風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高性能清水混凝土抗裂性能及其微觀結(jié)構(gòu)特征研究*

朱 彬，林 峰，于振興，馬賢領(lǐng)，周殷弘

(1 中國(guó)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(yáng) 621000；2 中建八局發(fā)展建設(shè)公司，山東青島 266000)

風(fēng)洞是以人工控制氣流的方式來(lái)模擬飛行器或者實(shí)體周圍氣體的流動(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)最為常用、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］。

從全球范圍看，歐美日等國(guó)的低速風(fēng)洞工程主要采用全鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)、混凝土+后裝內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，其對(duì)結(jié)構(gòu)本身精度要求不高，結(jié)構(gòu)偏差可以通過(guò)面層來(lái)消化，以達(dá)到高品質(zhì)氣流要求的內(nèi)型面精度。但本風(fēng)洞工程為全球首個(gè)采用一次成型現(xiàn)澆清水混凝土技術(shù)施工的大型低速風(fēng)洞，最大風(fēng)速130m/s，大部分試驗(yàn)風(fēng)速為120m/s，載體工程主要為國(guó)產(chǎn)C929 大飛機(jī)研發(fā)做試驗(yàn)支撐，與南極天文臺(tái)、重離子加速器等項(xiàng)目具有同等國(guó)家戰(zhàn)略意義。清水混凝土作為一種綠色環(huán)保材料，具有施工工藝少、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(lái)越普遍［4-6］。高精度現(xiàn)澆清水混凝土風(fēng)洞特色優(yōu)勢(shì)技術(shù)研究的完成，將會(huì)形成風(fēng)洞施工領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并可推廣和應(yīng)用到其他風(fēng)洞或空氣動(dòng)力研究廠房的建設(shè)，不僅具有良好的市場(chǎng)前景，還可為我國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)和航空航天等重大科學(xué)研究領(lǐng)域再添一國(guó)之重器，更能夠?yàn)樾袠I(yè)其他的項(xiàng)目提供技術(shù)支撐。

風(fēng)洞混凝土表面處于強(qiáng)風(fēng)蝕環(huán)境，混凝土構(gòu)件容易被侵蝕，出現(xiàn)起灰起殼的現(xiàn)象，影響內(nèi)型面精度，降低氣流品質(zhì)。因此，在清水混凝土風(fēng)洞施工時(shí)，對(duì)混凝土表觀質(zhì)量有較高要求，需要控制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，因而有必要對(duì)風(fēng)洞清水混凝土的抗裂性能進(jìn)行研究。本文對(duì)不同礦物摻合料的清水混凝土進(jìn)行了抗裂試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，以期能為類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：PO42.5 普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.9%，初凝和終凝時(shí)間為162min 和232min，細(xì)度（45μm）為0.4%，28d 抗壓和抗折強(qiáng)度為57.7MPa 和9.5MPa。

礦物摻合料：本試驗(yàn)所使用的礦物摻合料包括粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉、石英巖粉以及氧化鎂膨脹劑［7-10］。粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2.22g/cm3，比表面積為340m2/kg，需水量比為98%；S95 級(jí)礦渣粉的7d 和28d活性指數(shù)分別為76%和96%，比表面積為440m2/kg，流動(dòng)度為96%，密度為2.84g/cm3；S105 級(jí)礦渣粉的7d 和28d 活性指數(shù)分別為103%和116%，比表面積為518m2/kg，流動(dòng)度為101%，密度為2.92g/cm3；石灰石粉密度為2.75g/cm3，比表面積為440m2/kg，需水量比為97%，亞甲藍(lán)值為0.25；石英巖粉的密度為2.62g/cm3，45μm 篩余量為5.7%，需水量比為96%，亞甲藍(lán)值為0.5；氧化鎂膨脹劑的主要化學(xué)成分為MgO(90.8%)、CaO(1.4%)和SiO2(3.8%)，燒失量為3.73%。

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

減水劑：液態(tài)聚羧酸減水劑，減水率為29%，含固量為44%。

1.2 試驗(yàn)配合比

本工程清水混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度級(jí)別為C30，按照《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［11］，初步擬定水膠比為0.44，水泥摻量為膠凝材料總量的40%～50%，礦渣粉+ 粉煤灰用量為膠凝材料總量的50%～60%。在本試驗(yàn)中，控制膠凝材料總用量為350kg/m3，通過(guò)調(diào)整礦渣粉、粉煤灰以及各礦物摻合料的用量來(lái)進(jìn)行抗裂試驗(yàn)。在配制過(guò)程中，A 組代表水泥用量為膠凝材料總用量占比的40%，B 組代表水泥用量為膠凝材料總用量占比的50%。粉煤灰+S95 級(jí)礦渣粉為基本礦物摻合料，分別用MgO 膨脹劑、石灰石粉、石英巖粉以及S105 級(jí)礦粉替代粉煤灰+S95 級(jí)礦渣粉，MgO 膨脹劑摻量為8.5%，石灰石粉和石英巖粉摻量均為25%。具體配合比見表1。

表1 不同礦物摻合料試驗(yàn)配比（kg/m3）Table 2 Test proportioning of different mineral admixtures

1.3 試驗(yàn)方法

本文利用方圓抗裂模具對(duì)清水混凝土的開裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)。方圓抗裂模具的外直徑為155mm，內(nèi)直徑為150mm，高為160mm，清水混凝土立方體邊長(zhǎng)為169.68mm，該模具不僅可以實(shí)現(xiàn)立方體混凝土試件得到均勻約束，而且可以加快立方體試件的開裂速度，減少試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)測(cè)量裂縫長(zhǎng)度和寬度時(shí)也更加方便，見圖1。將拌制好的混凝土漿倒入模具中，并用抹刀對(duì)混凝土表面磨平，1d 后拆模，再將試件轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3d，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28d。

圖1 方圓抗裂模具示意Fig.1 Schematic diagram of square and round anti crack die

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基本力學(xué)特性

對(duì)不同試驗(yàn)組的28d 齡期下的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可知：當(dāng)水膠比保持不變時(shí)，調(diào)整礦物摻合料比例對(duì)清水混凝土的強(qiáng)度有重要影響，當(dāng)水泥摻量為40% 時(shí)，摻入25% 石灰石粉（石灰石粉/礦物用料總量）的抗折強(qiáng)度最高，摻入8.5% 的MgO，抗壓強(qiáng)度最高，而摻入25% 石英巖粉后，抗壓和抗折強(qiáng)度均最低，提高礦渣粉的等級(jí)，能在一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度；在水泥摻量為50% 時(shí)，摻入8.5% 的MgO的試驗(yàn)組抗折強(qiáng)度最高，摻入25% 石灰石粉試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度最高，而摻入石英巖粉試驗(yàn)組的抗壓和抗折強(qiáng)度均最低，將礦粉等級(jí)由S95 提升至S105 后，強(qiáng)度有一定程度提升，但增長(zhǎng)幅度有限；從整體上來(lái)講，提高水泥摻量后，相同礦物摻合料替代率下強(qiáng)度均有所增大，這主要是因?yàn)樗鄵搅吭黾樱沟迷缙谒a(chǎn)物增多，漿體增多可以更好地填充和包裹在骨料周圍，使得混凝土更加致密，從而使混凝土強(qiáng)度增大；石英巖粉對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)展有抑制作用，主要是因?yàn)槭r粉是一種微活性摻合料，雖然可以減少用水量和水化熱，但對(duì)前期混凝土的強(qiáng)度發(fā)展不利，因而限制了其在混凝土中的應(yīng)用。

圖2 28d 強(qiáng)度對(duì)比Fig. 2 28d strength comparison

2.2 首裂時(shí)間

不同試驗(yàn)組的首裂時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況如圖3 所示。從圖3 中可以看到：當(dāng)水泥摻量為40% 時(shí)，摻入8.5%MgO的首裂時(shí)間最長(zhǎng)，摻入25% 石英巖粉的首裂時(shí)間最短，各試驗(yàn)組首裂時(shí)間從長(zhǎng)到短依次為：A-2＞ A-5＞A-1＞A-3＞ A-4；當(dāng)水泥摻量為50% 時(shí)，首裂時(shí)間最長(zhǎng)和最短的分別為摻入8.5%MgO 和摻入25% 石英巖粉試驗(yàn)組，各試驗(yàn)組首裂時(shí)間從長(zhǎng)到短依次為：B-2＞ B-5＞B-1＞B-3＞B-4。提高水泥摻量會(huì)使混凝土的首裂時(shí)間縮短，這是因?yàn)樗嗨磻?yīng)會(huì)釋放大量的水化熱，造成混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大，從而加快混凝土裂縫的產(chǎn)生。摻入石灰石粉和石英巖粉都會(huì)使混凝土出現(xiàn)裂縫的時(shí)間提前，石英巖粉和石灰石粉雖然都是惰性摻合料，按理對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生有一定抑制作用，但實(shí)際情況卻相反，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)槭沂垭m然可以減少水化熱，降低開裂敏感性和收縮率，但是當(dāng)摻量超過(guò)20% 后，會(huì)導(dǎo)致早期裂縫迅速發(fā)展；而石英巖粉等作為惰性摻合料，極少發(fā)生水化反應(yīng)，因此這些摻合料僅僅是鑲嵌在水泥漿體內(nèi)，礦物顆粒與水化產(chǎn)物的接觸并不致密，甚至還可能存在較多原始的微細(xì)裂縫，從而有利于裂縫的擴(kuò)展與產(chǎn)生。將礦粉由S95 級(jí)提升至S105 級(jí)后，由于后者的比表面積更大，活性更強(qiáng)，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加完整和致密，因而更能抑制裂縫的產(chǎn)生。

圖3 不同試驗(yàn)組首裂時(shí)間Fig. 3 First crack time of different test groups

2.3 裂縫長(zhǎng)度與面積

對(duì)不同試驗(yàn)組的28d 內(nèi)的裂縫生成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看到：當(dāng) 水泥摻量為40%時(shí)，A-4（摻入25% 石英巖粉）試驗(yàn)組的28d 裂縫長(zhǎng)度和面積最大，A-2（摻入8.5%MgO）試驗(yàn)組的裂縫總長(zhǎng)度最小，提升礦粉等級(jí)A-5 試驗(yàn)組的總開裂面積最?。粨饺隡gO 膨脹劑，可以從很大程度上抑制混凝土的干燥自收縮，特別是MgO 膨脹劑和粉煤灰可以發(fā)揮出很好的減縮協(xié)同效應(yīng)，從而有效降低裂縫產(chǎn)生量，相比A-1 試驗(yàn)組，裂縫總長(zhǎng)度減小55%，裂縫總開裂面積減小42.5%；摻入25% 的石灰石粉雖然不能延長(zhǎng)首裂時(shí)間，但可以使裂縫產(chǎn)生長(zhǎng)度和寬度均有不同程度減小，相比A-1 試驗(yàn)組，裂縫總長(zhǎng)度減小了約40%，裂縫總開裂面積減小約13%；摻入石英巖粉試驗(yàn)組未表現(xiàn)出明顯的抗裂效果，這與石英巖粉在混凝土中的鑲嵌結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，由于石英巖粉很少參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土界面疏松，從而易發(fā)生開裂，裂縫總長(zhǎng)度和總開裂面積相較于A-1 試驗(yàn)組增加了8%和9.2%；將礦粉由S95 級(jí)提升至S105 級(jí)后，裂縫總長(zhǎng)度和總開裂面積分別減少了44.3%和44.6%。

圖4 不同試驗(yàn)組裂縫長(zhǎng)度與面積Fig. 4 Crack length and area of different test groups

當(dāng)水泥摻量為50% 時(shí)，B-4（摻入25% 石英巖粉）試驗(yàn)組的28d 裂縫長(zhǎng)度和面積最大，B-5 試驗(yàn)組的裂縫開裂長(zhǎng)度最小，而級(jí)B-2 試驗(yàn)組的總開裂面積最小。相較于B-1 試驗(yàn)組，B-2、B-3、B-4 試驗(yàn)組的裂縫總長(zhǎng)度分別增加了20.1%、15.5% 和29.3%，B-5 試驗(yàn)組降低了13.8%，但B-2 裂縫總開裂面積減少了27.6%，說(shuō)明摻入MgO 膨脹劑可以限制裂縫的發(fā)展寬度，B-3 試驗(yàn)組總開裂面積減少了5.3%，B-4 試驗(yàn)組總開裂面積增加了10.6%，B-5 試驗(yàn)組總開裂面積減少了26.5%，由此可見，當(dāng)水泥使用量增大時(shí)，可以通過(guò)摻入MgO 膨脹劑或者提高礦粉等級(jí)來(lái)抑制混凝土的開裂。

3 微觀結(jié)構(gòu)特征

混凝土中水分單元、孔隙結(jié)構(gòu)、水化產(chǎn)物形態(tài)特征對(duì)混凝土力學(xué)性能有重要影響，通過(guò)不同礦物摻合料下混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，可以幫助對(duì)混凝土的強(qiáng)度和抗裂行為進(jìn)行解釋。以水泥摻量為40%為例，對(duì)A-1～A-5 五個(gè)試驗(yàn)組的清水混凝土電子顯微鏡掃描，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同礦物摻合料下微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Microstructure characteristics of different mineral admixtures

從圖5 可以看到，A-1 試驗(yàn)組的水化產(chǎn)物較多，但顆粒較大，排列雜亂無(wú)章，存在較多的孔隙間隙，結(jié)構(gòu)密實(shí)度不高；摻入MgO 膨脹劑（A-2）后，混凝土開裂時(shí)間延長(zhǎng)，裂縫長(zhǎng)度和面積均有大幅度降低，這主要得益于在MgO 膨脹劑和粉煤灰協(xié)同作用下，混凝土中的水化凝膠物排列更加緊密，形成了較為密實(shí)的整體結(jié)構(gòu)；摻入石灰石粉（A-3）后，盡管沒(méi)有縮短時(shí)間，但裂縫長(zhǎng)度和面積明顯降低，該試驗(yàn)組混凝土中，C-S-H 凝膠物明顯多于A-1 試驗(yàn)組，并包裹在骨料周圍，結(jié)構(gòu)密實(shí)度得到提升；摻入石英巖粉（A-4）后，混凝土中的凝膠形成團(tuán)聚現(xiàn)象，相互搭嵌接觸但并不密實(shí)，而且還存在許多微小孔隙間隙，導(dǎo)致界面呈疏松狀態(tài)，因此抗裂性能不升反降；提升礦粉等級(jí)（A-5）后，由于S105 級(jí)礦粉顆粒更細(xì)，比表面積更大、活性指數(shù)也更強(qiáng)，使得混凝土的填充效應(yīng)和水化反應(yīng)更加充分，凝膠界面更為致密，因而對(duì)抗裂性有提升作用。

4 結(jié)論

（1）摻入石灰石粉和MgO 膨脹劑，可以提升清水混凝土的強(qiáng)度特性；增加水泥用量的占比，也可在一定程度上提升混凝土的強(qiáng)度；由于石英巖粉屬于微活性摻合料，因而對(duì)混凝土前期強(qiáng)度發(fā)展不利。

（2）水膠比一定的情況下，摻入MgO 的首裂時(shí)間最長(zhǎng)，摻入石英巖粉的首裂時(shí)間最短，摻入石灰石粉對(duì)清水混凝土的首裂時(shí)間未能見到明顯改善，甚至有一定幅度降低。

（3）摻入MgO 膨脹劑、石灰石粉或者提升礦粉的等級(jí)均可以有效提升清水混凝土的抗裂性能，摻入石英巖粉對(duì)混凝土抗裂性能不利；當(dāng)提升水泥用量后，建議采用摻入MgO 膨脹劑或者提高礦粉等級(jí)來(lái)抑制混凝土的開裂。

（4）摻入MgO 膨脹劑或者提升礦粉等級(jí)，可以明顯改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，凝膠排列更加致密，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度提升，從而提升抗裂性能；摻入石灰石粉后，C-S-H 凝膠物產(chǎn)量增多并包裹在骨料周圍，從而提升混凝土抗裂性；但是當(dāng)摻入石英巖粉后，凝膠物多數(shù)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，相互搭嵌接觸并不密實(shí)，結(jié)構(gòu)中存在很多微小孔隙，導(dǎo)致界面呈疏松狀態(tài)，因而更易形成裂縫。