早期強(qiáng)度對混凝土抗裂性能的影響研究

廖鴻清

（泉州市建邦混凝土開發(fā)有限公司， 福建 泉州 362011）

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)中，總共探究了三種添加物對混凝土強(qiáng)度和抗裂性能的影響。這三種添加物分別為粉煤灰（F類Ⅱ級）、硅粉（微硅粉）和礦渣粉（S95級）。同時(shí)，用于實(shí)驗(yàn)的水泥為普通硅酸鹽水泥，其型號為P·O42.5。他們的物理性質(zhì)如下表1到表4所示。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加便于觀測，還使用了減水率在35%以上的高性能減水劑和葡萄糖酸鈉型緩凝劑。

表 1 水泥物理性質(zhì)

表 2 粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)

表 3 礦渣粉物理性質(zhì)

表 4 硅粉的品質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)大致上可以分為四個模塊，每一個模塊的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行所參照的依據(jù)不同，使用的方法各異。具體如下。（1）探究混凝土抗裂性能以及強(qiáng)度增長速率。在該模塊中，筆者主要是參照了普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（2009）》，以此為依據(jù)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。并詳細(xì)記錄了實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。（2）確定添加物最佳添加比例。本模塊主要使用了限制圓環(huán)開裂方法并輔以正交實(shí)驗(yàn)法。（3）水泥水化硬化進(jìn)程模擬?！端嗨療釡y定方法》中有明確的實(shí)驗(yàn)方法和步驟以及對應(yīng)的注意事項(xiàng)。（4）通過實(shí)驗(yàn)步驟（1）和（3）的對比來推斷早期強(qiáng)度對混凝土抗裂性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單摻摻合料對混凝土開裂及強(qiáng)度影響

如下表5所示，表示基于不同配合比下各種添加物不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及規(guī)律以及單位中開裂面積，其中粉煤灰濃度為 25%、20%、15%、10%分別對應(yīng)F4、F3、F2、F1；單摻礦渣粉40%、30%、20%、10%分別代表K4、K3、K2、K1；單摻硅粉10%、7%、4%、0%分別代表G4、G3、G2、G1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5：

表 5 不同粉煤灰、礦渣和硅粉摻量混凝土開裂及強(qiáng)度情況

通過上述試驗(yàn)可知：

（1）摻量范圍在 10%到 40%時(shí)，粉煤灰和礦渣粉的摻量越大那么總開裂面積整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢。而當(dāng)硅粉的摻量范圍為 0%到 10%時(shí)，硅粉摻量越大總開裂面積越大。

（2）在3d時(shí)，添加礦渣粉、粉煤灰的混凝土強(qiáng)度顯著低一些，達(dá)到7d后強(qiáng)度比較適中。在3d時(shí)，添加硅粉的混凝土強(qiáng)度比較適中，然而達(dá)到7d后強(qiáng)度較高。通過分析，主要是由于礦渣粉的潛在水硬性和粉煤灰的火山灰性，在水泥水化硬化早期，礦渣粉和粉煤灰?guī)缀醪粫⒓铀磻?yīng)；硅粉比表面積大，是非結(jié)晶球形結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的火山灰活性。

（3）在其他條件保持一致的前提下，如若礦渣粉和粉煤灰的摻量相同，則礦渣粉混凝土的強(qiáng)度要強(qiáng)一些，造成這種差異的原因在于兩種摻合料的生產(chǎn)工藝有所不同，導(dǎo)致礦渣粉的活性比粉煤灰高。

（4）對各種材料不同摻量的開裂面積極差分析，結(jié)果見表6。表中數(shù)據(jù)反映，在不同摻量影響下，混凝土抗裂性主次順序?yàn)椋汗杌摇勖夯摇V渣粉。同時(shí)，粉煤灰和礦渣粉接近，硅灰影響極大。

表 6 各種材料不同摻量開裂面積極差分析

（5）混凝土開裂面積小對應(yīng)早期強(qiáng)度也較低。為了提升混凝土的抗裂能力，需要對混凝土早期強(qiáng)度增長速率加以有效的控制。其原理不外乎是水泥水化硬化。混凝土在硬化過程中，塑性失水、干燥、降溫等原因都會使其收縮，而如果收縮速率過快或者收縮量過大，超出了材料本身能夠承受的極限，則出現(xiàn)裂縫。在水泥水硬化反應(yīng)中，混凝土由塑性材料逐漸向脆性材料進(jìn)行轉(zhuǎn)變。在前期階段，混凝土接受變形能力大、彈性模量低；在后期階段，混凝土接受變形能力小、彈性模量高。

2.2 復(fù)摻摻合料對抗裂性能影響

硅粉選擇10%、7%、4%、0%，粉煤灰選擇20%、15%、10%、0%、礦渣粉選擇30%、20%、10%、0%進(jìn)行5因素4水平限制性抗裂圓環(huán)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示：

表 7 水泥凈漿圓環(huán)正交抗裂試驗(yàn)結(jié)果

9 15 0 7 390 75 0 35 125 1（55） 0 0 55 10 15 10 10 325 75 50 50 125 1（36） 1（39） 0 11 11 15 20 0 325 75 100 0 125 1（48） 0 0 48 12 15 30 4 255 75 150 20 125 1（37） 1（41） 0 14 13 20 0 10 350 100 0 50 125 1（15） 0 0 15 14 20 10 7 315 100 50 35 125 1（22） 1（24） 0 -18 15 20 20 4 280 100 100 30 125 1（32） 1（36） 0 4 16 20 30 0 250 100 150 0 125 1（64） 0 0 64

由上表可知，如若只考慮混凝土的抗裂性能，則相應(yīng)的選擇硅灰 0%、粉煤灰20%和礦渣30%的混合比例；如若需要將抗裂性能和強(qiáng)度同時(shí)考慮進(jìn)來，則設(shè)置硅灰為7%、粉煤灰為15%和礦渣為0%的比例。

2.3 摻合料對混凝土強(qiáng)度及水化放熱影響

分析上一個章節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)摻30%礦渣和20%粉煤灰，對水泥凈漿圓環(huán)抗裂效果最佳，復(fù)摻 7%硅灰和 15%粉煤灰的效果次之。為了深入對混凝土不同齡期強(qiáng)度規(guī)律和抗裂性能進(jìn)行探討，增加基準(zhǔn)配合比、7%硅灰和15%礦渣復(fù)摻、單摻7%硅灰、單摻15%粉煤灰和單摻15%礦渣，對3d、7d、28d的水泥基材料的水化熱、混凝土齡期強(qiáng)度和限制性圓環(huán)收縮開裂時(shí)間進(jìn)行測試。為了對混凝土早期強(qiáng)度增長速率對混凝土抗裂性能的影響進(jìn)行分析，通過摻加 0.05%葡萄糖酸鈉緩凝劑，對早期強(qiáng)度增長速率進(jìn)行調(diào)控，以此來提升混凝土抗裂水平。針對不同齡期強(qiáng)度的混凝土，采取對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度方法進(jìn)行測試。采取限制性圓環(huán)收縮開裂方法測試開裂時(shí)間，使用水泥基材料凈漿試驗(yàn)。以序號9為例，膠凝材料500g，其中水125g、水泥390g、緩凝劑0.25g、粉煤灰75g和硅粉35g。試驗(yàn)結(jié)果如以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)置硅灰為7%、粉煤灰為15%、礦渣為0%的比例，限制性圓環(huán)抗裂敏感性開裂時(shí)間 55h，摻加 0.05%葡萄糖酸鈉緩凝劑，對混凝土早期強(qiáng)度增長速率進(jìn)行控制，對水泥水化進(jìn)程進(jìn)行延緩，將限制性圓環(huán)抗裂敏感性開裂時(shí)間提升至78h。

（2）單摻 7%硅灰的限制性圓環(huán)收縮開裂時(shí)間為 8h，基于單摻硅灰為7%，另外摻加粉煤灰15%，對早期強(qiáng)度增長速率進(jìn)行控制，將限制性圓環(huán)開裂的時(shí)間延長至55h。

（3）對比分析水泥基材料的水化快慢規(guī)律一致、限制性圓環(huán)開裂時(shí)間早晚和混凝土齡期強(qiáng)度速率大小。因此，通過對混凝土早期強(qiáng)度增長速率進(jìn)行控制，可以對水泥水化放熱波峰進(jìn)行削弱，促進(jìn)水泥水化的進(jìn)程，將限制圓環(huán)開裂的時(shí)間延緩，有效提升混凝土的抗裂水平。

（4）通過控制混凝土早期強(qiáng)度增長速率，可以對水泥水化的過程進(jìn)行延緩，降低過程中的放熱峰值，防止放熱過快導(dǎo)致的溫度過高。均勻放熱有助于維持內(nèi)部溫度。降低由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的溫度應(yīng)力。同時(shí)，如果水化速率過快，那么在短時(shí)間內(nèi)混凝土內(nèi)部的濕度也將大幅降低，隨之出現(xiàn)的干燥變形對于混凝土的強(qiáng)度也有所影響。因此，為了防止混凝土開裂，應(yīng)該對其加以控制。

3 結(jié)論

（1）通過單摻 10%硅粉，可以對混凝土工藝性能進(jìn)行改善，將單位總開裂面積提升至715mm2/m2；通過單摻40%礦渣，可以對混凝土工藝性能進(jìn)行改善，將單位總開裂面積降低至29mm2/m2；通過單摻25%粉煤灰，可以對混凝土工藝性能進(jìn)行改善，將單位總開裂面積降低至18mm2/m2。

（2）按本文粉煤灰摻量、礦渣摻量與硅灰摻量對混凝土抗裂性影響主次順序?yàn)椋汗杌摇勖夯摇V渣。同時(shí)，粉煤灰和礦渣粉接近，硅灰影響極大。

（3）通過復(fù)摻7%硅灰、15%粉煤灰和0%礦渣，導(dǎo)致混凝土抗裂敏感性達(dá)到最差，降到55h，通過參加0.5%葡萄糖酸鈉緩凝劑，對混凝土早期強(qiáng)度增長速率進(jìn)行延緩，可以提升混凝土抗裂敏感性至78h。

（4）通過單摻7%硅灰，可以對混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行改善，混凝土28d抗壓強(qiáng)度從51.1MPa升至62.8MPa，但限制性圓環(huán)開裂時(shí)間只有8h。在單摻7%硅灰的基礎(chǔ)上，摻加15%粉煤灰控制早期強(qiáng)度增長速率，延長限制性圓環(huán)開裂時(shí)間從8h升至55h。