礦物摻合料對混凝土塑性收縮裂縫的影響

曾國東1，周敏2，楊騰宇3，邱冰4

(1.佛山市公路橋梁工程監測站有限公司,廣東佛山 52800）

摘 要：針對高膠凝材料用量泵送混凝土早期塑性收縮開裂現象普遍存在并導致混凝土結構耐久性衰減的問題，進行了摻合料對混凝土早期塑性開裂的影響效果比對試驗，研究了花崗巖石粉、粉煤灰對混凝土工作性、抗壓強度、早期塑性抗裂性能的影響規律，結果表明:摻合料品種、摻量對混凝土早期塑性開裂性能影響差異顯著，15%～20%摻量的粉煤灰或15%摻量的花崗巖石粉能有效降低混凝土早期開裂風險。

關鍵詞：混凝土；粉煤灰；花崗巖石粉；塑性開裂

混凝土裂縫為有害離子侵入提供通道，加速了內部鋼筋銹蝕并影響構件使用壽命[1-3]。塑性收縮裂縫是混凝土早期原生裂縫重要組成部分，其存在對混凝土結構后期裂縫的發展具有一定促進作用[4]。我國工程質量調查表明，部分混凝土路面施工完成幾天內、甚至不到一天就出現開裂問題[5]，其他工程領域如海港工程、橋梁工程、軌道工程混凝土早期塑性收縮裂縫問題也普遍存在[6]。

不同品種的礦物摻合料具有諸多優異性能，尤其是優質粉煤灰對混凝土早期塑性收縮開裂的改善效果已經有較為深入的研究[7-9]。但隨著我國混凝土需求量日益增加，市場上礦物摻合料品質參差不齊，摻合料不當的使用對混凝土帶來的質量隱患逐漸得到國內外科研和工程技術人員的高度重視[10,11]。因此，研究了不同品質、不同摻量礦物摻合料對混凝土工作性、抗壓強度、早期抗裂性的影響及變化規律，通過礦物摻合料化學成分、微觀形貌分析了其對混凝土塑性收縮裂縫的影響機理，對有早期塑性收縮開裂風險混凝土的原材料選擇具有一定指導意義。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

（1）水泥：試驗采用華潤水泥廠生產的P·O42.5級水泥，水泥主要性能見表1；

（2）礦物摻合料：佛山周邊地區花崗巖石粉GP，廣州黃埔電廠生產II級粉煤灰FA，其化學成分及物理性能見表2、表3。

（3）粗骨料：產地為廣東云浮，采用5~25mm連續級配，其中5~10mm：10~25mm=3:7；

（4）細骨料：采用河砂，產地廣西西江，含泥量為0.5%，表觀密度2630kg/m3，細度模數為2.6；

（5）外加劑為中交武漢港灣設計研究院有限公司生產的LN-SP型聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠凝材料的1.0%，減水率36%，固體含量22.26%；

（6）水采用當地飲用水。

1.2 試驗方法

試驗選取設計強度為C40的基準配合比。在此基礎上固定水膠比為0.38、單位用水量為152kg/m3,膠凝材料總量為400kg/m3，且外加劑摻量保持不變，分別選用花崗巖石粉GP、粉煤灰FA對水泥進行15%、20%、25%的等量取代，共7組配合比，見表4.

混凝土工作性能測試按《普通混凝土拌合物性能方法試驗標準》（GB/T 50080-2016）；抗壓強度測試按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB 50081-2002）進行；早期抗裂試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT50082-2009）。

混凝土蒸發失水量試驗在表4配合比基礎上除去粗骨料成型φ100mm×50mm砂漿圓柱體試件放置于環境溫度為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%，并控制試件表面中心正上方100mm處風速為（5±0.5）m/s；測試混凝土2h、12h、24h蒸發失水量。

2 試驗結果與討論

2.1 摻入不同礦物摻合料對混凝土工作性與抗壓強度的影響

檢測各組配合比混凝土試樣的工作性能和抗壓強度數據如圖1~4所示。

由圖1和圖2可知，相對基準組JZ混凝土，摻合料的摻入均可在一定程度上改善混凝土拌合物工作性，摻量在20%時拌合物坍落度、擴展度達到最大值，但摻合料品種對混凝土工作性影響顯著�；◢弾r石粉摻量低于25%時混凝土工作性均有所改善，相對花崗巖石粉，粉煤灰的摻入對拌合物流動性改善效果更佳，在摻量均為20%條件下，與摻入花崗巖石粉混凝土拌合物相比，摻入粉煤灰拌合物坍落度提高10.0%、擴展度提高5.8%，

由圖3、圖4可知，粉煤灰的摻入可提升混凝土抗壓強度，且存在最優摻量，約在20%左右；摻入花崗巖石粉混凝土7d、28d抗壓強度均有所降低，且隨著摻量的增加，下降幅度也越大。以摻量為25%情況為例，摻入粉煤灰混合料FA1混凝土，相對摻入粉煤灰FA2混凝土28d強度降低7.1MPa，相對未摻入摻合料基準組28d強度降低8.7MPa。

2.3摻入不同礦物摻合料對混凝土蒸發失水量影響

不同礦物摻合料品種及摻量混凝土試樣的蒸發失水量數據如圖5所示

從圖5中我們可以明顯的看到，隨著礦物摻合料摻量的增加，2h、12h、24h蒸發失水量均呈增大的趨勢。與基準組JZ相比，摻入25%粉煤灰混合料FA1混凝土24h蒸發失水量提高了20.5%，摻入25%粉煤灰FA2混凝土24h蒸發失水量提高了54.4%。

2.4 摻入不同礦物摻合料對混凝土早期抗裂性的影響

不同礦物摻合料品種及摻量混凝土試樣的早期開裂數據如表5所示。

表5反映了不同品種、不同摻量礦物摻合料對混凝土早期抗裂性能的影響，可以發現粉煤灰的摻入使混凝土總開裂面積大幅減小，當其摻量為20%時，開裂面積達到最小值，對比未摻入粉煤灰的基準組JZ，總開裂面積降低幅度高達96%，同時最大裂縫寬度減小、裂縫初始產生的時間延遲。15%摻量的花崗巖石粉（圖6b）相對基準組JZ（圖6a）混凝土抗裂性有明顯改善，但隨著摻量增加其總開裂面積、平均裂縫寬度、裂縫數目增加。

3、機理分析

采用Quanta 650FEG型掃描電子顯微鏡分別對花崗巖石粉、粉煤灰進行了形貌測試分析。如圖7所示，花崗巖石粉顆粒呈現為大量的不規則晶體，顆粒表面棱角尖銳，而粉煤灰富含球形玻璃體顆粒，表面光滑但多孔，粘附著更為細小的球形顆粒。

原狀粉煤灰中富含球狀玻璃微珠，其均勻分布于水泥漿體中，不僅起到分散潤滑作用，同時填充混凝土內部孔隙，增加了混凝土內部“自由水”含量，改善混凝土拌合物流動性，具有明顯的“形態效應”與“微集料效應”，同時粉煤灰的二次水化反應使其具備“火山灰效應”，有利于混凝土后期強度的增長�；◢弾r石粉雖然不具備“形態效應”與“火山灰效應”，但摻入混凝土中時可發揮一定的“微集料效應”，通過改善膠凝材料的顆粒級配，使膠凝材料顆粒體系需水量降低，提高拌合物流動性。

花崗巖石粉、粉煤灰的摻入提高了混凝土材料體系密實度，置換出的孔隙水使混凝土在塑性階段可用于蒸發的“自由水”含量增加，由于塑性開裂是在混凝土表面水分快速蒸發且混凝土泌水量不足以彌補蒸發水量的情況下產生的[12]。所以花崗巖石粉、粉煤灰的摻入使混凝土可供蒸發失水量的自由水含量增多、塑性收縮減小，混凝土開裂面積、裂縫寬度減小，并有效延緩了塑性收縮裂縫的產生時間，提升了混凝土抗裂性。過量的花崗巖石粉摻入混凝土中將導致膠凝材料的粒子級配劣化、同時早期強度發展緩慢，混凝土孔隙率及需水量增大，相同蒸發失水速率條件下混凝土內部可供蒸發“自由水”含量相對較少，空隙水壓力迅速發展，導致混凝土早期裂縫迅速發展，開裂風險增大。

4 結論

（1）粉煤灰、花崗巖石粉可有效改善混凝土拌合物工作性，摻量為20%時效果最優；

（2）粉煤灰的摻入可提升混凝土28d抗壓強度，且存在最優摻量，約在20%左右�；◢弾r石粉的取代水泥對混凝土抗壓強度，尤其是28d后期抗壓強度影響不利；

（3）摻加15%～20%原狀粉煤灰或15%摻量的花崗巖石粉可明顯減少混凝土裂縫數量，降低裂縫寬度，延緩開裂時間。

參考文獻

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