的摻合料對于碾壓混凝土的早期抗裂性能有較大影響。 與采用磷礦渣粉+石灰石粉作為摻合料相比，摻入粉煤灰的碾壓混凝土裂縫數(shù)目雖然稍多，但裂縫長度和裂縫寬度均較小，其平均開裂面積a與單位面積的總開裂面積c也較小，說明早期塑性收縮較小，抗裂性能較好。 而摻入JM - SRA減縮劑和采用AS20滲透法的N - 1，N - 4和N - 6各組均未發(fā)現(xiàn)裂縫，表明摻入減縮劑以后能明顯控制砂漿的塑性收縮，可提高砂漿和碾壓混凝土的抗裂性能。
4 結(jié) 語
(1)在碾壓混凝土中摻入減縮劑可改善其工作性能，在保持混凝土拌合物相同VC值的情況下，可適當減少其用水量，降低水膠比。 減縮劑的摻入會降低碾壓混凝土拌合物的含氣量。 水膠比和含氣量的降低會增大混凝土重度。
(2)減縮劑的摻入對碾壓混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉、軸向拉伸性能、軸心抗壓強度、靜力抗壓彈模等均有不同程度的改善作用。
(3)減縮劑的內(nèi)摻法和滲透法均能減小碾壓混凝土的干燥收縮。 干縮的減小可導(dǎo)致碾壓混凝土收縮應(yīng)力的減小，從而減少因混凝土表面失水而引起的干縮裂縫。
(4)減縮劑的內(nèi)摻法和滲透法均能減少碾壓混凝土濕篩砂漿的早期塑性收縮裂縫，故可提高碾壓混凝土的抗裂性能。
參 考 文 獻：
[ 1 ] 劭正明， 張 超， 等. 國外減縮劑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[ J ]. 混凝土， 2000， (10) ：60 - 63.
[ 2 ] Kraai， Paul P. A Proposed Test to Determine the Cracking Potential Due to Drying Shinkage of Concrete [ J ]. Concrete Construction， 1985， 30 (9) ：775 - 778.
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