礦物摻合料對(duì)高性能混凝土塑性收縮裂縫的影響

孫江云,金寶宏,侯玉飛

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

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礦物摻合料對(duì)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(xué) 土木與水利工程學(xué)院,銀川750021;2.寧夏大學(xué) 新華學(xué)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(duì)高性能混凝土早期塑性開裂的影響,同時(shí)對(duì)其開裂機(jī)理進(jìn)行了研究探討。試驗(yàn)結(jié)果表明:粉煤灰和礦渣的摻入對(duì)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(guān)鍵詞：混凝土;礦物摻合料;塑性開裂

高強(qiáng)、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(yīng)用,給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,但其在早期裂縫方面的問題尤為嚴(yán)峻。調(diào)查發(fā)現(xiàn),高性能混凝土出現(xiàn)裂縫的時(shí)間大部分在凝結(jié)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(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力,削弱結(jié)構(gòu)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(yīng)用,其早期開裂的研究需要進(jìn)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(jié)構(gòu),提高了混凝土的后期強(qiáng)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(shí)踐表明,不恰當(dāng)?shù)氖褂玫V物摻合料也會(huì)增加混凝土的收縮,導(dǎo)致混凝土開裂[3-4]。因此掌握礦物摻合料對(duì)高性能混凝土早期開裂的影響對(duì)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(shí)對(duì)高性能混凝土早期塑性開裂的影響,并結(jié)合水分蒸發(fā)試驗(yàn)分析了其開裂機(jī)理。

1試驗(yàn)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(jí)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(jí)配, 含泥量為0.17%; 細(xì)集料， 寧夏鎮(zhèn)北堡砂廠人工水洗中砂, 細(xì)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(yàn)配合比設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了12組試驗(yàn),各組試驗(yàn)水膠比、砂率、集料用量以及用水量均保持不變。在此基礎(chǔ)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(duì)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(shè)計(jì)如表1所示。

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

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)M混凝土在四周全約束狀態(tài)下的早期開裂情況,設(shè)計(jì)采用內(nèi)邊尺寸為600 mm×600 mm×63 mm的鋼制方形模具,同時(shí)在模具的每個(gè)邊上焊接兩排Φ6的螺紋鋼筋伸向模具內(nèi)側(cè)起約束作用,上下兩排鋼筋長度分別為100和50 mm,相互交錯(cuò)布置,具體如圖1所示。

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

試驗(yàn)時(shí),將攪拌好的混凝土澆入上述模具中進(jìn)行振搗抹平,然后將其置于相對(duì)濕度為(40±5)%、 溫度為(20±2) ℃、風(fēng)速為6 m/s的環(huán)境中進(jìn)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(shí)間。試件養(yǎng)護(hù)至24 h后,對(duì)試件表面每條裂縫進(jìn)行標(biāo)號(hào),利用100倍的讀數(shù)顯微鏡和鋼尺對(duì)每條裂縫的最大寬度di和長度li進(jìn)行測量和記錄,并按照公式(∑li×di)計(jì)算試件表面的裂縫總面積。本文中的水分蒸發(fā)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1水分蒸發(fā)試驗(yàn)

塑性收縮是指早期化學(xué)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(xì)管水達(dá)到臨界壓力的時(shí)間就會(huì)越短,進(jìn)而早期開裂的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)越大。因此,水分蒸發(fā)速率的快慢是評(píng)價(jià)混凝土塑性裂縫產(chǎn)生的重要指標(biāo)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(duì)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(shí),水分蒸發(fā)速率是基準(zhǔn)組JZ的1.2倍。

2.2粉煤灰摻量對(duì)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(shí)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(dāng)粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%時(shí),混凝土裂縫總面積相較于基準(zhǔn)組JZ分別降低了29%、67%、73%、47%左右?？梢?粉煤灰的摻入有效抑制了混凝土早期的塑性開裂,同時(shí)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(duì)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(duì)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(jié)合水分蒸發(fā)試驗(yàn)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(xì)管負(fù)壓達(dá)到其臨界壓力值的時(shí)間,進(jìn)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(qiáng)度也隨之降低[5],顯然這對(duì)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(duì)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(yàn)中臨界摻量30%的值,是對(duì)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(duì)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(shí)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(dāng)?shù)V渣摻量為10%、20%、30%、40%時(shí),混凝土裂縫總面積相較于基準(zhǔn)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(shí)也存在一臨界摻量,此臨界值在30%左右。

從水分蒸發(fā)試驗(yàn)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(duì)于延緩毛細(xì)管負(fù)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(shí)地補(bǔ)充水分蒸發(fā),進(jìn)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(qiáng)度也隨之降低[5], 顯然這對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(fēng)險(xiǎn),尤其是在摻量為15%時(shí),最大裂縫寬度和裂縫總面積相較于基準(zhǔn)組JZ分別增大了100%和280%。因此,在惡劣的環(huán)境條件下,對(duì)摻入硅灰的混凝土更應(yīng)該注意早期養(yǎng)護(hù)。

從水分蒸發(fā)試驗(yàn)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(xì)管負(fù)壓力的增長速率,但由于硅灰顆粒小、細(xì)度大、親水性強(qiáng)的特點(diǎn),使得混凝土表面泌水速率遠(yuǎn)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(huì)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(qiáng)度也隨之增大,但其增長幅度要遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的增長[5]。因此,在硅灰對(duì)混凝土塑性收縮裂縫的影響過程中, 塑性收縮應(yīng)力的增長成為了主導(dǎo)因素。

3結(jié)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(shí)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(shí),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(shí)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(duì)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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文章編號(hào):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(xiàng)目：寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NYG2013132);寧夏大學(xué)科技創(chuàng)新與人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)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(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用。

通信作者：金寶宏，教授，jinbaohong@163.com。

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)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(duì)高性能混凝土塑性收縮裂縫的影響[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(2):285-288.