風(fēng)洞用高性能清水混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究

牟曉波，林峰，葉現(xiàn)樓，陳江，高燕

（1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000；2.中建八局發(fā)展建設(shè)公司，山東 青島 266000）

0 引言

風(fēng)洞是以人工控制氣流的方式來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體流動(dòng)情況和效果的一種管道實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、有效的工具之一，也是不可或缺的重要研究設(shè)備，在航天、航空、交通運(yùn)輸、房屋建筑、風(fēng)能利用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。風(fēng)洞可分為低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞、超高速風(fēng)洞以及激波風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞等多種類型，但基本結(jié)構(gòu)一般由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)3 部分組成。洞體結(jié)構(gòu)襯砌形式一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土、清水混凝土或預(yù)制混凝土。清水混凝土作為一種綠色環(huán)保材料，具有施工工藝簡單、節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)便宜、樸實(shí)美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用越來越普遍[4-10]。風(fēng)洞襯砌混凝土對密實(shí)性要求非常高，混凝土襯砌施工過程中因各種因素或多或少會(huì)產(chǎn)生裂縫，會(huì)影響風(fēng)洞的運(yùn)行使用效果，因此有必要研制一種抗裂性能好的清水混凝土應(yīng)用到風(fēng)洞襯砌結(jié)構(gòu)中。

本文依托全球首個(gè)采用一次成型的現(xiàn)澆清水混凝土技術(shù)施工的大型低速風(fēng)洞工程，該低速風(fēng)洞回路中心軸線尺寸為150.86 m×45.65 m，中心標(biāo)高為11.00 m，中心回路周長約390 m。洞體結(jié)構(gòu)形式為框架-異形薄壁墻混凝土結(jié)構(gòu)，上部框架主梁為預(yù)應(yīng)力梁，次梁均為普通框架梁，最大截面尺寸為24 m×20 m（H），最大柱截面尺寸為600 mm×3400 mm，最大梁截面尺寸為700 mm×3750 mm，見圖1。為提高清水混凝土的抗裂性，減少施工過程中混凝土裂縫的產(chǎn)生，對不同礦物摻合料、不同水泥比表面積以及不同水泥品種下清水混凝土的抗裂性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期能為工程建設(shè)提供參考。

圖1 風(fēng)洞整體效果示意

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：采用P·O42.5 普通水泥及抗裂水泥，2 種水泥的細(xì)度（45 μm 篩篩余）均為0.4%，物理力學(xué)性能見表1。

表1 2 種水泥的物理力學(xué)性能

礦物摻合料：Ⅱ級(jí)粉煤灰；S95 級(jí)、S105 級(jí)礦渣粉；石灰石粉：亞甲藍(lán)值0.25 g/kg；石英巖粉：45 μm 篩篩余5.7%，亞甲藍(lán)值0.5 g/kg；氧化鎂膨脹劑：主要化學(xué)成分為MgO（90.8%）、CaO（1.4%）和SiO2（3.8%），燒失量為3.73%。礦物摻合料的主要技術(shù)性能見表2。

表2 礦物摻合料的主要技術(shù)性能

骨料：粗骨料為卵石，粒徑5～30 mm，孔隙率40%，針片狀含量0.7%，規(guī)則顆粒含量6.5%；細(xì)骨料為天然砂，細(xì)度模數(shù)3.2，針片狀含量8%，天然含泥量3%。

聚羧酸減水劑：減水率29%，含固量44%。

水：自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分為3 組：第1 組研究礦物摻料對風(fēng)洞清水混凝土抗裂性能的影響，清水混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，固定水膠比為0.44，砂膠比為3，砂率為62.8%，通過改變減水劑摻量控制混凝土坍落度為80～100 mm、擴(kuò)展度為（650±30）mm，改變膠凝材料組成，具體配合比見表3；第2 組研究水泥比表面積對清水混凝土抗裂性的影響，采用水泥熟料與石膏一起進(jìn)行粉磨，得到比表面積分別為414、367、311 m2/kg 的水泥用來配制清水混凝土，通過改變減水劑摻量控制流動(dòng)度為240 mm，具體配合比見表4；第3 組研究水泥品種對清水混凝土抗裂性的影響，分別摻加普通水泥和抗裂水泥制備普通組和抗裂組2 組清水混凝土，試驗(yàn)過程中減水劑采用后摻法，同時(shí)延長攪拌時(shí)間20～30 s，90 min 清水混凝土的坍落度損失應(yīng)≤30%，具體配合比見表5。

表3 不同礦物摻合料影響試驗(yàn)配合比 kg/m3

表4 不同比表面積水泥試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

傳統(tǒng)的開裂評價(jià)方法存在一定缺陷，如單軸約束法復(fù)雜，操作比較困難，無法進(jìn)行大量試驗(yàn)；平板約束法又存在約束不均勻的現(xiàn)象。本文利用方圓抗裂模具對清水混凝土的開裂性進(jìn)行評價(jià)。方圓抗裂模具外徑為155 mm、內(nèi)徑為150 mm、高為160 mm，清水混凝土立方體邊長為169.68 mm，該模具可使混凝土立方體試件得到均勻約束，而且可加快立方體試件的開裂速度，縮短試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)測量裂縫長度和寬度時(shí)也更加方便，方圓抗裂模具見圖2。將拌制好的混凝土漿體倒入模具中，并用抹刀對混凝土表面磨平，1 d 后拆模，再將試件轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3 d，最后轉(zhuǎn)入110 ℃高溫烘箱中進(jìn)行強(qiáng)制開裂，強(qiáng)制開裂時(shí)間為28 d。

圖2 方圓抗裂模具示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2 礦物摻合料對清水混凝土抗裂性能的影響（見表6）

表6 不同礦物摻合料對清水混凝土抗裂性能的影響

由表6 可見：

（1）相較于僅摻礦渣粉和粉煤灰的1#、6#試樣，復(fù)摻氧化鎂膨脹劑的2#試樣初裂時(shí)間較1#試樣延長了35 h、7#試樣初裂時(shí)間較6#試樣延長了18 h。且2#試樣的28 d 裂縫總長度和開裂面積均較1#試樣有大幅減小，裂縫總長度減小了55.2%，總開裂面積降減小了42.5%，這說明在清水混凝土中摻入氧化鎂膨脹劑可在一定程度上抑制混凝土漿體的自收縮，減少開裂。這是因?yàn)檠趸V膨脹劑水化反應(yīng)生成Mg（OH）2晶體，這種晶體會(huì)形成腫脹力和結(jié)晶壓力，從而改善混凝土的體積變形，減少開裂的概率。

（2）相較于僅摻礦渣粉和粉煤灰的1#試樣，復(fù)摻石灰石粉的3#試樣初裂時(shí)間雖然沒有改善，甚至還略有提前，但裂縫總長度和總開裂面積顯著減小，裂縫總長度減小了34.5%，總開裂面積減小了13.0%。石灰石粉對清水混凝土抗裂性能的改善主要是因?yàn)榻?jīng)水化反應(yīng)后可形成水化硅酸鈣凝膠并為漿液提供核基體，可進(jìn)一步促進(jìn)水化，減少水化熱的產(chǎn)生，同時(shí)石灰石粉還可以降低混凝土漿液的坍落度損失，從而使水膠比減小，強(qiáng)度提高，在粉煤灰負(fù)面作用的情況下，石灰石粉可適當(dāng)起到改善作用，但石灰石粉摻量不宜太多，否則就會(huì)造成混凝土過早出現(xiàn)裂縫。

（3）當(dāng)向清水混凝土中復(fù)摻石英巖粉時(shí)，初裂時(shí)間較其它試驗(yàn)組均要早，且裂縫總長度和總開裂面積均較其它試驗(yàn)組有所增大。相較于僅摻礦渣粉和粉煤灰的1#、6#試樣，復(fù)摻石英巖粉的4#試樣裂縫總長度、總開裂面積較1#試樣分別增大了9.2%、9.0%，9#試樣裂縫總長度、總開裂面積較6#試樣分別增大了31.0%、10.7%。這說明石英巖粉對清水混凝土抗裂性能的改善效果不佳，這主要是因?yàn)槭r粉是一種活性微弱的材料，在膠凝材料體系中只是以鑲嵌的形式與漿體界面接觸，與熟料水化產(chǎn)物等并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，接觸界面比較疏松，形成比較多的微細(xì)裂縫，從而對清水混凝土的抗裂性能不利。

（4）當(dāng)采用S105 級(jí)礦渣粉代替S95 級(jí)礦渣粉后，清水混凝土的初裂時(shí)間有所延長，28 d 裂縫總長度及總開裂面積大幅減小。5#試樣與1#試樣相比，初裂時(shí)間延長了33.9%，28 d裂縫總長度及總開裂面積分別減小了44.8%、31.8%；10#試樣與6#試樣相比，初裂時(shí)間延長了32.5%，28 d 裂縫總長度及總開裂面積分別減小了13.8%、26.5%。這說明S105 級(jí)礦渣粉對于清水混凝土的抗裂性能有較大改善，這主要是因?yàn)镾105 級(jí)礦渣粉的粉磨程度更高，具有更高的活性，能夠起到微集料的填充效應(yīng)，對于混凝土后期強(qiáng)度提高有明顯優(yōu)勢，可大大減小自收縮率，因而S105 級(jí)礦渣粉對于清水混凝土抗裂性的改善效果較好。

（5）雖然氧化鎂膨脹劑、石灰石粉、S105 級(jí)礦渣粉對清水混凝土抗裂性有明顯的改善作用，但是當(dāng)增加水泥用量、減少粉煤灰用量后，混凝土的抗裂性能會(huì)有所降低。這是因?yàn)樗嘤昧窟^多，水化熱釋放量會(huì)大大增加，從而導(dǎo)致混凝土過早出現(xiàn)裂縫，因此，礦物摻合料對粉煤灰的替代率不宜過高。

2.2 水泥比表面積對清水混凝土抗裂性能的影響（見表7）

表7 水泥比表面積對清水混凝土抗裂性能的影響

由表7 可見，隨著水泥比表面積減小，清水混凝土的開裂時(shí)間先縮短后延長、28 d 裂縫總長度和28 d 裂縫總開裂面積先減小后增大。當(dāng)水泥比表面積較大時(shí)，水化反應(yīng)速率大，釋放的水化熱多，吸收的自由水量也多，收縮量較大，毛細(xì)管壓力增長也較快，導(dǎo)致開裂時(shí)間提前；當(dāng)水泥比表面積較小時(shí)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物逐漸填充密實(shí)，阻礙了混凝土中自由水分子的擴(kuò)散，后期水化反應(yīng)速率降低，顆粒容易相互聚合，從而使?jié){體的黏度增大，導(dǎo)致混凝土的孔隙度大大降低，這可以降低后期清水混凝土的開裂敏感性，因此，清水混凝土中水泥的比表面積應(yīng)盡量減小。

2.3 水泥品種對清水混凝土抗裂性能的影響（見表8）

表8 水泥品種對清水混凝土抗裂性能的影響

由表8 可知：使用抗裂的清水混凝土在28 d 齡期內(nèi)并未發(fā)生開裂現(xiàn)象，抗裂水泥對清水混凝土的抗裂性能有較大幅度提升。經(jīng)后期進(jìn)一步試驗(yàn)表明，使用抗裂水泥后，清水混凝土的初裂時(shí)間相較于28 d 驗(yàn)收齡期的普通組延長約38%，即初裂時(shí)間達(dá)到697 h，抗裂效果顯著。

由于水泥品種對清水混凝土的工作性能和強(qiáng)度影響較大，為了驗(yàn)證使用抗裂水泥后清水混凝土是否滿足要求，對2種清水混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見表9。

表9 水泥品種對清水混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響

由表9 可知：使用抗裂水泥后，清水混凝土的工作性能較好，但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)漿體稍微有點(diǎn)偏黏稠；抗裂組的早期抗壓強(qiáng)度較普通組有較大幅度降低，3 d、7 d 抗壓強(qiáng)度僅為普通組的55.7%、78.0%，但其后期抗壓強(qiáng)度增長比較快，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到了50.5 MPa，與普通組相差不大。因此可以認(rèn)為，使用抗裂水泥的清水混凝土早期強(qiáng)度較低，但對后期強(qiáng)度基本沒有影響。

3 結(jié) 語

（1）與僅摻礦渣粉和粉煤灰的1#試樣相比，復(fù)摻氧化鎂膨脹劑的2#試樣初裂時(shí)間延長了35 h，裂縫總長度和總開裂面積分別減小了55.2%和42.5%，抗裂效果顯著；復(fù)摻石灰石粉對清水混凝土的初裂時(shí)間影響不大，但裂縫總長度和總開裂面積分別減小了34.5%和13.0%，但其摻量不宜過大，以防過早出現(xiàn)裂縫；復(fù)摻石英巖粉對清水混凝土抗裂性能的改善效果不佳，在所有試驗(yàn)組中，初裂時(shí)間最短，裂縫總長度和總開裂面積最大；選用S105 級(jí)礦渣可以延長初裂時(shí)間，也可以減小裂縫總長度和總開裂面積，抗裂效果也比較明顯。

（2）水泥比表面積宜盡量減小，可降低清水混凝土的開裂敏感性。

（3）使用抗裂水泥的清水混凝土28 d 試驗(yàn)期間內(nèi)未發(fā)生開裂現(xiàn)象，可以顯著提高清水混凝土的抗裂性能，且抗裂水泥對清水混凝土的工作性能影響較小，雖然對早期抗壓強(qiáng)度有一定影響，但對后期抗壓強(qiáng)度的影響較小。

（4）清水混凝土中水泥用量不宜過多，否則會(huì)因?yàn)樗療徇^高而引起混凝土過早出現(xiàn)裂縫。