礦物摻和料對(duì)混凝土斷裂性能的影響研究

林凱斌　李宇坤　王志琛　曾煒圣　張?jiān)品×中烙?/p>

(福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建 福州　350108)

0　引言

混凝土是一種典型的非均質(zhì)多相復(fù)合材料，包括素混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土，由混凝土組成的結(jié)構(gòu)稱為混凝土結(jié)構(gòu)?；炷烈蚱溆辛己玫哪途眯院涂箟耗芰?，在土木工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在混凝土中摻入礦物摻和料可提高混凝土的密實(shí)度，提高混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)有一定的促進(jìn)作用，使得礦物摻和料的使用越來(lái)越廣泛，因此對(duì)礦物摻和料混凝土的斷裂性能研究是很有必要的。

1　混凝土斷裂力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展

斷裂力學(xué)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的學(xué)科，它主要研究帶裂縫固體的強(qiáng)度和裂縫擴(kuò)展、失穩(wěn)、傳播和止裂的規(guī)律，是固體力學(xué)的一個(gè)新型的重要分支，又稱為“裂紋力學(xué)”。

英國(guó)物理學(xué)家格里菲斯于1920年在對(duì)玻璃的斷裂研究中提出了斷裂力學(xué)的基本概念[1]，他認(rèn)為，實(shí)際固體中隨機(jī)分布著許多初始微裂紋或缺陷，當(dāng)受到外力作用時(shí)這些部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力增大到其理論強(qiáng)度時(shí)，裂紋就開(kāi)始擴(kuò)展形成裂縫，隨著荷載的增大，裂縫開(kāi)始不穩(wěn)定擴(kuò)展，相互貫通，最終導(dǎo)致了固體的斷裂。

隨著礦物摻和料在混凝土中的廣泛使用，因此礦物摻和料對(duì)混凝土斷裂性能的影響需要深入地進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2　礦物摻和料對(duì)混凝土斷裂性能的影響研究

2.1　粉煤灰

粉煤灰在混凝土材料中是一種很常見(jiàn)的礦物摻和料，將粉煤灰加入混凝土中可以使混凝土水化過(guò)程中減少放熱量，粉煤灰在混凝土中的“三大效應(yīng)”[10]可以很好的改善混凝土的流動(dòng)性和和易性等，這對(duì)混凝土的早期收縮開(kāi)裂有一定的抑制作用，在一定程度上也可提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

摻入粉煤灰對(duì)混凝土的斷裂性能也有一定的影響，蔣梅玲[11]通過(guò)三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，計(jì)算雙K斷裂參數(shù)，得到結(jié)論：摻入30%的粉煤灰與普通混凝土的斷裂韌度有一定程度的降低，失穩(wěn)韌度降低的幅度較大，28 d齡期的摻粉煤灰混凝土比普通混凝土的失穩(wěn)韌度降低了6.4%；而王寶媛[12]通過(guò)分別摻入20%,30%,40%和50%的粉煤灰，采用楔入劈拉法進(jìn)行混凝土的斷裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果摻入30%的粉煤灰對(duì)混凝土的斷裂韌度有明顯的提高，而且各項(xiàng)力學(xué)性能良好，表明粉煤灰對(duì)混凝土的斷裂性能有一定的促進(jìn)的作用。楊靜等人[13]通過(guò)研究?jī)鋈诃h(huán)境下對(duì)粉煤灰混凝土斷裂能的影響，得出結(jié)論摻粉煤灰混凝土經(jīng)過(guò)凍融之后，較未摻粉煤灰混凝土的斷裂能降低幅度較低，主要由于摻粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，使得混凝土強(qiáng)度和韌度都有一定的提升，提高抗裂能力。羅素蓉等人[14]通過(guò)研究粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土斷裂性能的影響，得到結(jié)論當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，自密實(shí)混凝土的斷裂性能最優(yōu)，雖然其失穩(wěn)韌度仍低于普通混凝土，然而其黏聚韌度較普通混凝土有較大的提升，這主要是由于粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)得到最大的發(fā)揮，使得自密實(shí)混凝土抗裂性能得到提升。

2.2　礦渣

礦渣全名超細(xì)高爐礦渣粉，是生產(chǎn)新型高強(qiáng)高性能混凝土不可或缺的一種礦物摻和料。從混凝土各項(xiàng)性能方面，摻入礦渣，可以提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗裂性以及耐腐蝕性等，從而提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命[15]。礦渣通常情況下是與粉煤灰進(jìn)行復(fù)摻，當(dāng)二者復(fù)摻時(shí)，這二者會(huì)產(chǎn)生“疊加效應(yīng)”，在水化過(guò)程中可以相互作用、相互促進(jìn)，改善水泥漿體的孔隙，使混凝土的強(qiáng)度提高[16]。

施惠生等人[17]通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究礦渣和粉煤灰的摻入對(duì)混凝土斷裂性能的影響，研究結(jié)果表明無(wú)論是單摻礦渣還是復(fù)摻粉煤灰礦渣均對(duì)混凝土的斷裂韌度和斷裂能有提高的作用。陳紅莉[18]通過(guò)摻入不同的礦物摻和料得出結(jié)論，當(dāng)摻入30%礦渣時(shí)混凝土的斷裂能高于普通混凝土，甚至超過(guò)了摻15%粉煤灰混凝土和摻硅灰混凝土。王德輝[19]研究單摻礦渣對(duì)再生骨料混凝土的斷裂性能影響結(jié)果表明，礦渣單摻摻量為20%時(shí)，再生骨料混凝土的28 d抗裂性能達(dá)到最優(yōu)，韌性指數(shù)比普通混凝土提高了6.6%。文獻(xiàn)[14]通過(guò)研究粉煤灰與礦渣的多組復(fù)摻對(duì)自密實(shí)混凝土斷裂性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)復(fù)摻總量為30%，粉煤灰和礦渣摻入比例為3∶7時(shí)混凝土的斷裂性能最優(yōu)。

2.3　硅灰

硅灰的顆粒粒徑很小，平均粒徑為0.1 μm，是水泥粒徑的1/100，這樣的物理特性使得硅灰顆粒在混凝土中可以充分地填充于水泥及水泥水化顆粒之間，使得水化顆粒堆積得更加緊密，改善了水泥漿體與骨料之間過(guò)渡界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了黏結(jié)強(qiáng)度，從而提高混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，提高了混凝土的耐久性。

程多松等人[20]通過(guò)研究礦物摻和料的摻入對(duì)混凝土脆性的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和硅灰復(fù)摻時(shí)可對(duì)混凝土脆性有明顯的改善，當(dāng)硅灰和粉煤灰以1∶2摻入，總摻量為30%時(shí)最佳。文獻(xiàn)[18]中的研究結(jié)果顯示摻入10%硅灰的混凝土強(qiáng)度和雙K斷裂韌度雖然較高，但脆性較大，使得斷裂能明顯低于普通混凝土。文獻(xiàn)[14]通過(guò)保持30%粉煤灰摻量不變，在自密實(shí)混凝土中分別摻入3%和5%的硅灰，結(jié)果表明硅灰的摻入可以提高自密實(shí)混凝土雙K斷裂韌度。張益杰等人[21]通過(guò)研究復(fù)摻硅灰和粉煤灰混凝土在凍融環(huán)境下的性能損失，研究表明復(fù)摻粉煤灰和硅灰的混凝土試塊無(wú)論是抗凍性能還是抗裂性能、強(qiáng)度以及韌性都明顯高于普通混凝土和單摻粉煤灰混凝土。

3　結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了集中常見(jiàn)礦物摻和料對(duì)混凝土斷裂性能的影響，總體上摻入礦物摻和料的混凝土其抗裂性能得到了一定的提升，這將有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)整體的耐久性和穩(wěn)定性，然而這些研究仍然存在較多問(wèn)題尚待進(jìn)一步的研究：

1)礦物摻和料對(duì)混凝土的收縮徐變性能也有一定的影響，如何平衡二者的關(guān)系也是進(jìn)一步研究的方向；

2)研究在各種環(huán)境下，比如海洋鹽霧環(huán)境、凍融環(huán)境、碳化等情況下，礦物摻和料的摻入對(duì)混凝土斷裂性能的影響；

3)本文簡(jiǎn)要地介紹了粉煤灰、礦渣和硅灰對(duì)混凝土斷裂性能的影響，對(duì)于其他礦物摻和料比如鎳渣、鋼渣等如今也漸漸地在混凝土中廣泛使用，因此也需對(duì)鎳渣、鋼渣等礦物摻和料進(jìn)行相應(yīng)研究。