・专题论述・ 提高混凝土抗裂性的试验 三航科学研究院有限公司 王成启 １ 引言 码头面层混凝土是暴露面积较大的混凝 土结构．码头面层裂缝问题是高桩梁板式码 头最常见的通病之一。引起码头面层混凝土 裂缝的因素与混凝土原材料、混凝土配合比、 施工质量控制以及结构型式等多种因素密切 相关．而混凝土干燥收缩是其中重要原因之 一。为解决混凝土由于拉应力作用而导致的 裂缝，通常可在普通混凝土中掺人非连续的 短纤维或连续的长纤维作增强抗裂组分，以 提高混凝土的抗拉强度、有效阻止混凝土中 微裂缝的扩展，从而减少或延缓裂缝的出现。 因此，在对码头面层混凝土配合比参数进行 优化的基础上，开展混凝土掺加矿物掺合料、 纤维、膨胀剂等抗裂组分试验研究，研究混凝 土的开裂参数．以提高码头面层混凝土抗裂 性能。 ２试验过程 ２．１试验原材料 （１）水泥：采用上海水泥厂生产的４２．５ 普通硅酸盐水泥，安定性合格，其性能指标达 到强度等级４２．５普通硅酸盐水泥的质量标 准（表１）。 表１ 水泥的力学性能指标 ３ｄ ２８ｄ 抗折强度（ＭＰａ） ５．１ ８．５ 抗压强度（ＭＰａ） ２３．６ ４８．２ （２）粉煤灰：镇江产的Ｉ级粉煤灰， ７ｄ和２８ｄ的活性指数分别为７５％和９０￣，４，达 到Ｉ级粉煤灰的质量标准。 （３）粒化高炉矿渣粉：朱家桥￥９５矿粉， ７ｄ和２８ｄ的活性指数分别为７８％和１００％， 达到￥９５的质量标准。 （４）细骨料：细骨料为细度模数为２．５的 中砂。 （５）粗骨料：５～３１．５的连续级配的碎石。 （６）拌合水：城市自来水。 （７）减水剂：采用麦斯特外加剂公司生 产的ＳＰ一８ＣＮ高效减水剂。 （８）聚丙烯纤维：采用长键聚丙烯纤维， 纤维长度为１２ｍｍ，其性能指标如表２所示。 表２ 聚丙烯纤维性能指标 密度（咖。） ０．９ｌ 抗拉强度（ＭＰａ） ≥３００ 伸长率（％） ２８ 直径（ｐ．ｍ） １８￣２ 弹性模量（ＭＰａ） ３５００ 熔点（℃） １６５ （９）膨胀剂：采用ＺＹ高效混凝土膨胀剂， ＺＹ型膨胀剂的性能指标如表３所示，满足 ＪＣ４７６—２００１技术标准的要求。 ２．２试验方法 干燥收缩、弹性模量、抗压强度以及劈拉 强度试验均按《水运工程混凝土试验规程》 （以１Ｊ２７０—９８）的有关规定进行。干燥收缩的试 件尺寸为ｌＯＯｍｍｘｌＯＯｍｍｘ５１５ｍｍ。弹性模量 试件的尺寸为ｌＯＯｍｍｘｌＯＯｍｍｘ３ＯＯｍｍ，抗压 强度和劈拉强度试件的尺寸均为ｌＯＯｍｍ× ｌＯＯｍｍｘｌＯＯｍｍ。按照规范要求成型混凝土 试件，拆模后进行标准养护，到规定龄期进行 混凝土干燥收缩、弹性模量、抗压强度以及劈 拉强度的试验。 ２．３混凝土配合比 一ｌ一 表３ 项目 ＺＹ型膨胀剂的性能指标 ＪＣ４７６—２００１标准 ＺＹ典型值 氧化镁（％） 含水率（％） 总碱量（％） ≤５．００ ≤３．００ ≤０．７５ ０．６７ １．５４ ０．３２ 氯离子（％） 细度（水筛法）０．０８ｍｍ筛余 初凝（ａｉｒｎ） 凝结时间 终凝（ｈ） ７ｄ ≤０．０５ ≤１２ ≥４５ ≤ｌ０ ≥０．０２５ ０．０１ ７．３２ ２．１５ ４．５０ ０．０３２ 水中 限制膨胀率（％） 空气中 ７ｄ ２８ｄ ２１ｄ ≤０．０ｌ ≥一０．０２０ ≥２５．０ ≥４５．０ ≥４．５ ０．０４５ －０．０１０ ３２．４ ５２．６ ６．８ 抗折强度（ＭＰａ） ２８ｄ ７ｄ 抗压强度（ＭＰａ） ２８ｄ ≥６．５ ８．４ 为改善码头面层混凝土的收缩，以胶凝 材料用量为３５１ｋｇ／ｍ。为基准混凝土，分别采 所示。 ３试验结果讨论与分析 ３．１干燥收缩试验 用粉煤灰（掺量为ｌ０％、２０％、３０％）、粒化高炉 矿渣粉（掺量为２０％、３０％、５０％）、聚丙烯纤维 （掺量为０．９ｋｇ／ｍ。）、膨胀剂（掺量为７％），研 究这四种因素对码头面层混凝土干燥收缩的 ｔ昆凝土工作性测试结果如表５所示 从 表５可以看出，混凝土和易性较好．随着粉煤 灰掺量的增加，减水剂用量减小，混凝土坍落 度也略有减小，表观密度也有所降低；随着矿 （单位：ｋｇ／ｍａ） 石 １１３０ 影响，以提出进一步改善码头面层混凝土干 燥收缩的方法，混凝土的配合比设计如表４ 表４ 编号 Ｂ８ 改善混凝土干燥收缩的混凝土配合比 水泥 ３５１ 粉煤灰 矿粉 聚丙烯纤维 膨胀剂 砂 ７５４ 用水量 １０５ 减水剂 ３．５ｌ Ｂ８ｌ Ｂ８２ Ｂ８３ Ｂ８４ Ｂ８５ Ｂ８６ Ｂ８７ Ｂ８８ Ｂ８９ ～３１６ ２８１ ２４６ ２８１ ２４６ １７５．５ ３５１ ３２６ ２５６ ３５ ７０ １０５ ７０ １０５ １７５．５ ０．９ ２５ ７０ ０．９ ２５ ７５４ ７５４ ７６４ ７５４ ７５４ ７５４ ７５４ ７５４ ７５４ １１３０ １１３０ １１３０ １１３０ １１３０ １１３０ １１３０ １１３０ １１３０ １６５ １６５ １６５ １６５ １６５ １６５ １６５ １６５ １６５ ３．５１ ３．１６ ２．８１ ３．５ｌ ３．５１ ３．５ｌ ３．５１ ３．５１ ３．５１ ２一 港工技术与管理２０１２年第３期 表５ 混凝土的工作性测试结果 编号 减水剂掺量 和易性 坍落度 表观密度 （％） （ｒｏ／［ｉ） （ｋｇ／ｍ。） Ｂ８ １．０ 较好 １３５ ２３５５ Ｂ８ｌ １．０ 较好 １２５ ２３４０ Ｂ８２ ０．９ 较好 １０５ ２３３５ Ｂ８３ ０．８ 较好 ８５ ２３３５ Ｂ８４ １．０ 较好 １０５ ２３４５ Ｂ８５ ｌ＿０ 较好 １２５ ２３４０ Ｂ８６ １．０ 较好 １４５ ２３４２ Ｂ８７ １．Ｏ 较好 １０５ ２３４５ Ｂ８８ １．０ 较好 １３０ ２３５０ Ｂ８９ ｌ＿０ 较好 ９５ ２３４５ 渣粉掺量的增加，混凝土坍落度有所增加。而 表观密度差别不大；掺入聚丙烯纤维的｝昆凝 土坍落度有减小，表观密度变化不大：掺入膨 胀剂的混凝土坍落度和表观密度变化不大。 混凝土抗压强度测试结果如表６所示 从表６可以看出．掺人１０％、２０％和３Ｏ％粉煤 灰的ｔ昆凝土早期强度有所降低，但其后期强 度不断增加，接近或超过基准混凝土：掺入 ２０％、３０％和５０％矿渣粉的混凝土早期强度也 有所下降，但后期强度已超过基准混凝土：掺 入聚丙烯混凝土的抗压强度与基准混凝土相 差不大；掺入膨胀剂的混凝土抗压强度比基 准混凝土略有增加；复掺粉煤灰、膨胀剂与聚 丙烯纤维的混凝土抗压强度比基准混凝土略 有降低，故差别不大。 混凝土的干燥收缩的测试结果如表７所 示，根据表７的测试结果，可绘制｝昆凝土的干 燥收缩与龄期的关系曲线，如图１所示。从表 ７和图１可以看出，掺人粉煤灰后的混凝土 试样Ｂ８１、Ｂ８２、Ｂ８３的９０ｄ前的干燥收缩小 于基准ｔ昆凝土Ｂ８的干燥收缩，且９０ｄ后的 干燥收缩增加较少，１８０ｄ的干燥收缩显著低 于基准混凝土，而掺入２０％的粉煤灰混凝土 试样Ｂ８２的干燥收缩相对较小，显著低于基 表６混凝土抗压强度测试结果 （单位：ＭＰａ） 编号 ｌｄ ３ｄ ７ｄ ２８ｄ Ｂ８ ２１．１ ３７．７ ４５．１ ５３．７ Ｂ８ｌ ２０．５ ３２．１ ４３．１ ５０．１ Ｂ８２ １６．２ ２６．４ ３２．１ ４７．１ Ｂ８３ １４．３ ２６．９ ２９．８ ４５．５ Ｂ８４ ２０．０ ３６．１ ４３．５ ５２．５ Ｂ８５ １９．Ｏ ３４．１ ４１．８ ５１．０ Ｂ８６ １６．５ ３１．２ ３８．２ ４６．５ Ｂ８７ ２０．５ ３２．５ ４５．５ ５１．９ Ｂ８８ ２３．５ ３４．１ ４７．３ ５３．８ Ｂ８９ １９．１ ３０．１ ４５．６ ５０．２ 准混凝土，１８０ｄ干燥收缩比基准混凝土减小 １３．６％；掺入矿粉的混凝土试样Ｂ８４、Ｂ８５、 Ｂ８６的１８０ｄ干燥收缩与基准混凝土相差不 大，而早期干燥收缩略有所降低：掺入聚丙烯 纤维的混凝土试样Ｂ８４各龄期的干燥收缩 比基准混凝土有所降低，但１８０ｄ的干燥收 缩与基准混凝土相差不大：掺入膨胀剂的混 凝土试样Ｂ８８的各龄期的收缩均比基准混 凝土的干燥收缩显著降低，１８０ｄ的干燥收缩 减小了６３．９％。从表７和图１还可以看出，采 用２０％的粉煤灰、聚丙烯纤维和膨胀剂复合 的混凝土试样Ｂ８９的各龄期的干燥收缩值 均较小，显著低于基准混凝土．１８０ｄ干燥收 缩下降了６４． 掺２０％左右的粉煤灰后水泥用量相对减 小，水泥早期的水化产物相对较少，生成Ｃ— Ｓ—Ｈ凝胶量相对较少，粉煤灰的填充效应使 混凝土密实性增加，阻止了混凝土干燥失水， 从而使混凝土与基准混凝土收缩相差不大。 ９０ｄ龄期后，粉煤灰的活性受水泥的水化产 物Ｃａ（ＯＨ） 的激发，产生二次水化反应，水化 产物不断填充混凝土的孑Ｌ隙，混凝土密实性 不断增加，从而减少混凝土的后期干燥收缩。 掺人一定矿渣粉后，水泥用量相对减小． 由于矿粉的活性大于粉煤灰。４５ｄ前矿粉的 一３一 编号 Ｂ８ ｌｄ ７５．１ ３ｄ １５５．１ ７ｄ １８５．５ １４ｄ ２２５．１ ２８ｄ ３００．１ ４５ｄ ３８１．１ ６０ｄ ４Ｏ０．１ ９０ｄ ４２５．７ ｌ２０ｄ ４７１．２ ｌ５０ｄ ４８５．５ １８０ｄ ４９５．５ Ｂ８ｌ Ｂ８２ Ｂ８３ ８９ １ ９８．１ ｌ０１．１ １８６．９ １５１．８ １６１．５ ２０４．３ ２０８．１ ２１０．１ ２ｌｌ＿ｌ ２２０．１ ２３０．１ ３０９．８ ３ｌｌ＿ｌ ３２５．９ ３７８＿８ ３５５．１ ３４１．１ ３７７．８ ３８０．２ ３７５．２ ３９６．３ ３８１．１ ４１０．７ ３９２．６ ３８５．２ ４１８．９ ３９０．５ ３９１．１ ４２０．１ ３９９．５ ３９２．２ ４２１．５ Ｂ８４ Ｂ８５ Ｂ８６ Ｂ８７ Ｂ８８ Ｂ８９ ８１．２ ８５．１ １０５．５ ８０．１ ２０．１ １９．５ １０２．８ １２８．５ １３８．１ ｌｌ２．１ ２１．１ ２１．０ １９４．１ １８１．５ １９５．６ ｌ３１．１ ２５．５ ２２．２ ２０１．５ ２０１．１ ２０３．１ ２２４．９ ３０．２ ２９．５ ３０４．１ ３２６．１ ３３９．１ ２９５．５ ９６．３ ９０．１ ３５８．２ ３８５．２ ３９７．５ ３３ｇ．５ １００．５ ９６．５ ３８４．０ ３９９．１ ４０８．９ ３６８．１ １２９．３ １２０．１ ４２５．７ ４１８．５ ４２０．９ ３９５．１ １６４．８ １５９．８ ４３０．２ ４３８．１ ４４５．１ ４２１．１ １６５．２ １６２．５ ４４０．１ ４５５．１ ４６５．１ ４４Ｌｌ １６６．９ ｌ６４．１ ４６８．９ ４７５．２ ４８１．９ ４５１．２ １７８．９ ｌ７５．１ ５５０ 生时。裂缝的前端与纤维相交，当微裂缝的长 度大于纤维间距时．纤维将跨越裂缝起到传 递荷载的桥梁作用．微裂缝尖端的应力集中 得以钝化．裂缝进一步扩展受到约束，使得引 起裂缝的拉应力得以削弱：当微裂缝的长度 小于纤维的间距时，纤维将迫使其改变方向 或跨越纤维生成更细微的裂缝场，显著增大 微裂缝的扩展的能量消耗。 誊５００ ４５０ ４００ ３５０ ３００ ２５０ ２００ １５０ ｌｏ０ ５０ ０ 同时，聚丙烯纤维对混凝土干燥收缩也 有不利影响。聚丙烯纤维表面经过处理后，具 龄期（ｄ） ２０ ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ １２０ １４０ １６０ １８０ ２００ ２２０ 有较好的分散性，同时还具有一定的亲水和 保水性。随着干燥时间的增加，早期要失去一 部分纤维的结合水，这部分结合水的失去并 不会导致｝昆凝土的干燥收缩，因此，出现早期 图ｌ混凝土收缩与龄期的关系 二次水化和填充效应使混凝土密实性增加， 阻止了混凝土干燥失水，使其干燥收缩有一 定程度的降低。伴随着后期矿粉水化，水泥石 的孑Ｌ隙率和孔径分布接近于基准混凝土水泥 石内部结构．表现为掺矿渣粉混凝土干燥收 收缩减小。当失去部分水以后，干燥的纤维就 会成为混凝土中水分蒸发的通道，导致后期 收缩增加。此外，聚丙烯纤维属于弹性模量低 的纤维。当混凝土干燥收缩不断增加时，其不 缩与基准混凝土差别不大，且随着矿粉掺量 的增加，｝昆凝土的长期收缩将呈增大趋势，矿 粉的掺量宜控制在３０％。 试验表明掺人聚丙烯纤维可显著减小浇 筑混凝土的毛细管张力产生的塑性收缩。在 混凝土的硬化过程中会发生干燥收缩，掺入 一能有效地抑制混凝土的干燥收缩，因此，掺入 聚丙烯纤维的混凝土１８０ｄ干燥收缩与基准 混凝土相差不大。 掺人膨胀剂后，在水泥混凝土凝结硬化 过程中，会产生钙矾石等膨胀结晶体，在混凝 土内部起到填充、切断毛细孔缝的作用，从而 改善了混凝土的孔结构，使混凝土更加密实， 港工技术与管理２０１２年第３期 定量的聚丙烯纤维， 昆凝土一旦有裂缝发 一４一 从而减小混凝土干燥收缩。此外，当掺人膨胀 剂后的混凝土水化能产生适度的体积膨胀， 在钢筋和其它约束条件下产生一定的自应力 基准混凝土Ｂ８略有增加，而弹强比与１８０ｄ 干燥收缩比基准混凝土有所降低，劈拉强度 也比基准混凝土有所增加；掺人聚丙烯纤维 的混凝土Ｂ８７比基准混凝土的抗压强度略 有降低，９０ｄ龄期的弹强比和收缩也比基准 以抵消由于收缩产生的拉应力，从而改善了 混凝土内部的应力状态，提高混凝土的抗裂 性能。 混凝土Ｂ８有所降低，劈拉强度也有所增加； 掺入膨胀剂的混凝土Ｂ８８的９０ｄ的弹强比 ３．２开裂参数试验研究 有关资料研究表明，干燥收缩、抗拉强度 和弹强比（弹性模量与抗压强度之比）是评价 混凝土抗裂性能最重要的指标，抗裂性能好 的混凝土一般均具有较低的干燥收缩和弹强 比，且抗拉强度较高。表８为混凝土９０ｄ抗 与基准混凝土Ｂ８相差不大，但收缩显著降 低．劈拉强度也有所增加；采用粉煤灰、聚丙 烯纤维和膨胀剂复合掺人的混凝土试样Ｂ８９ 的弹强比和收缩均比基准混凝土Ｂ８有所降 低．表明具有较高的抗裂性能。表８测试结果 还可表明。从粉煤灰和矿渣粉两种活性矿物 掺合料抗裂参数比较来看，粉煤灰的抗裂作 用优于矿渣粉。因此，从力学性能和收缩两个 压强度、弹性模量、弹强比、劈拉强度以及 １８０ｄ干燥收缩的测试结果。由表８可以看 出，掺入粉煤灰的混凝土Ｂ８１、Ｂ８２、Ｂ８３的 ９０ｄ抗压强度与基准混凝土较为接近，而弹 强比和干燥收缩均比基准混凝土Ｂ８有所降 低，劈拉强度比基准混凝土有所增加：掺入矿 渣粉的混凝土Ｂ８２、Ｂ８３、Ｂ８４的抗压强度比 表８ 方面考虑，掺入粉煤灰、聚丙烯纤维和膨胀剂 的混凝土具有较低收缩和较低的弹强比，可 改善码头面层混凝土的抗裂性能。 混凝土抗压强度、弹性模量、劈拉强度和干燥收缩 １８０ｄ干缩（ｘｌ０ ） ５４８．３ ４９５．５ ３９９．５ ３９２．２ ４２１．５ ４６８．９ ４７５．２ ４８１．９ ４５１．２ ｌ７８．９ １７５．１ 编号 ９０ｄ抗压强度（ＭＰａ） ９０ｄ弹性模量（ＧＰａ） ９０ｄ弹强比 劈拉强度（ＭＰａ） Ｂ３ Ｂ８ Ｂ８１ Ｂ８２ Ｂ８３ Ｂ８４ Ｂ８５ Ｂ８６ Ｂ８７ Ｂ８８ Ｂ８９ ７４．３ ６２．８ ６１．６ ６０．３ ６４．５ ６４．３ ６３．３ ６３．８ ６０．２ ６４．４ ６２．４ ４５．３ ３５．７ ３２．９ ３１．８ ３４．３ ３５．１ ３４．８ ３５．２ ３３．０ ３６．０ ３３．９ ６１０ ５６８ ５３４ ５２７ ５３２ ５４６ ５５０ ５５２ ５４８ ５５９ ５４３ ４．７ｌ ４．３５ ４．４８ ４．５ｌ ４．６９ ４．５５ ４．６５ ４．５０ ４．７５ ４．６ｌ ４．８０ ４结论 灰可改善混凝土工作性，同时也可减小混凝 开展改善码头面层混凝土干燥收缩试 土干燥收缩。具有较低的弹强比和较高的抗 拉强度，是提高面层混凝土抗裂性的一个重 要措施。掺入矿渣粉对混凝土（下转第１６页） 一验，并进行了码头面层混凝土抗拉强度和弹 强比开裂参数的试验。掺入２０％的优质粉煤 ５一 ６小结 心组织、详细策划，并在施工现场时刻关注混 针对浮运施工的隧道沉管混凝土，通过 优选高效减水剂、水泥以及矿粉和粉煤灰矿 凝土实际含气量，以确保掺引气剂混凝土施 工质量。 参考文献 １杜朝伟，王秀英．水下隧道沉管法设计与施工关键 技术． ２曹周生，韦灿强．ＭＩＣＲＯＡＩＲ ２０２引气剂在三峡工 物掺合料等技术措施，并使用引气剂增大混 凝土含气量，配制出满足容重、抗压强度和耐 久性设计要求的隧道沉管Ｃ５０混凝土。根据 试验和工程实践应用表明：采用施工现场掺 引剂控制混凝土含气量的方式可行。但由于 引气效果与温度、搅拌时间等因素密切相关， 混凝土中含气量过大有很大的负作用，因此， 引气剂的使用需要非常慎重，施工中必须精 程中的试验及应用，混凝土，２００７（７）：８２～８８． ３陈韶章．沉管隧道设计与施工【Ｍ】．北京：科学出 版社．２００２． （上接第５页） 凝土的后期干燥收缩的影响不大．可降低混 凝土弹强比和提高混凝土抗拉强度。掺人适 量膨胀剂的混凝土弹强比变化不大，可显著 减小混凝土的干燥收缩。为了有效提高码头 可适当减小混凝土的早期收缩。但对混凝土 的长期收缩影响不大，随着矿粉掺量的增加， 混凝土干燥收缩量呈增大趋势，但掺入矿渣 粉也可适当降低混凝土弹强比并提高抗拉强 度。聚丙烯纤维可对混凝土早期收缩产生一 定的影响，减小混凝土早期干燥收缩，但对混 面层混凝土的抗裂性，可掺人适量粉煤灰、聚 丙烯纤维，对抗裂性要求较高的混凝土可掺 入膨胀剂。 一ｌ６一 港工技术与管理２０１２年第３期