粉煤灰掺量对混凝土早期裂缝的影响

朱 超

(1.江苏省建筑安全与减灾工程技术研究开发中心，江苏 徐州 221116; 2.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116)

1 概述

混凝土裂缝是混凝土结构的严重病害。近年来随着外加剂、掺合料在混凝土材料中的加入及泵送混凝土的技术应用，混凝土裂缝出现的时间也大大提前。混凝土早期表面收缩开裂必将为以后侵蚀性物质的进入提供通道而危及钢筋产生锈蚀，降低混凝土的整体性，加剧混凝土的破坏，从而会引起耐久性的降低并加速混凝土的劣化进程[1，2]。

本文通过平板抗裂性试验，对粉煤灰混凝土的早期抗裂性能进行研究，分析了粉煤灰掺量与混凝土早期裂缝的关系，着重探讨了粉煤灰的抗裂机理，从而为大掺量粉煤灰的工程应用提供理论依据。

2 试验

2.1 试验方法

在对混凝土抗塑性收缩和干燥收缩开裂的研究中，美国密西根州立大学 Parviz Soroushian[3]和美国圣约瑟(San Jose)大学的Kraai[4]提出了用平板试验装置研究混凝土的开裂性。试验证明，平板法具有简单易操作的特点，能迅速有效地研究混凝土和砂浆的塑性干缩性能。本试验采用《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[5]中推荐的混凝土(砂浆)早期抗裂性试验方法。

1)试验装置。采用尺寸为600 mm×600 mm×63 mm的钢制平板试模进行抗裂性试验，在模具底板上铺好塑料薄膜，试验前逐个调整和紧固模具上的所有螺栓，见图1。

图1 平板试件装置

2)试验过程。将混凝土拌和物分两层浇入模具中插捣振实，每组成型两个试件，浇筑成型，养护到初凝时，将试件连同模具置于温度为(20±1)℃，相对湿度为(60±5)%的环境中，用调速风扇产生0.6 m/s的风速，开始观察平板表面的裂缝发生过程。在开始的3 h内，每5 min观察一次;当发现有裂纹出现后改为每10 min观察一次;当混凝土表面出现贯穿裂缝后改为每30 min观察一次;到1 d后，每0.5 d观察一次直到龄期3 d为止。记录每个试件裂缝开始出现的时间，裂缝数量、长度、宽度等随时间的变化。

3)评价方法。试件早期的抗裂性评价准则如下:a.仅有非常细的裂纹;b.平均裂开面积小于10 mm2;c.单位面积开裂裂缝数目小于10根/m2;d.单位面积上的总裂开面积小于100 mm2/m2。

按照上述4个准则，将抗裂性划分为五个等级:

Ⅰ级:全部满足上述4个条件;Ⅱ级:满足上述4个条件中的3个;Ⅲ级:满足上述4个条件中的2个;Ⅳ级:满足上述4个条件中的1个;Ⅴ级:一个也不满足。

2.2 试验原材料

水泥:淮海中联 P.O42.5，R28=58 MPa，表观密度3.0 g/cm3;

细骨料:河砂，2区中砂，见表1;

粗骨料:碎石(5 mm～20 mm)连续级配，见表2;

粉煤灰:彭城电厂Ⅱ级粉煤灰，见表3;

外加剂:聚羧酸系高性能减水剂，固含量26%。

表1 砂的物理性能指标

表2 石子物理性能指标

表3 粉煤灰物理性能指标

2.3 混凝土配合比

混凝土配合比见表4。

表4 混凝土配合比

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

混凝土裂缝开裂试验结果见表5。

表5反映了粉煤灰掺量对混凝土开裂性的影响，数据显示除了掺量为15%的混凝土的初始开裂时间基本没变化外，其他掺量的粉煤灰混凝土的初始开裂时间都大于基准试样的初始开裂时间，随着掺量的增加，混凝土的开裂得到了延缓，而且粉煤灰的掺量越大，裂缝出现的越晚，当掺量为45%时，混凝土的初始裂缝时间已经延缓了56 min，粉煤灰混凝土的抗裂性得到了极大提高。与基准混凝土相比，15%和30%粉煤灰的掺入使最大裂缝宽度分别下降了21%和25%，而粉煤灰掺量增加到45%后，最大裂缝宽度更是降低了50%。最大裂缝长度除了粉煤灰掺量为15%时出现了波动，总的趋势仍表现为随着粉煤灰掺量的增加，最大裂缝长度减小。

表5 混凝土裂缝开裂试验结果

从表6和图2可知:随着粉煤灰掺量增加，混凝土裂缝总面积呈减小趋势，且随着掺灰量增加，该作用越来越显著。由于试模不变，所以单位面积不变，而单位面积裂缝的开裂数目取决于裂缝总条数。表6中裂缝条数基本上相差不大，只有当掺量为45%时裂缝总条数最少为25条。粉煤灰的掺量从0%～45%，混凝土平均开裂面积依次减少。即混凝土的抗裂性随着粉煤灰掺量的增加而显著增加，当粉煤灰的掺量超过30%时，混凝土的抗裂等级已经变为Ⅱ级，抗裂效果显著。但当粉煤灰掺量超过30%时，其裂缝总面积的减小趋势变得平缓。这与彭卫兵[6]研究的结果很相似。

表6 混凝土抗裂性能等级

图2 粉煤灰掺量对混凝土开裂性的影响

粉煤灰的加入，部分取代了水泥，减少了水泥用量。在水化反应初期，粉煤灰均匀的分散在反应体系中，充分发挥了微集料的约束效应，可以抑制水泥石的收缩。在掺量不超过40%时，粉煤灰分散越均匀，其约束效应也越显著，裂纹产生的几率越小，混凝土的抗裂性增加。另一方面，当粉煤灰均匀的分散在水泥中时，可以有效的改善水泥水化产物与骨料界面的结构，使得混凝土结构更加密实，减少其早期收缩[7]。

3.2 机理分析

1)形态效应。在由多棱角颗粒组成的水泥混凝土混合料中，掺加以球形颗粒为主的细粉煤灰，这些球状玻璃体表面光滑，粒度细，质地致密，内比表面积小，有助于改善混合料的和易性，能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，可以减少水泥用量，延缓水化反应速度，减少混凝土因温升导致裂缝发生的概率[8]。

2)微集料效应。微细的粉煤灰颗粒，比表面积大、吸附性能好，就像微细的集料，均匀分布于水泥浆体中，具有良好的填充效应和界面效应。即微细的粉煤灰颗粒具有很好的填充性，能均匀填充于骨料颗粒以及水泥颗粒的空隙之间，阻碍水分蒸发通道的通畅，有利于抑制水分蒸发，减少收缩产生的裂缝。微细的粉煤灰粘附于骨料表面，可以防止水分在骨料下表面聚集，显著改善界面过渡区的微结构，消除或减少界面区的原生微裂缝，消减应力集中现象，减少界面结构裂缝的形成[9]。

3)火山灰效应。粉煤灰在碱性激发剂或硫酸盐激发剂的作用下，反应活性增强，与水泥的水化产物发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，继而与石膏反应生成水化硫铝酸钙。粉煤灰的二次水化反应，消耗了混凝土中水泥的水化产物Ca(OH)2，降低了混凝土中的含量和碱度;同时二次水化产物填充于硬化后混凝土的毛细孔中。粉煤灰的应用大大降低了混凝土内部的孔隙率，提高了混凝土的密实性，也减少了骨料与胶合料间的收缩变形，提高粘结强度，降低了混凝土内微裂缝出现的几率，从而提高混凝土的抗裂性[10]。

4 结语

混凝土浇筑后早期裂缝可能影响建筑物安全的问题，在混凝土中掺入不同量的粉煤灰进行了试验。结果表明:

1)在其他情况相同条件下，混凝土中掺加粉煤灰时，随着粉煤灰的掺量增加，混凝土的裂缝开始出现时间延长，裂缝的最大宽度和裂缝的最大长度均呈现下降的趋势，混凝土表面裂缝的单位面积开裂，总面积逐渐降低，所以粉煤灰的掺入能够提高混凝土早期抗裂性能。

2)粉煤灰掺量的不同对混凝土抗裂性能有着不同效果的影响，但并不意味着粉煤灰掺量越多越好。当粉煤灰掺量超过30%时，混凝土的抗裂性已达到Ⅱ级，掺量继续增加，抗裂性的变化趋于平缓。

3)粉煤灰的形态效应、微集料效应和火山灰效应是改善混凝土抗裂性能的主要原因。

[1] 曹冬梅，谢贤颂.粉煤灰对混凝土早期裂缝的影响[J].粉煤灰综合利用，2010(5):29-32.

[2] 张西玲，姚爱玲.矿渣掺量和细度对矿渣胶凝材料收缩性能的影响[J].硅酸盐通报，2010，29(6):1338-1342.

[3] Parviz soroushian.Siavosh Ravanbakhsh Control of Plastic shrinkage cracking with specialty cellulose fibers[J].ACI Materials Journal，1998，95(4):429-435.

[4] Kraai P.ProPosed test to determine the cracking potential due to drying shrinkage of concrete[J].Concrete construction，1985，30(9):775-790.

[5] CCES 01-2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南[S].

[6] 彭卫兵，何 真，梁文泉.粉煤灰对混凝土开裂行为的影响及评价[J].建筑材料学报，2004，7(3):317-322.

[7] 孟凡深，王子敬.混合料对混凝土收缩影响及收缩模型分析[J].水电能源科学，2009，27(5):163-165.

[8] 刘数华，方坤河，曾 力.粉煤灰和硅粉对碾压混凝土抗裂性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2005(2):12-13.

[9] 崔自治，王咏梅.粉煤灰与粉煤灰混凝土性能[J].宁夏工程技术，2005，4(1):90-92.

[10] 乔艳静，费治华，田 倩，等.矿渣、粉煤灰掺量对混凝土收缩、开裂性能的研究[J].国外建材科技，2007，28(5):27-30.