粉煤灰混凝土早齡期抗裂性能分析

魏洪鋼,臧斌浩,張 睿,馬文斌,王章夫

(1.杭州錢新華威建材有限公司,浙江 杭州 310018; 2.浙江華威混凝土有限公司，浙江 杭州 310018)

混凝土是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的建筑材料,但其抗拉能力差,容易開(kāi)裂。裂縫的存在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性有不利影響。調(diào)查研究表明,混凝土早齡期的體積變形是造成混凝土開(kāi)裂的主要原因,由體積變形引起的裂縫可占所有裂縫的80%以上[1]。因此,針對(duì)混凝土早齡期抗裂性能的研究一直是混凝土材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

近十幾年來(lái),隨著礦物摻合料在混凝土中的推廣應(yīng)用,對(duì)于摻合料對(duì)混凝土早齡期抗裂性能影響的相關(guān)研究已積累了一定成果[2-6]。其中,粉煤灰作為最為常見(jiàn)的礦物摻合料之一,能夠有效地降低混凝土的早齡期放熱、降低早齡期自收縮和干燥收縮,有益于混凝土抗裂性能的提升[2,4]。但是,粉煤灰的摻入同時(shí)也會(huì)降低混凝土早齡期力學(xué)性能,降低其抵抗開(kāi)裂的能力。由于混凝土早齡期收縮是混凝土開(kāi)裂主要的驅(qū)動(dòng)力,因此已有研究對(duì)于粉煤灰混凝土收縮性能的關(guān)注較多[5-6],而對(duì)粉煤灰混凝土早齡期拉伸性能的研究較少。并且,已有研究多是在同水膠比下研究粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗裂相關(guān)性能的影響[7],這與實(shí)際工程中按照混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)存在較大差別,因此研究成果無(wú)法指導(dǎo)工程實(shí)際。在等強(qiáng)度條件下,研究粉煤灰摻量對(duì)混凝土早齡期拉伸特性和收縮性能的研究較為少見(jiàn)[8]。

本文擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,考察等強(qiáng)度條件下粉煤灰摻量為30%和40%的混凝土的早齡期拉伸特性(包含拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和極限拉伸應(yīng)變)和干燥收縮性能,分析等強(qiáng)度條件下粉煤灰摻量對(duì)混凝土早齡期抗裂性能的影響。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

本文用到的膠凝材料有：P·O42.5普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級(jí)粉煤灰,其化學(xué)組成和物理性能見(jiàn)表1、表2。選用的粗集料為碎石,粒徑范圍為5～31.5 mm；細(xì)集料由機(jī)制砂和天然砂組成,機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.3,天然砂細(xì)度模數(shù)為0.8。為保證混凝土具有相近的流動(dòng)性,在配制混凝土過(guò)程中摻加了科之杰Point-400型萘系減水劑,其減水率為22.0%,固含量為31.8%。拌和用水為杭州自來(lái)水。兩種混凝土的配合比見(jiàn)表3。

表1 水泥與粉煤灰化學(xué)成分

表2 水泥與粉煤灰物理性能

表3 混凝土配合比

注：FA30-0.46和FA40-0.42分別代表粉煤灰摻量30%與40%。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

力學(xué)性能測(cè)試包括抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,測(cè)試按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》進(jìn)行?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,測(cè)試齡期為3、7、28、60 d。劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,由于混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與其早齡期抗裂性能密切相關(guān),因此其測(cè)試齡期從早齡期開(kāi)始,具體為： 0.83、1、1.25、1.5、1.75、2、3、7、28、60 d。養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，即溫度(20±2) ℃,濕度95%以上。

1.3 早齡期拉伸特性

本文測(cè)試的混凝土早齡期拉伸特性包括拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和極限拉伸應(yīng)變。測(cè)試方法采用楊楊等設(shè)計(jì)的混凝土軸向拉伸測(cè)試裝置,該裝置的組成及測(cè)試原理見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。 本文采用拉伸特性測(cè)試試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。通過(guò)千斤頂施加拉伸應(yīng)力,采用荷載傳感器測(cè)試荷載變化,采用PI型變位計(jì)測(cè)試試件在荷載作用下的變形。荷載與變形的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線可計(jì)算彈性模量。拉伸特性測(cè)試也在早齡期進(jìn)行,具體為：24、30、36、42、48、72 h。其中,72 h時(shí)混凝土強(qiáng)度已較高,當(dāng)達(dá)到極限荷載后會(huì)發(fā)生突然破壞,PI型變位計(jì)無(wú)法及時(shí)記錄其破壞時(shí)的應(yīng)變變化,因此,72 h時(shí)未測(cè)試混凝土試件的極限拉伸應(yīng)變和拉伸彈性模量。

1.4 干燥收縮

干燥收縮的測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行。測(cè)試所用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體,測(cè)試環(huán)境的溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為(60±5)%?；炷猎嚰仓?立即用塑料薄膜密封表面,以防水分散失。試件養(yǎng)護(hù)至終凝時(shí)拆模,終凝時(shí)間測(cè)試方法按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080—2016)》規(guī)定進(jìn)行。拆模后,混凝土試件直接暴露在空氣中,并置于鐵板上,試件底部墊有特氟龍片,以降低混凝土試件與鐵板之間的摩擦。收縮變形通過(guò)位移傳感器測(cè)得,起測(cè)時(shí)間為混凝土終凝后0.5 h,變形數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀收集與記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度

兩種粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化見(jiàn)圖1。由圖1可知,從3 d齡期開(kāi)始,FA30-0.46和FA40-0.42的抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)相近,但FA40-0.42的抗壓強(qiáng)度在不同齡期均略高于FA30-0.46。雖然FA40-0.42粉煤灰摻量較高,會(huì)降低混凝土的早齡期抗壓強(qiáng)度,但是其水膠比較低,因此FA40-0.42的抗壓強(qiáng)度反而略高于FA30-0.46。齡期為60 d時(shí),FA30-0.46和FA40-0.42的抗壓強(qiáng)度分別為53.5 MPa和56.8 MPa,兩者抗壓強(qiáng)度十分接近。同樣,在早齡期,特別是3 d時(shí),FA30-0.46和FA40-0.42的抗壓強(qiáng)度分別為24.6 MPa和26.7 MPa, 兩者更為接近。因此可以認(rèn)為,FA30-0.46和FA40-0.42大致符合等強(qiáng)度的要求。

圖1 粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化

圖2為粉煤灰混凝土劈裂強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化。由圖2可知,雖然FA30-0.46和FA40-0.42后期抗壓強(qiáng)度相近,但是FA40-0.42的后期劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于FA30-0.46。隨著齡期的增加,粉煤灰的火山灰效應(yīng)不斷發(fā)揮,能有效地改善混凝土中界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)粘結(jié)強(qiáng)度。這一效應(yīng)宏觀上能有效地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。其中,劈裂強(qiáng)度受界面過(guò)渡區(qū)粘結(jié)強(qiáng)度影響較抗壓強(qiáng)度大,因此粉煤灰的火山灰效應(yīng)對(duì)劈裂強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)更為顯著。另一方面,FA40-0.42的水膠比更低,因此其劈裂強(qiáng)度也更高?；炷恋脑琮g期抗裂性能與其早齡期的力學(xué)性能直接相關(guān)。圖3為粉煤灰混凝土在早齡期(<7 d)時(shí)劈裂強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)發(fā)展。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),24 h時(shí),由于FA40-0.42的粉煤灰摻量較高,因此其劈裂強(qiáng)度低于FA30-0.46,但是24 h后,由于水膠比較低,FA40-0.42的劈裂強(qiáng)度已高于FA30-0.46。劈裂強(qiáng)度越高,表明混凝土早齡期抗裂能力越強(qiáng)。

圖2 粉煤灰混凝土長(zhǎng)齡期劈裂強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化

圖3 粉煤灰混凝土早齡期劈裂強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化

2.2 粉煤灰早齡期拉伸特性

粉煤灰混凝土拉伸特性測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)圖4～6。FA30-0.46和FA40-0.42的早齡期拉伸強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化見(jiàn)圖4。軸向拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果略有不同。在極早齡期(<48 h),由于粉煤灰摻量高,FA40-0.42的軸向拉伸強(qiáng)度均低于FA30-0.46；48 h齡期之后,兩者軸向拉伸強(qiáng)度基本相同。劈裂強(qiáng)度則是24 h后FA40-0.42已高于FA30-0.46。這一差別應(yīng)與測(cè)試方法的不同有關(guān),但是總體而言,兩種拉伸強(qiáng)度共同的趨勢(shì)為：在極早齡期,FA40-0.42拉伸強(qiáng)度低于FA30-0.46,但是隨著齡期的增長(zhǎng),FA40-0.42拉伸強(qiáng)度與FA30-0.46相近或比FA30-0.46略高。這一臨界齡期在24～48 h之間。因此,從拉伸強(qiáng)度角度而言,極早齡期(<48 h),FA40-0.42的抗裂能力低于FA30-0.46,而后隨著水化的進(jìn)行,FA40-0.42的抗裂能力優(yōu)于或相近于FA30-0.46。

圖4 粉煤灰混凝土早齡期拉伸強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化

混凝土的早齡期抗裂能力除了與拉伸強(qiáng)度有關(guān)以外,與混凝土本身極限拉伸應(yīng)變也直接相關(guān)。圖5為FA30-0.46和FA40-0.42的早齡期極限拉伸應(yīng)變。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),24 h時(shí),FA30-0.46的極限拉伸應(yīng)變遠(yuǎn)高于FA40-0.42,而后兩者極限拉伸應(yīng)變較為接近,但是仍是FA30-0.46略高于FA40-0.42。因此,假設(shè)在同等受拉條件下,FA30-0.46的變形能力較FA40-0.42高,其抗裂能力也優(yōu)于FA40-0.42。

圖5 粉煤灰混凝土早齡期極限拉伸應(yīng)變經(jīng)時(shí)變化

混凝土早齡期的彈性模量直接決定了混凝土內(nèi)部拉伸應(yīng)力發(fā)展,因此也對(duì)混凝土的早齡期抗裂性能有重要影響。FA30-0.46和FA40-0.42的早齡期拉伸彈性模量發(fā)展見(jiàn)圖6。由圖6可知,在早齡期(<48 h),FA30-0.46的拉伸彈性模量高于FA40-0.42,即在同樣應(yīng)變的情況下,FA30-0.46中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力將高于FA40-0.42。因此從這一角度分析,FA30-0.46較高的拉伸彈性模量是對(duì)其抗裂性能不利的。

2.3 粉煤灰混凝土干燥收縮性能

由于混凝土在早齡期水化發(fā)展快,且含水率高,因此在早齡期,混凝土干燥收縮發(fā)展最為迅速。這是導(dǎo)致混凝土早齡期開(kāi)裂的主要驅(qū)動(dòng)力之一。FA30-0.46和FA40-0.42的干燥收縮發(fā)展歷程見(jiàn)圖7。由圖7可知,混凝土干燥收縮早期發(fā)展極快,后期發(fā)展速率減緩,但仍在不斷增長(zhǎng)。對(duì)比而言,FA30-0.46的干燥收縮大于FA40-0.42。由此可見(jiàn),等強(qiáng)度條件下,摻加粉煤灰有助于降低混凝土的干燥收縮。粉煤灰本身力學(xué)性能較高,因此在混凝土中可以發(fā)揮微集料效應(yīng),從而降低混凝土的收縮。從抗裂角度而言,FA40-0.42干燥收縮低,因此同等條件下其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)低于FA30-0.46。

圖7 粉煤灰混凝土干燥收縮發(fā)展

2.4 等強(qiáng)度粉煤灰混凝土抗裂性能分析

實(shí)際工程中,混凝土抗裂性能并非由單一因素或單一指標(biāo)就可以確定,而是需要考慮混凝土力學(xué)性能、熱學(xué)性能和變形性能等因素的交互影響。本文測(cè)試了等強(qiáng)度粉煤灰混凝土FA30-0.46和FA40-0.42的基本力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度)、早齡期拉伸特性(拉伸強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變和拉伸彈性模量)和干燥收縮性能等與混凝土抗裂性能直接相關(guān)的關(guān)鍵材料性能,以期綜合分析等強(qiáng)度條件下粉煤灰混凝土的抗裂性能。

混凝土早齡期干燥收縮是其發(fā)生開(kāi)裂的驅(qū)動(dòng)力,相較而言,FA40-0.42的干燥收縮小于FA30-0.46。因此,等強(qiáng)度條件下,粉煤灰摻量的增加降低了混凝土早齡期開(kāi)裂的驅(qū)動(dòng)力,有利于提高混凝土的抗裂能力。另一方面,混凝土的拉伸強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變表征了混凝土抵抗開(kāi)裂的能力?？傮w而言,在極早齡期(<48 h)時(shí),FA30-0.46的拉伸強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變均高于FA40-0.42,因此極早齡期時(shí),FA30-0.46抵抗開(kāi)裂的能力高于FA40-0.42。48 h后FA30-0.46和FA40-0.42的拉伸強(qiáng)度基本相同,此時(shí)兩者抗裂能力相近。此外,由測(cè)試結(jié)果可知,FA30-0.46的拉伸彈性模量高于FA40-0.42,這對(duì)其抗裂性能是不利的。綜合而言,相較于FA40-0.42,FA30-0.46的拉伸強(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變較高,但是其拉伸彈性模量和干燥收縮也較大。因此,等強(qiáng)度條件下,FA30-0.46和FA40-0.42抗裂性能應(yīng)相近,進(jìn)一步的對(duì)比需結(jié)合混凝土實(shí)際服役條件進(jìn)行分析。

3 結(jié) 語(yǔ)

粉煤灰混凝土已廣泛應(yīng)用于各類基礎(chǔ)工程中。本文研究對(duì)比了摻量分別為30%和40%的等強(qiáng)度粉煤灰混凝土的早齡期拉伸特性和干燥收縮性能,并對(duì)其抗裂性能進(jìn)行了分析。結(jié)果如下：FA30-0.46和FA40-0.42抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)相近,FA40-0.42抗壓強(qiáng)度略高于FA30-0.46；24 h時(shí),FA40-0.42的劈裂強(qiáng)度略低于FA30-0.46,但是后期,FA40-0.42的劈裂強(qiáng)度高于FA30-0.46；在極早齡期(<48 h)時(shí),FA30-0.46的拉伸強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變和彈性模量均高于FA40-0.42,48 h后FA30-0.46和FA40-0.42的拉伸強(qiáng)度基本相同； FA30-0.46的早齡期干燥收縮高于FA40-0.42。綜合分析,等強(qiáng)度條件下粉煤灰摻量30%和40%的混凝土，F(xiàn)A30-0.46和FA40-0.42的早齡期抗裂性能應(yīng)相近。