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user: 3. 实验结果与分析 3.1. 箱梁混凝土配合比设计 为了研究配合比参数对箱梁混凝土抗裂性能的影响规律，本文设计了不同水胶比、砂率、单位用水量、减水剂掺量及骨料级配等10组C50混凝土，试验配合比设计列于表2中。 3.2. 水胶比对混凝土抗裂性能的影响 3.2.1. 水胶比对混凝土早期抗裂性能的影响 对水胶比0.36、0.33、0.30的三组C50箱梁混凝土试件进行平板塑性收缩开裂试验，试验结果列于表3中。 试验结果表明，随着水胶比减小，每条裂缝的平均开裂面积和裂缝总面积降低，前者0.33、0.30水胶比混凝土分别比0.36水胶比混凝土降低了32.8%、55.1%，后者水胶比0.33、0.30比水胶比0.36混凝土分别相对减小了25.7%、43.3%，即单位面积上裂缝的总开裂面积随水胶比减小而减小；但水胶比0.33、 Table 1 Chemical composition of cementitious materials (% Chemical composition CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SO 3 P 2 O 5 K 2 O Na 2 O MgO TiO 2 Cement 56.3 22.4 8.5 3.10 4.20 4.65 0.56 0 ­ - Fly ash 1.31 57.82 31.96 3.07 0.23 0.25 1.03 0.30 2.68 1.25 表1. 胶凝材料的化学成分(%) Table 2 Concrete mix ratio of C50 box girde Group Mix ratio parameter Quality of raw materials per square concrete (kg/m 3 ) W/B S p % FA% PCA% W C FA S G PCA-1 JZ 0.33 38 15 0.85 156 402 71 691 1128 4.02 WB30 0.30 38 15 1.0 153 433 77 678 1106 5.10 WB36 0.36 38 15 0.60 159 374 66 703 1147 2.64 Sp35 0.33 35 15 1.1 156 402 71 637 1182 5.20 Sp41 0.33 41 15 0.9 156 402 71 746 1073 4.26 W141 0.33 38 15 1.1 141 362 64 715 1167 4.69 W171 0.33 38 15 0.7 171 439 78 670 1093 3.62 JP 0.33 38 15 0.8 156 402 71 691 1128 3.78 GY 0.33 38 15 0.6 156 402 71 691 1128 2.84 MJ 0.33 38 15 1.0 156 402 71 691 1128 4.73 表2. C50箱梁混凝土试验配合比 注：JZ为流动性混凝土；JP为骨料最优级配的混凝土；GY为低坍落度的塑性混凝土；MJ为产生离析、泌水现象的大流动混凝土。 0.30混凝土单位面积的裂缝数目有所增加，说明随着水胶比的降低，混凝土的粗裂缝减少，细裂缝增多，裂缝细化。这是由于随着水胶比的减小，粒子之间的相对距离减小，虽然毛细管压力较大，但在较小粒子间距下，塑性收缩仅能产生相对较小的压密作用。并且水胶比较高时，整体性和粘聚性较差，产生的塑性沉降较大。同时，水胶比减小时，水泥化学减缩量也随着水胶比的减小而减小。 3.2.2. 水胶比对圆环收缩开裂的影响 WB30、JZ、WB36三组不同水胶比的混凝土圆环抗裂试验结果如图1，随着龄期的增加，混凝土环的应变增加，并且早期增加较快，但是后期增加幅度减小，应变逐渐趋于稳定。WB30、JZ、WB36组混凝土环33 d干燥应变值分别为242 × 10 −6 、461 × 10 −6 、746 × 10 −6 ，随着水胶比的增大，混凝土环的应变增大，水胶比0.33和0.36的混凝土环应变比水胶比0.30的混凝土环分别增加了90%、208%。由于水胶比越大，混凝土浆体中孔隙越多，基体密实度越差，越容易失水，表现混凝土环应变增大。 3.3. 其他配合比参数对混凝土抗裂性能的影响 3.3.1. 其他不同配合比参数对混凝土塑性抗裂性能的影响 制备了不同砂率、单位用水量和优化骨料级配的混凝土试件进行平板塑性收缩开裂试验，平板开裂试验结果列于表4中。 试验结果表明，随着砂率和单位用水量的增大，箱梁混凝土的单位面积上总开裂面积、最大裂缝宽度、单位面积上裂缝数目及每根裂缝平均开裂面积均增大。SP41组混凝土比SP35组单位面积上总开裂面积、单位面积上裂缝数目、最大裂缝宽度、每根裂缝平均开裂面积分别增加了59.6%、24.9%、50.0%、 Table 3 Test results of plastic cracking of concrete with different water binder ratio Group W/B Cracking area (mm 2 ) Number of cracks (条) The maximum width of cracks (mm) Average cracking area A (mm 2 /条) The number of cracks in unit area B (条/m 2 ) Total area of the cracks in the unit area C (mm 2 /m 2 ） WB36 0.36 370.2 19 0.32 9.74 40 386 JZ 0.33 274.9 21 0.24 6.55 44 286 WB30 0.30 210.0 24 0.24 4.38 50 219 表3. 不同水胶比混凝土的塑性开裂试验结果 图1. 水胶比对箱梁混凝土环应变的影响 Table 4 Test results of plastic cracking of concrete with different mix ratio parameter Group Cracking area (mm 2 ) Number of cracks (条) The maximum width of cracks (mm) Average cracking area A (mm 2 /条) The number of cracks in unit area B (条/m 2 ) Total area of the cracks in the unit area C (mm 2 /m 2 ） JZ 274.9 21 0.24 6.54 44 286 Sp35 211.6 20 0.20 5.29 42 220 Sp41 337.6 25 0.30 6.75 52 352 W141 231.9 18 0.20 6.44 38 242 W171 395.4 30 0.40 6.59 63 412 JP 194.1 22 0.20 4.41 46 202 表4. 不同配合比参数下混凝土的塑性开裂试验结果 27.6%。因为砂率的增大，混凝土中的细集料含量增加，粗集料减小，砂浆含量多，粗集料之间的浆体过渡层明显变多，抵抗塑性变形的能力下降。W171组混凝土最大裂缝宽度比W141增加了一倍，并且单位用水量从141 kg/m 3 增加到171 kg/m 3 ，混凝土单位面积裂缝数目和单位面积上总开裂面积分别增加了66.7%、70.5%，但每根裂缝的平均开裂面积随单位用水量变化不明显。在水胶比一定的情况下，随着单位体积用水量增加，混凝土浆体含量增大，集料含量相对减少，孔隙率增大，水泥化学减缩增大。同时，单位用水量增大，混凝土内部骨料对毛细孔的连通性阻断减弱，泌水通道增多，混凝土的塑性收缩应力相对增大，进一步加速了混凝土的塑性开裂风险。 优化骨料级配后，混凝土的每条裂缝平均开裂面积由原来的6.55 mm 2 /条减小到4.41 mm 2 /条，减小了32.6%。同时，单位面积上总开裂面积从286 mm 2 /m 2 降低到202 mm 2 /m 2 ，降低了29.4%。由于优化骨料级配后，粗骨料的堆积密度增大，骨料内部空隙率减小，起骨架支撑作用的粗骨料增多，更有利于发挥各级骨料的中心质网络结构的骨架作用，充分抑制了混凝土的塑性收缩，从而减小混凝土塑性开裂风险。 3.3.2. 其他配合比参数对混凝土干燥收缩开裂的影响 砂率、单位用水量以及优化骨料级配对箱梁C50混凝土环应变影响如图2、图3和图4。 试验结果表明，由于混凝土表面出现微裂纹，收缩应力释放，混凝土环应变均未出现明显的突变点，未发生可见裂纹，但随着时间的延长，混凝土环应变逐渐增大。砂率从35%增加至38%、41%时，混凝土环应变分别增加了62.9%、128%。由于砂率增加，混凝土中的细集料用量增大，砂浆体积相对增大，粗集料间的浆体过渡多，抵抗干燥收缩变形能力降低。单位用水量从141 kg/m 3 增加到156 kg/m 3 、171 kg/m 3 时，混凝土环的应变值分别增加了41%、81%。相同水胶比情况下，增加单位用水量，实际相当于减小混凝土中骨料的体积，增大了混凝土中可收缩相的体积，减弱了骨料对收缩的限制作用，缩短了水分在水泥石中湿扩散行程，加速混凝土的干燥收缩。优化骨料级配后，箱梁混凝土圆环的干燥应变减小了29.1%。骨料的堆积密度增加，空隙率减小，粗骨料在混凝土内部能够更好发挥骨架作用，限制混凝土因收缩而产生的应变。提高了混凝土的干燥收缩抗裂性能。 3.4. 新拌混凝土流动性对混凝土抗裂性能的影响 通过改变外加剂掺量制备的低坍落度塑性混凝土、流动性混凝土、产生离析和泌水现象的大流动性混凝土，对各组C50混凝土进行大平板塑性收缩开裂试验，试验结果列于表5中。 减水剂有基准组0.85%增大到1.%，混凝土拌合物坍落度由200 mm增大到230 mm，并出现离析泌水现象；当减水剂减少到0.6%时混凝土拌合物坍落度减小到100 mm，单位面积总开裂面积和裂缝条数 Table 5 Test results of cracking of concrete with different working propertie Group PCA (%) Slump (mm) Cracking area (mm 2 ) Number of cracks (条) The maximum width of cracks (mm) Average cracking area A (mm 2 /条) The number of cracks in unit area B (条/m 2 ) Total area of the cracks in the unit area C (mm 2 /m 2 ） GY 0.6 90 238.2 12 0.40 9.25 25 231 JZ 0.85 220 274.9 21 0.24 6.55 44 286 MJ 1.0 230 419.2 42 0.20 4.99 88 437 表5. 不同工作性混凝土的开裂试验结果 图2. 砂率对箱梁混凝土环应变的影响 图3. 单位用水量对箱梁混凝土环应变的影响 前者增加了52.8%和100%，后者减小了19.2%和76%。虽然随着混凝土流动性增大，裂缝的条数显著增多，但最大裂缝宽度和平均每条裂缝的开裂面积减小。随着减水剂掺量增大和混凝土流动性的增大，混凝土的沉降加大，匀质性变差，早期塑性收缩加大，越容易产生塑性收缩开裂。因此在满足施工要求的情况下适当减小坍落度，不但可以节约成本，还能改善混凝土的抗裂性能。 圆环干燥收缩抗裂的试验结果见图5，GY、JZ、MJ组混凝土环的33 d应变分别为265 × 10 −6 、461 × 10 −6 、594 × 10 −6 。随着减水剂掺量增加，拌合物的流动性增大，混凝土环的应变也增大，JZ和MJ组混凝土33 d的应变比GY组混凝土分别增加了74%、124%。塑性混凝土虽然表面毛细管水压力发展较快，可以较早产生塑性收缩，但其颗粒间距较小，可压缩空间减小，降低了混凝土环的应变。 3.5. 不同配合比参数对混凝土开裂程度的影响 不同配合比参数对混凝土开裂性能指标的极差分析结果列于表6中。试验结果表明，水胶比对平均开裂面积影响最大，其次是减水剂掺量，然后是骨料级配，接着是砂率，最后是单位用水量。而影响单位面积的裂缝条数最大的影响因素为减水剂掺量，其次是单位用水量，然后是砂率，接着是水胶比，最后是骨料级配。评定混凝土抗裂性能好坏的关键性指标为单位面积的裂缝总面积，所以混凝土配合比参数对其抗裂性能有重要影响，其因素排序为新拌混凝土的流动性、单位用水量、水胶比、砂率和骨料级配。在高性能混凝土配合比设计中要充分考虑这些配合比参数对混凝土抗裂性能的影响。 图4. 骨料级配对箱梁混凝土环应变的影响 图5. 流动性对箱梁混凝土环应变的影响 Table 6 Range analysis of various factors on concrete cracking performance inde Factors The maximum width of cracks (mm) Average cracking area A (mm 2 /条) The number of cracks in unit area B (条/m 2 ) Total area of the cracks in the unit area C (mm 2 /m 2 ） W/B 0.08 5.36 10 167 Sp 0.10 1.46 11 132 W 0.10 0.15 25 170 PCA 0.20 4.26 63 206 Gradation 0.04 2.14 2 84 表6. 各种因素对混凝土开裂性能指标的极差分析