孫江云,金寶宏,侯玉飛

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院,銀川　750021;2.寧夏大學 新華學院,銀川　750021)

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礦物摻合料對高性能混凝土塑性收縮裂縫的影響

孫江云1,金寶宏1,侯玉飛2

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院,銀川750021;2.寧夏大學 新華學院,銀川750021)

摘要：采用四周約束平板法測試系統(tǒng),研究了粉煤灰、礦渣及硅灰不同摻量比對高性能混凝土早期塑性開裂的影響,同時對其開裂機理進行了研究探討。試驗結果表明:粉煤灰和礦渣的摻入對混凝土早期塑性開裂均有很好的抑制作用,粉煤灰的抑制效果要優(yōu)于礦渣;硅灰的摻入加劇了混凝土的早期塑性開裂,并隨著摻量的增加開裂愈加明顯。

關鍵詞：混凝土;礦物摻合料;塑性開裂

高強、高性能混凝土因其優(yōu)良的性能在工程中得到了廣泛的應用,給社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益,但其在早期裂縫方面的問題尤為嚴峻。調(diào)查發(fā)現(xiàn),高性能混凝土出現(xiàn)裂縫的時間大部分在凝結開始的幾天內(nèi),有的還不到一天就有明顯裂紋[1]。裂縫的存在會降低混凝土結構的承載能力,削弱結構的耐久性,縮短建筑物的使用壽命。因此,為了推廣高性能混凝土在工程中的應用,其早期開裂的研究需要進一步開展。

高性能混凝土的配置特征是采用低水膠比,除水泥、水、集料外,必須摻加足夠的礦物摻合料和高效外加劑[2]。礦物摻合料的摻入明顯改善了混凝土內(nèi)部的微觀結構,提高了混凝土的后期強度,已成為配制現(xiàn)代混凝土不可或缺的組分之一。但工程實踐表明,不恰當?shù)氖褂玫V物摻合料也會增加混凝土的收縮,導致混凝土開裂[3-4]。因此掌握礦物摻合料對高性能混凝土早期開裂的影響對混凝土未來的發(fā)展具有重要意義。本文選取了粉煤灰、礦渣、硅灰3種常用礦物摻合料,通過四周約束平板法測試系統(tǒng),研究了三者在不同摻量時對高性能混凝土早期塑性開裂的影響,并結合水分蒸發(fā)試驗分析了其開裂機理。

1試驗概況

1.1原材料

水泥， 寧夏賽馬牌42.5R普通硅酸鹽水泥; 粉煤灰， 寧夏靈武發(fā)電廠的Ⅰ級粉煤灰; 礦渣， 寧夏石嘴山鋼廠, 比表面積為286.9 m2/kg; 硅灰，寧夏銀俊公司, 比表面積2 000 m2/kg; 粗集料， 寧夏干溝產(chǎn)人工碎石, 粒徑為5～26.5 mm連續(xù)級配, 含泥量為0.17%; 細集料， 寧夏鎮(zhèn)北堡砂廠人工水洗中砂, 細度模數(shù)2.46, 含泥量0.95%; 減水劑， 北京幕湖外加劑有限公司生產(chǎn)的粉狀聚羧酸高效減水劑, 減水效率為30%以上; 水， 自來水。

1. 2試驗配合比設計

共設計了12組試驗,各組試驗水膠比、砂率、集料用量以及用水量均保持不變。在此基礎上, 變化各礦物摻合料的摻量, 其中: ① 粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%;② 礦渣摻量分別為10%、20%、30%、40%;③硅灰摻量分別為5%、10%、15%,以上礦物摻合料對水泥的取代均為等質(zhì)量取代。另外, 通過調(diào)整減水劑的用量使新拌混凝土塌落度值保持在(20±2)cm范圍內(nèi)。具體配合設計如表1所示。

表1　混凝土配合比、工作性能及其力學性能Table 1　Mixture proportions and fresh properties and compressive strength of concrete mixtures

1.3試驗方法

試驗模擬混凝土在四周全約束狀態(tài)下的早期開裂情況,設計采用內(nèi)邊尺寸為600 mm×600 mm×63 mm的鋼制方形模具,同時在模具的每個邊上焊接兩排Φ6的螺紋鋼筋伸向模具內(nèi)側起約束作用,上下兩排鋼筋長度分別為100和50 mm,相互交錯布置,具體如圖1所示。

圖1　塑性收縮的平板約束試驗裝置Fig.1　Experimental device of flat test

試驗時,將攪拌好的混凝土澆入上述模具中進行振搗抹平,然后將其置于相對濕度為(40±5)%、 溫度為(20±2) ℃、風速為6 m/s的環(huán)境中進行跟蹤觀測,每隔10 min觀察一次,直到試件表面首次出現(xiàn)裂縫為止,并記錄首次出現(xiàn)裂縫的時間。試件養(yǎng)護至24 h后,對試件表面每條裂縫進行標號,利用100倍的讀數(shù)顯微鏡和鋼尺對每條裂縫的最大寬度di和長度li進行測量和記錄,并按照公式(∑li×di)計算試件表面的裂縫總面積。本文中的水分蒸發(fā)試驗所采用的模具尺寸為150 mm×150 mm×63 mm,將攪拌好的混凝土澆筑其中并放置于與上述相同的環(huán)境下來模擬混凝土的水分散失情況。

2試驗結果與分析

2.1水分蒸發(fā)試驗

塑性收縮是指早期化學收縮、沉降收縮、自收縮及混凝土表面水分蒸發(fā)速率大于泌水速率等因素共同作用下的體積變化。水分蒸發(fā)速率越快,毛細管水達到臨界壓力的時間就會越短,進而早期開裂的風險也會越大。因此,水分蒸發(fā)速率的快慢是評價混凝土塑性裂縫產(chǎn)生的重要指標之一。

由圖2可以看出,混凝土24 h水分蒸發(fā)速率隨著粉煤灰和硅灰摻量的增加而降低,其中硅灰的降低程度更加明顯;而礦渣對混凝土24 h水分蒸發(fā)速率的影響與前兩者正好相反, 即隨著礦渣摻量的增加水分蒸發(fā)速率隨之增大,尤其在摻量為40%時,水分蒸發(fā)速率是基準組JZ的1.2倍。

2.2粉煤灰摻量對混凝土塑性開裂的影響

由圖3可以看出, 隨著粉煤灰摻量的增加, 混凝土首次出現(xiàn)裂縫的時間有所推遲, 24 h的最大裂縫寬度和裂縫總面積呈先減后增的趨勢。其中,當粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%時,混凝土裂縫總面積相較于基準組JZ分別降低了29%、67%、73%、47%左右。可見,粉煤灰的摻入有效抑制了混凝土早期的塑性開裂,同時還存在一臨界摻量,此臨界值在30%左右。

圖2　粉煤灰、礦渣和硅灰對混凝土水分蒸發(fā)速率的影響Fig.2　Effect of fly ash,slag and silica fume on the rate of concrete water evaporation

圖3　粉煤灰摻量對混凝土塑性開裂的影響Fig.3　Effect of fly ash content on the early-age plastic shrinkage crack of concrete

結合水分蒸發(fā)試驗可知,隨著粉煤灰摻量的增加,水分蒸發(fā)速率隨之減小,這在一定程度上推遲了毛細管負壓達到其臨界壓力值的時間,進而有效抑制了混凝土早期的塑性收縮。其次,隨著粉煤灰摻量的增加,混凝土早期的抗拉強度也隨之降低[5],顯然這對于抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生是非常不利的。綜合以上分析可知,粉煤灰對混凝土塑性收縮裂縫的影響既有有利的一面,也有不利的一面,試驗中臨界摻量30%的值,是對混凝土塑性收縮裂縫的影響有利與不利的閾值。

2.3礦渣摻量對混凝土塑性開裂的影響

由圖4可以看出,隨著礦渣摻量的增加,混凝土首次出現(xiàn)裂縫的時間有所推遲,24 h的最大裂縫寬度和裂縫總面積呈先減后增的趨勢。其中,當?shù)V渣摻量為10%、20%、30%、40%時,混凝土裂縫總面積相較于基準組JZ分別降低了6%、51%、64%、55%左右。可見,礦渣的摻入和粉煤灰一樣有效抑制了混凝土早期的塑性開裂,同時也存在一臨界摻量,此臨界值在30%左右。

從水分蒸發(fā)試驗可知, 隨著礦渣摻量的增加水分蒸發(fā)速率隨之增大,顯然這對于延緩毛細管負壓的增大是不利的,不過摻入礦渣后混凝土表面較大的泌水量能夠及時地補充水分蒸發(fā),進而在一定程度上削弱了這種不利的影響。其次,隨著礦渣摻量的增加,混凝土早期的抗拉強度也隨之降低[5], 顯然這對于改善混凝土早期的抗裂性能是非常不利的。綜合以上分析可知,礦渣對混凝土塑性收縮裂縫的影響規(guī)律與粉煤灰類似, 只是在抑制程度上要略差于粉煤灰。

圖4　礦渣摻量對混凝土塑性開裂的影響Fig.4　Effect of slag content on the early-age plastic shrinkage crack of concrete

2.4硅灰摻量對混凝土塑性開裂的影響

由圖5可以看出,隨著硅灰摻量的增加,混凝土首次出現(xiàn)裂縫的時間有所提前,24 h的最大裂縫寬度和裂縫總面積均呈遞增趨勢。顯然,硅灰的摻入明顯增加了混凝土早期塑性開裂的風險,尤其是在摻量為15%時,最大裂縫寬度和裂縫總面積相較于基準組JZ分別增大了100%和280%。因此,在惡劣的環(huán)境條件下,對摻入硅灰的混凝土更應該注意早期養(yǎng)護。

從水分蒸發(fā)試驗可知,隨著硅灰摻量的增加水分蒸發(fā)速率明顯減小,雖然這有利于延緩毛細管負壓力的增長速率,但由于硅灰顆粒小、細度大、親水性強的特點,使得混凝土表面泌水速率遠低于水分蒸發(fā)速率。因此, 在相同環(huán)境下, 硅灰

摻量的增加反而可能會增大混凝土早期的塑性收縮。其次,隨著硅灰摻量的增加,混凝土早期的抗拉強度也隨之增大,但其增長幅度要遠小于抗壓強度的增長[5]。因此,在硅灰對混凝土塑性收縮裂縫的影響過程中, 塑性收縮應力的增長成為了主導因素。

3結論

(1)粉煤灰和礦渣的摻入推遲了混凝土首次出現(xiàn)裂縫的時間,減小了24 h最大裂縫寬度和裂縫總面積,二者均有效抑制了混凝土的早期塑性開裂。在相同摻量時,粉煤灰的抑制效果要優(yōu)于礦渣。

(2)硅灰的摻入縮短了混凝土首次出現(xiàn)裂縫的時間,增大了24 h的最大裂縫寬度和裂縫總面積,明顯加劇了混凝土早期的塑性開裂程度。

圖5　硅灰摻量對混凝土塑性開裂的影響Fig.5　Effect of silica fume content on the early-age plastic shrinkage crack of concrete

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[5]蘇安雙.高性能混凝土早期收縮性能及開裂趨勢研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2008.

文章編號:1674-9057(2016)02-0285-04

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.014

收稿日期：2014-11-25

基金項目：寧夏高等學?？茖W研究項目(NYG2013132);寧夏大學科技創(chuàng)新與人文社會科學研究項目

作者簡介：孫江云(1989—)，男，碩士研究生，研究方向：鋼筋混凝土結構理論與應用。

通信作者：金寶宏，教授，jinbaohong@163.com。

中圖分類號：TU528

文獻標志碼：A

Experiment of mineral blenders on high performance concrete plastic shrinkage crack

SUN Jiang-yun1,JIN Bao-hong1,HOU Yu-fei2

(1.College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Xinhua College of Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

Abstract:In order to study the influence of the content of fly ash, slag and silica fume on the early-age plastic shrinkage crack of the high performance concrete, this paper adopted the constraints in the plate method. Meanwhile, the early-age plastic shrinkage crack mechanism of concrete was analyzed. The results show that the incorporation of fly ash and slag on the early-age concrete plastic cracking are good inhibitory effect, and fly ash is superior to the inhibitory effect of slag.Silica fume could increase the early-age plastic cracking of concrete, and with the increase of dosage,cracking is becoming ever more obvious.

Key words:concrete; mineral admixture;plastic cracking

引文格式：孫江云,金寶宏,侯玉飛.礦物摻合料對高性能混凝土塑性收縮裂縫的影響[J].桂林理工大學學報，2016,36(2):285-288.