矿物掺合料对高性能混凝土塑性收缩裂缝的影响

孙江云,金宝宏,侯玉飞

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院,银川　750021;2.宁夏大学 新华学院,银川　750021)



矿物掺合料对高性能混凝土塑性收缩裂缝的影响

孙江云1,金宝宏1,侯玉飞2

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院,银川750021;2.宁夏大学 新华学院,银川750021)

摘要：采用四周约束平板法测试系统,研究了粉煤灰、矿渣及硅灰不同掺量比对高性能混凝土早期塑性开裂的影响,同时对其开裂机理进行了研究探讨。试验结果表明:粉煤灰和矿渣的掺入对混凝土早期塑性开裂均有很好的抑制作用,粉煤灰的抑制效果要优于矿渣;硅灰的掺入加剧了混凝土的早期塑性开裂,并随着掺量的增加开裂愈加明显。

关键词：混凝土;矿物掺合料;塑性开裂

高强、高性能混凝土因其优良的性能在工程中得到了广泛的应用,给社会带来了巨大的经济效益,但其在早期裂缝方面的问题尤为严峻。调查发现,高性能混凝土出现裂缝的时间大部分在凝结开始的几天内,有的还不到一天就有明显裂纹[1]。裂缝的存在会降低混凝土结构的承载能力,削弱结构的耐久性,缩短建筑物的使用寿命。因此,为了推广高性能混凝土在工程中的应用,其早期开裂的研究需要进一步开展。

高性能混凝土的配置特征是采用低水胶比,除水泥、水、集料外,必须掺加足够的矿物掺合料和高效外加剂[2]。矿物掺合料的掺入明显改善了混凝土内部的微观结构,提高了混凝土的后期强度,已成为配制现代混凝土不可或缺的组分之一。但工程实践表明,不恰当的使用矿物掺合料也会增加混凝土的收缩,导致混凝土开裂[3-4]。因此掌握矿物掺合料对高性能混凝土早期开裂的影响对混凝土未来的发展具有重要意义。本文选取了粉煤灰、矿渣、硅灰3种常用矿物掺合料,通过四周约束平板法测试系统,研究了三者在不同掺量时对高性能混凝土早期塑性开裂的影响,并结合水分蒸发试验分析了其开裂机理。

1试验概况

1.1原材料

水泥， 宁夏赛马牌42.5R普通硅酸盐水泥; 粉煤灰， 宁夏灵武发电厂的Ⅰ级粉煤灰; 矿渣， 宁夏石嘴山钢厂, 比表面积为286.9 m2/kg; 硅灰，宁夏银俊公司, 比表面积2 000 m2/kg; 粗集料， 宁夏干沟产人工碎石, 粒径为5～26.5 mm连续级配, 含泥量为0.17%; 细集料， 宁夏镇北堡砂厂人工水洗中砂, 细度模数2.46, 含泥量0.95%; 减水剂， 北京幕湖外加剂有限公司生产的粉状聚羧酸高效减水剂, 减水效率为30%以上; 水， 自来水。

1. 2试验配合比设计

共设计了12组试验,各组试验水胶比、砂率、集料用量以及用水量均保持不变。在此基础上, 变化各矿物掺合料的掺量, 其中: ① 粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%、40%;② 矿渣掺量分别为10%、20%、30%、40%;③硅灰掺量分别为5%、10%、15%,以上矿物掺合料对水泥的取代均为等质量取代。另外, 通过调整减水剂的用量使新拌混凝土塌落度值保持在(20±2)cm范围内。具体配合设计如表1所示。

表1　混凝土配合比、工作性能及其力学性能Table 1　Mixture proportions and fresh properties and compressive strength of concrete mixtures

1.3试验方法

试验模拟混凝土在四周全约束状态下的早期开裂情况,设计采用内边尺寸为600 mm×600 mm×63 mm的钢制方形模具,同时在模具的每个边上焊接两排Φ6的螺纹钢筋伸向模具内侧起约束作用,上下两排钢筋长度分别为100和50 mm,相互交错布置,具体如图1所示。

图1　塑性收缩的平板约束试验装置Fig.1　Experimental device of flat test

试验时,将搅拌好的混凝土浇入上述模具中进行振捣抹平,然后将其置于相对湿度为(40±5)%、 温度为(20±2) ℃、风速为6 m/s的环境中进行跟踪观测,每隔10 min观察一次,直到试件表面首次出现裂缝为止,并记录首次出现裂缝的时间。试件养护至24 h后,对试件表面每条裂缝进行标号,利用100倍的读数显微镜和钢尺对每条裂缝的最大宽度di和长度li进行测量和记录,并按照公式(∑li×di)计算试件表面的裂缝总面积。本文中的水分蒸发试验所采用的模具尺寸为150 mm×150 mm×63 mm,将搅拌好的混凝土浇筑其中并放置于与上述相同的环境下来模拟混凝土的水分散失情况。

2试验结果与分析

2.1水分蒸发试验

塑性收缩是指早期化学收缩、沉降收缩、自收缩及混凝土表面水分蒸发速率大于泌水速率等因素共同作用下的体积变化。水分蒸发速率越快,毛细管水达到临界压力的时间就会越短,进而早期开裂的风险也会越大。因此,水分蒸发速率的快慢是评价混凝土塑性裂缝产生的重要指标之一。

由图2可以看出,混凝土24 h水分蒸发速率随着粉煤灰和硅灰掺量的增加而降低,其中硅灰的降低程度更加明显;而矿渣对混凝土24 h水分蒸发速率的影响与前两者正好相反, 即随着矿渣掺量的增加水分蒸发速率随之增大,尤其在掺量为40%时,水分蒸发速率是基准组JZ的1.2倍。

2.2粉煤灰掺量对混凝土塑性开裂的影响

由图3可以看出, 随着粉煤灰掺量的增加, 混凝土首次出现裂缝的时间有所推迟, 24 h的最大裂缝宽度和裂缝总面积呈先减后增的趋势。其中,当粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%时,混凝土裂缝总面积相较于基准组JZ分别降低了29%、67%、73%、47%左右。可见,粉煤灰的掺入有效抑制了混凝土早期的塑性开裂,同时还存在一临界掺量,此临界值在30%左右。

图2　粉煤灰、矿渣和硅灰对混凝土水分蒸发速率的影响Fig.2　Effect of fly ash,slag and silica fume on the rate of concrete water evaporation

图3　粉煤灰掺量对混凝土塑性开裂的影响Fig.3　Effect of fly ash content on the early-age plastic shrinkage crack of concrete

结合水分蒸发试验可知,随着粉煤灰掺量的增加,水分蒸发速率随之减小,这在一定程度上推迟了毛细管负压达到其临界压力值的时间,进而有效抑制了混凝土早期的塑性收缩。其次,随着粉煤灰掺量的增加,混凝土早期的抗拉强度也随之降低[5],显然这对于抑制混凝土早期裂缝的产生是非常不利的。综合以上分析可知,粉煤灰对混凝土塑性收缩裂缝的影响既有有利的一面,也有不利的一面,试验中临界掺量30%的值,是对混凝土塑性收缩裂缝的影响有利与不利的阈值。

2.3矿渣掺量对混凝土塑性开裂的影响

由图4可以看出,随着矿渣掺量的增加,混凝土首次出现裂缝的时间有所推迟,24 h的最大裂缝宽度和裂缝总面积呈先减后增的趋势。其中,当矿渣掺量为10%、20%、30%、40%时,混凝土裂缝总面积相较于基准组JZ分别降低了6%、51%、64%、55%左右。可见,矿渣的掺入和粉煤灰一样有效抑制了混凝土早期的塑性开裂,同时也存在一临界掺量,此临界值在30%左右。

从水分蒸发试验可知, 随着矿渣掺量的增加水分蒸发速率随之增大,显然这对于延缓毛细管负压的增大是不利的,不过掺入矿渣后混凝土表面较大的泌水量能够及时地补充水分蒸发,进而在一定程度上削弱了这种不利的影响。其次,随着矿渣掺量的增加,混凝土早期的抗拉强度也随之降低[5], 显然这对于改善混凝土早期的抗裂性能是非常不利的。综合以上分析可知,矿渣对混凝土塑性收缩裂缝的影响规律与粉煤灰类似, 只是在抑制程度上要略差于粉煤灰。

图4　矿渣掺量对混凝土塑性开裂的影响Fig.4　Effect of slag content on the early-age plastic shrinkage crack of concrete

2.4硅灰掺量对混凝土塑性开裂的影响

由图5可以看出,随着硅灰掺量的增加,混凝土首次出现裂缝的时间有所提前,24 h的最大裂缝宽度和裂缝总面积均呈递增趋势。显然,硅灰的掺入明显增加了混凝土早期塑性开裂的风险,尤其是在掺量为15%时,最大裂缝宽度和裂缝总面积相较于基准组JZ分别增大了100%和280%。因此,在恶劣的环境条件下,对掺入硅灰的混凝土更应该注意早期养护。

从水分蒸发试验可知,随着硅灰掺量的增加水分蒸发速率明显减小,虽然这有利于延缓毛细管负压力的增长速率,但由于硅灰颗粒小、细度大、亲水性强的特点,使得混凝土表面泌水速率远低于水分蒸发速率。因此, 在相同环境下, 硅灰

掺量的增加反而可能会增大混凝土早期的塑性收缩。其次,随着硅灰掺量的增加,混凝土早期的抗拉强度也随之增大,但其增长幅度要远小于抗压强度的增长[5]。因此,在硅灰对混凝土塑性收缩裂缝的影响过程中, 塑性收缩应力的增长成为了主导因素。

3结论

(1)粉煤灰和矿渣的掺入推迟了混凝土首次出现裂缝的时间,减小了24 h最大裂缝宽度和裂缝总面积,二者均有效抑制了混凝土的早期塑性开裂。在相同掺量时,粉煤灰的抑制效果要优于矿渣。

(2)硅灰的掺入缩短了混凝土首次出现裂缝的时间,增大了24 h的最大裂缝宽度和裂缝总面积,明显加剧了混凝土早期的塑性开裂程度。

图5　硅灰掺量对混凝土塑性开裂的影响Fig.5　Effect of silica fume content on the early-age plastic shrinkage crack of concrete

参考文献:

[1]巴恒静,高小建.约束条件下高性能混凝土的早期开裂[J].混凝土,2002(5):3-6.

[2]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999:10.

[3]管宗甫,李小颖，李世华，等.矿物掺合料和聚丙烯纤维对混凝土塑性收缩开裂的影响[J].硅酸盐通报,2013，

32(5):794-798.

[4]Baghabra Al-Amoudi O S, Maslehuddin M, Abiola T O. Effect of type and dosage of silica fume on plastic shrinkage in concrete exposed to hot weather[J].Construction and Building Materials, 2004,18(4):737-743.

[5]苏安双.高性能混凝土早期收缩性能及开裂趋势研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

文章编号:1674-9057(2016)02-0285-04

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.014

收稿日期：2014-11-25

基金项目：宁夏高等学校科学研究项目(NYG2013132);宁夏大学科技创新与人文社会科学研究项目

作者简介：孙江云(1989—)，男，硕士研究生，研究方向：钢筋混凝土结构理论与应用。

通信作者：金宝宏，教授，jinbaohong@163.com。

中图分类号：TU528

文献标志码：A

Experiment of mineral blenders on high performance concrete plastic shrinkage crack

SUN Jiang-yun1,JIN Bao-hong1,HOU Yu-fei2

(1.College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Xinhua College of Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

Abstract:In order to study the influence of the content of fly ash, slag and silica fume on the early-age plastic shrinkage crack of the high performance concrete, this paper adopted the constraints in the plate method. Meanwhile, the early-age plastic shrinkage crack mechanism of concrete was analyzed. The results show that the incorporation of fly ash and slag on the early-age concrete plastic cracking are good inhibitory effect, and fly ash is superior to the inhibitory effect of slag.Silica fume could increase the early-age plastic cracking of concrete, and with the increase of dosage,cracking is becoming ever more obvious.

Key words:concrete; mineral admixture;plastic cracking

引文格式：孙江云,金宝宏,侯玉飞.矿物掺合料对高性能混凝土塑性收缩裂缝的影响[J].桂林理工大学学报，2016,36(2):285-288.