粉煤灰摻量對混凝土結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響

王寶媛

（長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

混凝土的抗裂性能可以從以下2方面研究：一是提高混凝土的起裂韌度，起裂韌度是抵抗混凝土裂縫開裂的指標(biāo)，作為判斷裂縫起裂的依據(jù)，正如抗壓強(qiáng)度和彈性模型一樣，是材料本身的特征，不受裂縫擴(kuò)展情況的影響；二是提高混凝土的失穩(wěn)韌度，失穩(wěn)韌度作為裂縫擴(kuò)展的指標(biāo)，可以保證裂縫開裂后的穩(wěn)定性?；炷疗茐牡娜^程可以用雙K斷裂參數(shù)描述[1—4]：當(dāng) KIC＜時(shí)，裂縫不擴(kuò)展；當(dāng)KIC＝時(shí)，裂縫起裂，開始穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)KQIC＜KIC＜時(shí)，裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展；當(dāng)KIC＝時(shí)，裂縫處于臨界狀態(tài)，開始失穩(wěn)擴(kuò)展；當(dāng)KIC＞時(shí)，裂縫進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展。因此，混凝土的斷裂韌度可以作為混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂性能指標(biāo)。本文從混凝土材料方面來研究混凝土的斷裂韌度。粉煤灰是混凝土最常用的礦物摻合料之一，它的摻入，不僅可以節(jié)約資源，降低成本，保護(hù)環(huán)境，更在很大程度上改善了混凝土的工作性能。大量研究成果已經(jīng)表明粉煤灰可以起到改善混凝土和易性、降低泌水性、減小水化放熱量、提高后期強(qiáng)度等作用。摻粉煤灰能夠降低混凝土的水化熱溫升、干縮變形和自生體積變形，同時(shí)它也增加了混凝土的早期徐變，這些對提高混凝土結(jié)構(gòu)的早期抗裂能力都是有利的[5—6]。那么，粉煤灰的摻入能否提高混凝土的斷裂韌度？粉煤灰摻量與斷裂韌度大小有什么關(guān)系？這便是本文研究的主要內(nèi)容。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)原材料和配合比

試驗(yàn)采用大連水泥廠生產(chǎn)的P.C32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥；粉煤灰為II級(jí)；拌合及養(yǎng)護(hù)用水為大連地下水；粗骨料采用5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料為中砂，最大粒徑5mm。具體配合比見表1。

表1 試驗(yàn)配合比

1.2 試驗(yàn)制作和方法

采用凈尺寸為230mm×200mm×200mm的專用鋼模澆注混凝土，右側(cè)內(nèi)壁居中放置一50mm×30mm×200mm的預(yù)制凹槽鋼塊?；炷翝沧⑶?，在試模內(nèi)側(cè)放置2mm厚的鋼板（其前端為不大于15°的尖角），鋼板兩面涂上脫模劑，待混凝土初凝后抽出鋼板，在室溫條件下草墊覆蓋，靜置48h后拆模，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室澆水養(yǎng)護(hù)28d。本次試驗(yàn)試件齡期為60d左右。

圖1 試驗(yàn)加載裝置

楔入劈拉試驗(yàn)加載裝置如圖1所示，為了抵消試件自重荷載，在試件的四分點(diǎn)上采用雙線鋼筋支承，其中加載工具為一工字形鋼（本次試驗(yàn)楔形角取15°），然后通過2個(gè)帶有滾軸的傳力鋼板將荷載加在帶有切口的混凝土試塊上。

1.3 試驗(yàn)儀器

所有試驗(yàn)均以位移控制的加載方式在300t液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用8通道IMC采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，5t荷載傳感器測定豎向荷載，量程范圍為0～4mm的夾式引伸儀測定裂縫口張開位移CMOD及裂縫尖端張開位移CTOD，在裂縫尖端處布置了電阻應(yīng)變片用來監(jiān)測混凝土裂縫起裂。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過力—裂縫尖端張開位移（P－CTOD）曲線上升段捕捉混凝土的起裂荷載PQ，由PQ和初始裂縫長度a0計(jì)算出起裂韌度值KQIC，由最大荷載Pmax和有效裂縫長度ac計(jì)算出失穩(wěn)韌度值KSIC。其中，有效裂縫長度ac通過裂縫口張開位移（P－CMOD）曲線得到。按照DL／T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》[7]中的公式計(jì)算各組試件的起裂韌度和失穩(wěn)韌度。

在25個(gè)試件中，因?yàn)閵A子在試驗(yàn)中脫落，有4個(gè)試件沒有測到P－CMOD曲線，對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)最終結(jié)果以及平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)列于表2中。從表中可以看出，起裂荷載與極限荷載比值在0.592～0.890之間，平均值0.733，有效裂縫長度ac的平均值為126.322mm，與理論符合較好。粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土起裂韌度、失穩(wěn)韌度均達(dá)到最高值。

2.2 試驗(yàn)分析

粉煤灰在混凝土中發(fā)揮重要作用，是物理與化學(xué)作用，即粉煤灰的三大效應(yīng)[8]——形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

水膠比小幅度變化對復(fù)合膠凝材料中粉煤灰作用機(jī)理影響不大[9]。從計(jì)算結(jié)果可以看出，摻入粉煤灰的混凝土起裂荷載、失穩(wěn)荷載、起裂韌度以及失穩(wěn)韌度都得到了不同程度的提高。經(jīng)試驗(yàn)觀察，楔入劈拉試件的破壞路徑大多繞過骨料而行，劈拉破壞發(fā)生在界面。粉煤灰的摻入可以使混合物的劈裂強(qiáng)度提高1倍[10]。從物理方面分析，素混凝土的拌制過程中，由于骨料顆粒較大，表面吸附著大量的游離水和氣泡，振搗過程中水分和氣泡逐漸向上溢出，部分水分和氣泡無法穿越骨料的阻礙，停留在骨料底部，形成水囊和氣孔。養(yǎng)護(hù)過程中，這些游離水蒸發(fā)，產(chǎn)生大量聯(lián)通的孔隙。若拌制過程中摻入粉煤灰，由于粉煤灰能夠吸附大量的自由水，使骨料底部滯留水減少，孔隙變小，大大降低了混凝土原始缺陷的出現(xiàn)，有利于提高混凝土劈拉試件的起裂荷載和失穩(wěn)荷載[11]。從火山灰效應(yīng)方面來分析，水化后期，粉煤灰與氫氧化鈣晶體發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成硅酸鈣凝膠、鋁酸鈣凝膠和纖維狀的硫鋁酸鈣晶體，與結(jié)晶體相比，凝膠體具有更大的韌性，同時(shí)穩(wěn)定的纖維狀硫鋁酸鈣晶體也具有很好的抗拉能力[5]。從微集料效應(yīng)方面來分析，微細(xì)的粉煤灰減小了混凝土中的孔隙體積，改善了水泥界面的微結(jié)構(gòu)，有效抑制了原生微裂縫的產(chǎn)生，提高了混凝土的抗拉能力。

粉煤灰表觀密度只有水泥的2／3左右，因此粉煤灰顆?？梢蕴畛湓谒囝w粒的孔隙之中，在水泥的水化過程中，粉煤灰顆粒均勻填充于水化產(chǎn)物中。粉煤灰顆粒彈模大約為水泥彈模的2倍[12]，粉煤灰顆粒的彈性模量較高，因此微集料效應(yīng)可以有效抑制混凝土的斷裂，但其發(fā)揮程度受到粉煤灰與水泥相互作用的界面情況影響。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，小于10nm的凝膠孔最多[13]，水泥和粉煤灰粒子組成了合理的微級(jí)配，微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)的交互作用有效地提高了混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。然而，粉煤灰摻量為40%的混凝土，粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為2︰3，恰好與粉煤灰與水泥的表觀密度之比吻合，此時(shí)粉煤灰與水泥的表觀體積相同，基體結(jié)合明顯變差，其微集料效應(yīng)不能發(fā)揮出來。粉煤灰摻量為50%時(shí)，起裂韌度和失穩(wěn)韌度值又得到了一定的提高。把粉煤灰看成是基體的媒介，媒介的增加，減少了顆粒之間的間距，從而獲得了很好的孔結(jié)構(gòu)。Berry[14]等提出了大摻量粉煤灰水泥系統(tǒng)的2種膠結(jié)原理：一是因?yàn)樗嗨摹按龠M(jìn)”作用，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的水化產(chǎn)物，超過了通常的化學(xué)計(jì)量比；二是通過粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)，形成了額外的膠結(jié)生成物。所以對于大摻量的粉煤灰混凝土，填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)得以充分發(fā)揮。

表2中可以看出，粉煤灰摻量為30%的混凝土起裂韌度平均值為0.515MPa·m1／2，素混凝土的起裂韌度平均值為0.377MPa·m1／2，起裂韌度增加了36.7%，同時(shí)，起裂荷載、失穩(wěn)荷載和失穩(wěn)韌度均達(dá)到最大值。可以得出，粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能最優(yōu)；粉煤灰摻量為40%時(shí)，混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能都不及素混凝土；粉煤灰摻量為50%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度降低幅度很大，對于一定齡期內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)還有強(qiáng)度的要求，雖然斷裂性能良好，但是不符合工程實(shí)際中對強(qiáng)度的要求。

綜合上述分析結(jié)果，粉煤灰摻量為30%的混凝土結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能的同時(shí)，有效地提高了結(jié)構(gòu)的抗裂能力。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

（1）粉煤灰的摻入，能夠有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的斷裂性能。

（2）當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土斷裂性能最優(yōu)。

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