矿渣粉掺量对高温河谷地区C50高性能混凝土抗裂及抗渗性能的影响

姜磊 李国新 梁丽敏

摘要：本文采用平板刀口约束法以及电通量法来评价混凝土的抗开裂与抗氯离子渗透性能，结合混凝土的工作性和力学性能。具体研究矿渣粉掺量对高温河谷地区高速公路用C50高性能混凝土综合性能的影响，研究表明：随着矿渣粉掺量的增加，C50混凝土的流动性逐渐增加，单位面积上的总开裂面积和最大裂缝宽度均先减少后增加，初始开裂时间逐渐延长，矿渣粉掺量为20%时抗裂等级最高。以及随着矿渣粉掺量的增加，C50混凝土渗水高度和28d、60d的电通量均呈先减小后增大的趋势，矿渣粉掺量为20%时渗水高度和电通量最小，混凝土的抗水渗透和抗氯离子渗透性能最好。

关键词：抗裂性能；高性能混凝土；矿渣粉；电通量

混凝土因其具有良好的经济性、力学性以及对环境的适应性而成为目前用量最大、使用范围最广的建筑材料之一。而且现阶段超高层、大跨度、高速公路、节能减排等高技术水平建筑物的快速发展，对混凝土的要求也是要与时俱进，因此现代混凝土向高强、高性能及绿色道路方向发展，然而在快速发展的同时，混凝土收缩开裂及开裂引起的混凝土耐久性劣化等危害也成为现代混凝土亟需解决的关键性问题，工程实践表明，因混凝土在环境温湿度变化的影响下产生非荷载应力而引起的混凝土结构裂缝约占80%，因此提高混凝土工作性、力学性、耐久性等综合性能是目前研究的重点方向之一[1-3]。

粒化高炉矿渣（简称矿渣粉）具有较高的潜在活性，取代部分水泥后，能有效降低水化热，且具有较好的填充性和火山灰活性作用，使混凝土界面区的晶体数量和孔隙率减少，水泥石更加致密，防止混凝土开裂。但是由于各地区矿渣粉差异较大以及矿渣粉对混凝土开裂及综合性能的研究在云南仍然相对薄弱，因此本论文针對当地生态环境脆弱、地质条件复杂、海拔低、年均气温高，易造成混凝土开裂等问题，研究矿渣粉掺量对高速公路用C50高性能混凝土综合性能的影响，以期达到解决混凝土开裂，提高其综合性能的目的[4-7]。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

水泥采用P·O 42.5级水泥，其性能指标见表1；矿物掺合料采用S75级粒化高炉矿渣粉，其技术指标和化学成分见表2和表3；细骨料采用细度模数为2.8的河砂；粗骨料采用4.75～31.5mm连续级配碎石；外加剂采用聚羧酸高性能减水剂，减水率31%，固含量12.64%；水为自来水。

1.2配合比与试验方法

1.2.1 混凝土配合比

为研究矿渣粉掺量对高性能混凝土综合性能的影响，以0.32水胶比的混凝土配合比为基准配方，改变矿渣粉掺量。试验用混凝土配合比如表4所示，矿渣粉采用等量取代水泥的方法，矿渣粉掺量分别为0、10%、20%、30%，砂率均为40%。

1.2.2 试验方法

参照《普通混凝长期性能和耐久性能试验方法》GB/T 50082-2009，选用平板刀口约束法来评价混凝土的开裂，试件尺寸为800mm×600mm×100mm，采用CABR-BEC刀口约束混凝土早期开裂试验设备；选用电通量法检测混凝土抗氯离子渗透性能，采用CABR-PCP9混凝土电通量测定仪，试件尺寸直径为100mm±1mm，厚度为50mm±2mm的标准试件。

混凝土工作性能、力学性能分别按照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

2 试验结果与分析

2.1 矿渣粉掺量对混凝土工作性及力学性能的影响

从表5可以看出，随着矿渣粉掺量的逐渐增多，混凝土的流动性逐渐变好，而其抗压强度和28d弹性模量则逐渐减小，这表明矿渣粉的加入有利于改善混凝土的工作性能，但过多的加入矿渣粉对混凝土的力学性能是不利的。一方面这是因为在混凝土中掺入的矿渣粉可以填充在水泥粒子间隙和絮凝结构中，占据充水空间，原来絮凝结构中的水被释放出来，在水胶比不变的情况下将使浆体稀化，流动性增加，另一方面，由于矿渣粉本身不参与水化反应，必须依靠水泥水化过程中产生的Ca（OH）2激发才能产生胶凝作用，然而在水胶比不变的情况下，矿粉的掺入会导致水泥用量减少，水化过程产生的Ca（OH）2的量减少，矿渣粉的活性不能完全激发，胶凝能力较弱，导致水泥石与集料的粘结力下降，从而导致混凝土早期抗压强度和弹性模量下降。

2.2 矿渣粉掺量对混凝土早期开裂性能的影响

从图1和图2可知，随着矿渣粉掺量的增加，混凝土单位面积上的总开裂面积和最大裂缝宽度先减小后增大，初始开裂时间逐渐延长，这表明适当掺量的矿渣粉有利于提高混凝土的早期抗裂能力，一方面矿渣粉的掺入可以有效减少混凝土水化热，缩小硬化过程中各组分之间的温度差，从而削弱各个组分之间因温差过大引起不均匀收缩而导致的裂纹，此外由于矿渣粉的微集料效应，在混凝土的早期硬化过程中，有效的填充孔隙，提高混凝土密实度，从而使其收缩减少，抑制裂纹的产生。另一方面，矿渣粉的掺入会导致水泥石与集料的粘结力下降，使混凝土的强度降低，抵御载荷的能力下降，从而在硬化过程中容易导致裂纹的产生。这两个方面因素共同作用决定混凝土的抗裂能力，当矿渣粉掺量为20%时混凝土单位开裂面积为639mm2/m2，最大裂缝宽度为0.76mm，初始开裂时间为176min，其综合抗裂能力最好。

2.3 矿渣粉掺量对混凝土抗水渗透性能的影响

由图2可知，随着矿渣粉掺量的提高，混凝土渗水高度先下降后增高。在矿渣粉掺量为20%时，混凝土的渗水高度为11mm，渗水高度最低，其抗水渗透性最好。这是由于掺入矿渣粉时，首先使混凝土浆体的密实度提高，反应生成的水化产物填充和分割混凝土中的大孔，使孔隙细化，减少，抗渗性能提高。其次，集料和水泥之间的界面是混凝土结构中的薄弱环节，而矿渣粉的加入能减小硬化水泥浆体和集料界面间的过渡区域的宽度，干扰过渡区域中Ca（OH）2晶体的取向，提高界面的强度和密实性，从而提高抗渗性能。但过多的加入矿渣粉，造成水泥石中的孔隙较多，内部结构疏松，水分蒸发速率增大，易造成混凝土开裂，反而增强了混凝土的渗透性。

2.4 矿渣粉掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

从图3可知，随着矿渣粉掺量的提高，混凝土28d和60d的电通量呈先减小后增大的趋势。并且龄期越长，电通量越小。矿渣粉掺量为20%时，混凝土各龄期的电通量最小，其抵抗氯离子渗透的能力最好，造成電通量变化的原因主要是因为矿渣粉的掺入使混凝土的致密度提高，内部孔隙减少，阻碍了氯离子的渗透，导致电通量减小，并且随着养护时间的延长，水化反应进行的越充分，孔隙和毛细孔逐渐被填充，而且由于矿渣粉后期活性的逐渐发挥，使得混凝土内部结构更加完善，致密度进一步提高，从而导致氯离子的渗透更困难，以及水是携带氯离子的主要介质，有前文可知，矿渣粉掺量为20%时，混凝土的抗水渗透性能最好，在这多因素的影响下使混凝土的抗氯离子渗透能力提高。但随着矿渣粉掺量的继续增加，水泥用量减少，混凝土内部碱性降低，水化过程进行缓慢，水化产物减小，矿渣粉的活性发挥不完全，从而使混凝土内部结构疏松，孔隙率增大，致密度降低，易开裂，氯离子的渗透通道增多，从而使电通量反而增加，混凝土的抗氯离子渗透能力下降。

3 结论

（1）随着矿渣粉掺量从0%到30%，C50混凝土流动性逐渐增大，表明矿渣粉的掺入能改善混凝土的工作性，但会降低其早期抗压强度和弹性模量。

（2）当矿渣粉掺量逐渐增加，C50混凝土单位面积上的总开裂面积和最大裂缝宽度均先减少后增加，初始开裂时间延长。矿渣粉掺量为20%时，混凝土单位面积上的总开裂面积为639mm2/m2，最大裂缝宽度为0.76mm，初始开裂时间为176min，混凝土抗裂等级最高。

（3）C50混凝土抗渗水高度和电通量随矿渣粉掺量的增加呈先减小后增大的趋势，且在矿渣粉掺量为20%时，混凝土渗水高度和电通量最小，其抗水渗透与抗氯离子渗透性能最好。

参考文献

[1]段小芳， 夏正兵， 吴旭. 高强混凝土早期收缩及抗裂性能研究综述[J]. 江苏建材， 2018（3）.

[2]池远东. 复掺矿物掺合料混凝土抗裂性能试验研究及理论分析[D]. 浙江大学， 2006.

[3]高小建， 巴恒静， 杨英姿. 矿物掺和料对混凝土早期开裂的影响[J]. 建筑科学与工程学报， 2006， 23（4）：19-23.

[4]Kwon S J， Na U J， Sang S P， et al. Service life prediction of concrete wharves with early-aged crack： Probabilistic approach for chloride diffusion[J]. Structural Safety， 2009， 31（1）：75-83.

[5]Branko ?avija， José Pacheco， Schlangen E .Lattice modeling of chloride diffusion in sound and cracked concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 2013， 42（9）：30-40.

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[7]孟振亚， 刘加平， 刘建忠， 等. 矿物掺合料的掺入对混凝土抗氯离子渗透性能影响的评价与研究[J]. 混凝土， 2010（7）：28-30.