养护剂对道路混凝土早期开裂的影响.pdf

2 0 1 2 年 第 1 O期 (总 第 2 7 6 期 ) Nmn b c r 1 0 i n 2 0 1 2 ( T o ml No 2 7 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNoLoGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 1 0 0 3 9 养护剂对道路混凝土早期开裂的影响 张艳聪 ，高玲玲 z ，田波 s ，申俊敏 ( 1 山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室 ，山西 太原 0 3 0 0 0 6 ； 2 山西水利职业技术学院，山西 运城 0 4 4 0 0 4 ；3 交通运输部公路科学研究院，北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘要： 针对道路混凝土早期开裂现象， 设计蒸发率、 早期开裂试验对 3 种养生剂进行比较 ， 研究养生剂对混凝土硬化阶段水分散失和 早期裂缝形成的影响。 研究表明： 养生剂对混凝土不但起到了保湿作用， 还缩短了其水分散失的时间进程， 对混凝土裂缝的数量、 长度和 宽度均有明显的抑制作用。 关键词 ： 道路工程 ；道路 混凝土 ；蒸发率 ；开裂 ；养生剂 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 O ( 2 O 1 2 ) l 0 0 1 2 4 0 4 Effec t o f cu r i ng a ge nt s on e ar l y c r ac k i ng o f r o ad c on c r e t e ZHANG Yan - c o n g ， GAOLi n g- l in g ， T I AN Bo3 , S HE N J u n - mi n ( 1 S h a n x i P r o v i n c i a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Co mmu n i c a t i o n ， K e y L a hnmt o r y o f C o n s t r u c t i o n a n d Ma int e n a n c e i n L o e s s Re g i o n ， T a iy u a n 0 3 0 0 0 6 ， Ch i n a ； 2 S h a n x i C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l C o l l e g e ， Y u n c h e n g 0 4 4 0 0 4 ， C h i n a ； 3 R e s e a r c hI n s t i tut e o f Hi g h wa y ， Mi n i s t r y o f T r a n s p o r t ， Be ij in g ， 1 0 0 0 8 8 ， C h ina ) Abs t r a c t ： F o r t h e p he n o me no n t h a t r o a d c o n c r e t e e a r l y c r a c k i ng， e v a p o r a t i o n r a t e and e arl y c r a c k i n g t e s t ing wa s d o n e t o c o mpa r e the d i ffe r e n t be t we en thr e e c u r i n g a g en t s b y t h e i n flu e n c e t o wa t e r l o s s a n d c r a c k f o r ma tio n S tud i e s h a v e s ho wn t h a t ： c u r i ng a g en t n o t o n l y p l a y e d a r o l e tha t mo i s t u r i z e r ， b u t a l s o s h o r t e n e d t h e t i me o f i t s wa t e r l o s s Th e n， t h e q u a n ti t y l e n g t h and wi d t h o f c o n c r ete c mc k s we r e s i g n i f i c an t l y i n h i bi t e d b e c a u s e o f i n c r e a s ing the a mo un t o f c ur i n g a g e n t Ke y wor ds ： r o a d e n g i n e e r i n g； r o ad c o n c r e t e； e v a p o r a t i o n r a t e； cra c king； c u r i ng a g e n t 0 引言 混凝土路面板为大面积薄板结构 ， 表面水分容易蒸发产生 塑性收缩和干缩开裂。 道路混凝土早期裂缝的产生是混凝土的 变形在自身及外界诸多因素作用下受到限制的结果。 自由变形 条件下， 收缩没有受到约束 ， 混凝土不产生拉应力， 出现早期开 裂的机率甚小。 而实际工程中， 面板混凝土总受到源 自基层和混 凝土 自身的约束， 使得内部产生拉应力 ， 当此拉应力超过极限 抗拉强度时将会导致混凝土出现裂缝。 目前， 对道路混凝土早期开裂的研究主要基于混凝土的收 缩【 _ 2 。 为了直观了解混凝土板早期开裂的发生和发展， 深入探 索其开裂的本质和机理， 本研究通过蒸发率试验、 开裂试验量 测混凝土内部湿度 、 湿度的早期变形规律， 研究混凝土的早期 裂缝的发生和发展， 并选择多种养护剂， 比较了其在道路混凝土 强度形成初期的优劣， 为减少道路混凝土开裂提供实用建议。 1 道路混凝土的早期开裂 混凝土的早期开裂主要包括早期塑性开裂、 干缩开裂和温 缩开裂。 1 1 道路混凝土的早期开裂机理 混凝土初凝后至终凝前处于塑性阶段， 尚未完全硬化， 但发 生的变形 已没有触变性和复原性， 塑性变形受到约束产生的约 束应力超过塑性混凝土的屈服强度时， 混凝土就会开裂。 硬化混凝土， 可采用伯格斯模型阱 描述， 其本构方程如式( 1 ) 所示 ： 什 ( + 警 卜器 式中： r 、 、 ” 剪切应力、 剪应力率及加应力率； 、y ” 剪切变形率及加变形率； 饥、 叼 厂一 水泥浆黏度和混凝土黏度系数； G 、 G ： 水泥浆和混凝土的剪切模量 ； 混合料屈服剪应力。 混凝土振动液化过程中， 不同密度的颗粒运动速度不同， 粗 集料下沉， 水泥浆和水分上浮。 混凝土表面的水分蒸发率大于析 水率时， 毛细管中形成凹液面， 产生毛细管应力。 水分蒸发产生 的毛细管应力大于混凝土塑性抗拉强度时， 混凝土将产生塑性 收缩 开裂 。 1 2 道路混凝土早期开裂的影响 因素 影响道路混凝土早期开裂的因素嗍 主要有： 混凝土水灰比、 表面析水率及蒸发率、 外加剂和掺合料。 研究表明 ： 随水灰比的增大， 混凝土表面析水率增大； 随 水泥比表面积的增大， 混凝土表面析水率降低 ， 比表面积越大 ， 水泥水化速度越快， 结合水量越多， 从而会增大黏度系数， 降低 表面析水率。 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 4 1 8 基金项 目：山西省交通建设科技项 目( 1 1 - 2 1 9) ； 西部交通建设科技项 目( 2 0 0 7 3 1 8 2 2 3 0 1 L 7 ) 1 2 4 掺加外加剂的混凝土析水率取决于黏度系数降低和水灰 比降低相互竞争的结果。 如果黏度系数降低不多， 水灰比降低较 多， 则析水率减少 ； 如果黏度系数降低较多 ， 水灰比降低较少， 则析水率增大。 混凝土温缩开裂主要受混凝土热物理特性、 水泥水化放热、 混凝土的弹性性质和破坏强度控制。 采用水化热较低的水泥， 或减少水泥用量， 从而降低早期温度梯度， 混凝土抵抗温度收 缩开裂能力就越强； 混凝土吸水率越高， 潮湿状态下热变形系 数越大， 抵抗温度变形开裂能力会降低。 2 道路 混凝土蒸发率的测定 为深入了解道路混凝土硬化阶段内部水分散失情况 ， 设计 蒸发率试验测定道路混凝土内部水分散失随时间的变化过程。 2 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 选用质量稳定的北京产拉法基 P- 0 4 2 5 级水泥， 其物理一 力学性能指标如表 1 所示 ， 满足 GB 1 7 5 1 9 9 9 硅酸 盐水泥、 普通硅酸盐水泥 的质量要求。 表 1 水泥的性能指标 细度 凝结 时间 mm 抗压强度 M a a 抗折强度 MP a ( m2 &g ) 初凝 终凝 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 安定性 ( 煮沸法 ) 3 5 0 1 8 0 2 7 5 3 0 6 5 2 8 6 1 9 0 合格 ( 2 ) 细集料： 选用秦皇岛河砂 ， 属 区中砂 ， 细度模数为 2 8 ， 表观密度为 2 6 0 0 k g m3 。 ( 3 ) 粗集料 ： 选用北京西田阳石杨石子， 级配合理， 表观密 度为： 2 8 3 k g m ， 堆积密度为 1 6 0k g m3 。 ( 4 ) 水 ： 选用北京地区的自来水。 ( 5 ) 养护剂 ： 试验选用 3 种养护剂， 性能指标如表 2所示。 表 2 性能指标 类别有效质性状 ( ) 干燥时 不大于 2 2 蒸发率试验装置及方法 为保证试验的准确性 ，蒸发率试验在恒温恒湿环境下进 行， 分 3组分别比较 3种不同养护剂养生的试件的蒸发率随时 间的变化情况。 表 3混凝土 配合 比 试验按照表 3 所示配合比拌和混凝土， 然后将拌和好的混 凝土添加到 2 5 0 mmx 4 0 0 mmx 5 0 to n i 的长方体托盘内， 振动抹 平后， 将混凝土连同托盘放置在特定环境( 温度为( 2 0 0 5 )， 湿度为( 6 0 1 ) ) 下的电子天平上( 感量不大于 1 g ) ， 试验设备 如图 1 所示 。 第一组， 将拌和好的混凝土分别装入 2个托盘， 振动抹平 后， 第 1 个托盘的混凝土不做任何处理 ， 记为 K B 1 ， 直接置于 电子称上进行试验， 第 2 个托盘的混凝土喷洒德国养护剂， 记为 D G， 喷洒剂量为 0 2 5 k g m 2 ； 第二组采用美国无色养护剂， 2个 托盘分别记为 K B 2 、 WS ； 第三组采用美国白色养护剂， 2个托盘 分别 记为 KB 一 3 、 B S 。 图 1 蒸发率试验 为保证 同组试验具有可比性， 试验规定 ， 从拌和混凝土加 水至将装好的混凝土放到电子称上的时间需保证在 7 min左右。 7 mi n后开始记录混凝土的质量， 每隔 1 5 mi n记录一次， 直至质 量不再损失 ， 试验规定连续 1 h内， 质量损失小于 2 g即认为质 量不再损失。 2 3 蒸发率试验结果及分析 按照 2 1 节试验要求进行试验 ， 3组试件的蒸发率分别如 图 2所示。 O_ 4 0 3 。 一 2 。 。 一 0 1 0 4 0 3 目 0 2 。 1 。 一0 1 0- 3 5 0 3 0 t 02 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 05 椭0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 是 8 宗 昌 暑 ：合赛 2 2 H H一一一一 时 间 mi n f b ) 第 二组 0 卜 n_【 n_【 0 N ”一_【 0 0 0一 瓣 勰 0 寸 _I n 0 _【 0_1 0 凝土相差不大， 但这整个过程中， 水分质量损失均较后者小。 德 国养护剂养生的混凝土在硬化过程中的水分蒸发率最大值为 0 1 9 k g ( m h ) ， 较美国无色养护剂稍有逊色。 但是， 混凝土成型 1 2 0 0 mi n时， 质量已不再损失。 经测定， 混凝土的初凝、 终凝时间分别接近 4 5 0 、 7 2 0 mi n 。 即： 混凝土初凝前， 蒸发率较高， 水分质量呈较快损失 ； 初凝至 终凝过程中， 蒸发率仍然较高 ， 但质量损失速度较初凝前有所 下降； 终凝后， 水分质量损失明显下降， 随时间增长， 蒸发率逐渐趋 向于0 。 喷洒养护剂后， 水分散失过程仍然可以分为这 3个阶段 ， 只是， 水分陕速散失的时间减少至 3 0 0 mi n左右， 成型5 0 0 mi n以 后， 混凝土质量基本不变。 即： 养护剂对混凝土不但起到了保湿 作用， 还缩短了其水分散失的时间进程。 3 道路混凝土的早期开裂试验 为对混凝土早期裂缝进行定量分析， 通过试验测定混凝土 板在不同养护剂下的平均开裂面积、 单位面积的裂缝数 目和单 位面积上的总开裂面积 ， 研究裂缝的形成和发展情况 ， 试验用 原材料 同上 。 3 1 早期开裂试验方法 采用表 3所示配合比， 按照平板法早期抗裂试验方法嘲 的 要求 ， 选择第 2 章所述的 3 种养护剂进行早期开裂试验。 第一组， 将拌合好的混凝土分别装入 4 个开裂试验箱， 振动抹平后， 第 1 块 混凝土不做任何处理， 即空白组( 记为 K B 1 ) ， 第 2 , - 4块喷洒德国 养护剂， 剂量分别为 0 2 0 3 0 4 k g m2 ， 分别记为 D G 0 2 、 D G 0 3 、 DG一 0 4。 第二 、 三组与第一组相似， 分别喷洒美国无色养护剂和白 色养护剂， 喷量和第一组保持一致。 第二组的 4 块试件分别标记 为 KB 2 、 WS 0 2 、 WS 0 3 、 WS 0 4 。 第三组的 4块试件分别标记 为 K B 2 、 WS 0 2 、 WS 0 3 、 WS 0 4 。 3 2 早期开裂试验方法结果与分析 按照 3 1 节试验要求进行开裂试验， 单位面积的总开裂面 积、 每条裂缝的平均开裂面积、 单位面积的开裂裂缝条数如图 3 所示 。 旧 霜 值 0 0 2 03 0 4 喷量 ( k g m ) 图 3 单位面积混凝土上的总开裂面积 随着养护剂喷量的增大， 混凝土单位面积上的总开裂面积 明显下降， 尤其是美国无色养护剂 ， 喷量增大到 0 3 k g m2 时， 开 裂面积从 l 6 5 0 1 1 1 1 1 1 2 下降到 6 5 mm2 。 比较不同喷量的混凝土试件的裂缝宽度， 则不难发现， 喷洒 养护剂有效的抑制了裂缝的发展， 没喷养护剂的混凝土试件 ， 最大裂缝宽度为 O 8 4m l n， 而喷量为 0 4k g m2 的美国白色养护 剂养护的试件裂缝最大宽度则只有 O 3 8 I n l T l 。 喷洒德国养护剂和 美国无色养护剂的则差异不大， 最大裂缝宽度为 0 5 5 mn l 。 如图4所示， 随着养护剂喷量的增大， 每条裂缝的开裂面积 呈现明显下降趋势， 尤其是美国无色养护剂， 喷量增大到0 3 k g m2 】 2 6 值 蕤 媒 增 0 O 2 O 3 0 4 喷量 ( k g m ) 图 4 每条裂缝的平均开裂面积 时， 每条裂缝的平均开裂面积从 1 3 0 mm2 下降到 5 N I lT I 2 。 另外两种 养护剂的养护的试件对应的开裂也均有不小程度的下降。 比较第一条裂缝出现的时间会发现， 没有喷洒养护剂的开 裂试件是在成型后的4 3 mi n ， 而随养护剂喷量的增加， 美国无 色养护剂养护的混凝土试件第一条裂缝出现的时间推迟到了 7 5 mi n 。 同时， 这一时间对于德国养护剂、 美国白色养护剂分别 推迟到了 7 0 、 1 1 0 mi n 。 另外 ， 养护剂对抑制裂缝长度的发展也有一定的效果 ， 没有 喷洒养护剂的试件裂缝多为贯穿性的， 长达 5 0 0 多 mm， 而随养 护剂喷量的增加 ， 这一值不断下降， 其中美国白色养护剂养护 的试件的裂缝多为细且短的小裂缝O 和没有喷洒养护剂的混凝 土试件相比， 随养护剂喷量的增加 ， 单位面积上裂缝开裂条数 也 明显减少。 薯 喧 蒋 喷量 ( k g m ) 图 5 单位面积的裂缝开裂条数 综合比较这 3种养护剂 ， 不难发现， 美国白色养护剂养护 的试件裂缝多， 但裂缝细小 ； 德国养护剂养护的试件裂缝较白 色养护剂少， 但是宽度要大得多， 平均开裂面积也大。 美国白色 养护剂则将前两者的优点融为一身， 其养护的试件裂缝少， 并且 裂缝细小。 ， 4结论 ( 1 ) 没喷洒养护剂时 ， 道路混凝 土蒸发率幅值介于 0 3 0 4 k g ( m2 h ) 之间 。 喷洒养护剂后 ， 幅值下 降 ， 介于 0 1 6 O 1 9 k g ( m： h ) 之间。 ( 2 ) 道路混凝土的水分散失过程分为这 3 个阶段 ： 初凝前 ， 蒸发率较高 ， 水分质量呈较快损失； 初凝至终凝过程中， 蒸发率 仍然较高， 但水分损失速度较初凝前有所下降； 终凝后， 水分质 量损失明显下降， 蒸发率逐渐趋向于 0 。 ( 3 ) 使用养护剂不仅对混凝土起到了保湿作用 ， 还缩短了 其水分散失的时间进程， 水分陕速散失的时间减少 3 0 0 mi n 左右， 成型 5 0 0 rai n以后， 混凝土质量基本不再变化。 ( 4 ) 养护剂对混凝土裂缝的数量、 长度和宽度均有明显的 抑制作用。 随养护剂喷量的增加， 这种抑制作用愈加明显。 参考文献 ： 【 1 】 潘钻峰， 吕志涛， 刘钊 ， 等 高强混凝土收缩徐变试验及预测模型研 究 J 】 公路交通科技， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 2 ) ： 1 0 1 5 如 =兮 舳 0 7 4 l 8 5 2 1 ， i 2 】 周履， 陈永春 收缩徐变 M 北京 ： 中国铁道出版社， 1 9 9 4 【 3 】 陈惠发， A F 萨里普混凝土和土的本构方程【 M 】 E 京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 4 】 研究嘲 2 01 0： 9 6 9 7 5 】G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准 s 上接第 9 3页 2 2 试验 结 果分析 根据表 3 - 5可以得到图 5 。 从图 5可见， 相同 Mg O掺量、 相同水灰比情况下， 不同骨料级配混凝土砂浆的压蒸膨胀率是 不同的， 其膨胀率与单位体积试件中所含 Mg O的量大致相关。 若以图 5的曲线拐点确定混凝土的Mg O极限掺量 ， 则一级配混 凝土为 4 ， 二 级配和三级配混凝土为 5 。 巷 瓣 邕 渣 出 Mg O 掺量 图 5 Mg O掺量对不同级配混凝土砂浆( 水灰 比 0 _ 5 5) 压蒸膨胀变形的影响 根据图 1 3可以得 到图 6 - 8 。 1 5 l O 。 一5 圳 皿 一 1 5 - 2 0 -A1 9 5 0 5 5 0 一 I - 一A3 4 5 0 5 5 一 O I I +A41 50 5 5 0一 I I 1 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 龄期 d 周 6骨料级 配对 混凝 土自生体积变形的影响( Mg O掺量 5 ) 2 、 皿 A2 l 一 6 0 5 5 0 一 I +A3 6 6 0 5 5 0 一 I 1 0 5 0 l O O l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 龄 期 ， d 图 7 骨料级配对混凝土 自生体积变形的影响( Mg O 掺量 6 ) 宝 、 蝰 壬 H 血 - - 一 A3 8 7 0 5 5 0 一 I -I I - A2 2 7 0 5 5 0 一 I I 一A4 5 7 0 5 5 0 一 I I 1 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 龄期 ， d 图 8 骨料级配对混凝土 自生体积变 形的影 响( Mg O掺量 7 ) 忽略成型三级配混凝土 自生体积变形试件时湿筛筛除的 大于 4 0 ln n l 的粗骨料黏附的灰浆量， 本试验混凝土的胶骨质量 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 9 ： 5 1 5 4 作者 简介 联 系地址 联 系电话 ： 张艳聪( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士。 山西省太原市小店区许坦西 3 6 号 山西省交通科学研究 院黄土重点实验室( 0 3 0 0 0 6 ) 1 5 2 3 51 8 9 8 5 7 比( 胶凝材料 骨料 ) 的大小顺序是： 一级配混凝土 三级配混 凝土 二级配混凝土。 也就是说 ， 在相 同Mg O掺用比例、 相同 水灰比情况下， 单位体积混凝土自生体积变形试件中Mg O含量 的大小顺序为： 一级配混凝土 三级配混凝土 二级配混凝土。 按照混凝土的自生体积膨胀变形随单位体积试件中Mg O含量 增大而增大的常理 ，在相同 Mg O掺用比例、相同水灰比情况 下， 混凝土试件 自生体积变形量大小的顺序为： 一级配混凝土 三级配混凝土 二级配混凝土。 从图 6 、 7看到 ， 对于 Mg O外掺 量为 5 和 6 的混凝土 ， 在较早的龄期( 约半年前) ， 混凝土的 自生体积变形量 的大小依次为 ： 一级配混凝土 三级配混凝土二 级配混凝土 三级配混凝土。 这其中的原因， 需要进一步观测和 研究。 同时， 图4的试验成果表明， 三级配混凝土经过湿筛成二 级配混凝土的自生体积变形明显大于原三级配混凝土。 即利用 筛除大于 4 0 mr l l 粗骨料的混凝土拌合物成型的试件测试 自生体 积变形， 实际 匕 人为地增大了外掺Mg O混凝土的自生体积变形值。 3结 论 ( 1 ) 混凝土中砂浆的压蒸膨胀率试验结果表明， Mg O掺量 相同、 水灰比相同情况下 ， 不同级配混凝土的砂浆的压蒸膨胀 率是不 同的， 砂浆压蒸膨胀率的大小大致随单位体积试件 中 Mg O量的增大而增大。 ( 2 ) 在相同 Mg 0掺用比例、 相同水灰比情况下 ， 经过湿筛 去除大于 4 0 r n l n的粗骨料获得的混凝土试件的早期 自生体积 变形量大小 的顺序大致为 ： 二级配混凝 土 三级配混凝土 一 级配混凝土 ， 后期 自生体积变形量大小的顺序大致为 ： 一级配 混凝土 二级配混凝土三级配混凝土。 ( 3 ) 利用筛除大于4 0 r n l T l 粗骨料的混凝土拌合物成型的试 件测试自生体积变形， 实际上人为地增大了外掺 Mg O混凝土的 自生体积变形值。 参考文献 ： 1 1章清娇， 邓敏 掺 M g O膨胀剂水泥浆体膨胀机理研究述评 J 科技导 报 ， 2 0 0 9 ( 1 3 ) ： 1 1 1 一 l 1 5 2 】 方坤河过烧氧化镁的水化及其对混凝土自生体积变形的影响 J 】 水 力发电学报 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 4 5 4 9 【 3 陈昌礼 ， 李承木外掺 M g O与水泥内含 M 在大体积混凝土中的膨 胀效应 J 】 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 7 4 7 7 4 4 李维维， 陈昌礼， 方坤河， 等 水灰比对外掺 M g 0混凝土自生体积变 形的影0 NJ 水电能源科学， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 5 7 5 9 5 】陈昌礼， 李维维， 方坤河， 等 M g O混凝土自生体积变形与压蒸膨胀 变形的相关性 J 水电能源科学， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 4 ) ： 3 8 4 0 6 6 李承木， 李万军 ， 陈学茂 混凝土级配与集料粒径对压蒸膨胀率的影 响 J 水力发电， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 3 8 4 1 作者简介： 方坤河( 1 9 4 6 一 ) ， 男， 博士生导师， 教授， 长期从事混凝土材 料的研究与应用。 联系地址 ： 联系电话 ： 湖北省武汉市 O2 7 6 8 7 7 3 4 2 2 电学院( 4 3 0 0 7 2 ) 1 27 0 5 O 5 O 5 O 5 2 ， 一 们 加= 2m 5 o