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水工混凝土对矿物掺合料早期抗裂性的影响分析

2023-10-01 97 上传者：管理员

摘要：文章采用平板开裂法，通过试验探讨了不同胶材用量、单掺粉煤灰与矿粉、复掺掺合料及成型养护方式对水工混凝土早期抗裂性的影响。研究表明：混凝土的单位开裂面积及其增长率随胶材用量的增加而增大，成型养护方式对早期抗裂性的影响非常显著。

关键词：
平板开裂法
开裂
早期抗裂性
水工混凝土
矿物掺合料
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一直以来，开裂始终是混凝土工程面临的难题之一，裂缝的存在会缩短结构的使用年限，降低结构的耐久性能，早期的裂缝形式有温度、收缩和塑性裂缝。近年来，随着技术的发展高性能混凝土现已被广泛应用于水利、桥梁、海工、房建等领域，许多学者大量研究了混凝土的抗裂性能，特别是测试和评价早期抗裂能力的较多[1,2,3,4]。目前，主要有圆环法和平板法测试混凝土抗裂性能，评价指标可以分为单因素(如极限拉伸值、抗拉强度等)和多因素(如抗裂系数等)两大类型。对于平板法，现有技术标准未全面考虑早期强度发展规律、凝结时间受混凝土配合比差异的影响，一般要求入模2h后观测混凝土表面在一定风吹条件下的裂缝情况[5]。实际上，表面吹风起始时间会显著影响混凝土裂缝的形成与扩展，在施工养护过程中必须严格控制吹风起始时间。工程实践表明，一定细度的粉煤灰、矿粉等掺合料能够发挥微集料填充效应，优化内部孔隙结构，改善混凝土工作性和其它性能[6]。因此，文章应用平板法测试水工混凝土掺矿物掺合料的早期开裂性能，旨在通过使用高效减水剂和工业废渣替代水泥配制出耐久性较好、强度较高、工作性良好的高性能水工混凝土，并为水利工程中高性能混凝土的应用提供技术支持。

1、试验方法

1.1原材料

水泥：渤海P·I 52.5级水泥，比表面积246m2/kg,标稠用水量25.2%,密度3.26g/cm3;矿物掺合料：S95级普通矿粉和粒径6μm的P1000、粒径10μm的P800超细矿粉，粉煤灰选用F类Ⅱ级灰，烧失量4.1%,比表面积428kg/m2,28d活性指数76%;外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率>26%,泌水率32%,液态，拌合水用当地自来水；集料：天然中砂和粒径5～25mm的花岗岩碎石，砂的表观密度2600kg/m3,微粒含量4.5%,石的表观密度2650kg/m3,针片状含量4.7%。

1.2测试方法

根据《水工混凝土配合比设计规程》确定胶材用量为360kg/m3、400kg/m3、440kg/m3、480kg/m3,统一砂率40%,控制拌合物坍落度处于180～220mm之间，以此调整减水剂掺量1.2%和相应的用水量。

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测定100mm×600mm×800mm平面薄板型试件的早期抗裂性能，试验胶材配比见表1。

试验过程中，先将拌合物浇筑到试模内并立即摊平，控制混凝土表面略高于模具边框，然后移到振动台上震动10s使拌合物密实，并把表面浮浆抹去；静置成型30min后，在相对湿度(60±5)%、温度(20±2)℃环境中进行试验，调整风扇位置使裂缝诱导器及试件表面与风向相平行，打开风扇控制混凝土正上方100mm处风速为(5±0.5)m/s;最后，从加水搅拌作为起始时间，测定(24±0.5)h时试件表面的裂缝宽度、长度及平均开裂面积，试验仪器有钢直尺、计时器和刻度放大镜(最大倍数100倍)。

2、结果与分析

平板法测试各组混凝土最大裂缝宽度、长度和条数见表2,并进一步计算单位开裂面积见表3。

2.1不同胶材用量试验

为了更加直观地反映胶材对早期抗裂性能的影响作用，试验分析不同胶材用量各组试件的早期抗裂性变化趋势，见图1。

由图1可知，随胶材用量的增加掺矿粉和粉煤灰混凝土的单位开裂面积不断增大，并且较大胶材用量时的裂缝面积增长率较高，特别是掺矿粉组的裂缝面积增速更大，如掺440～480kg/m3胶材矿粉组约为360～440kg/m3组单位总开裂面积的2倍，胶材为360kg/m3和440kg/m3条件下，掺矿粉组与粉煤灰组的单位总开裂面积之比为1.71和1.81;另外，混凝土最大裂缝宽度随着胶材用量的提高不断增加，掺粉煤灰组与矿粉组之间的裂缝差距也不断扩大，如胶材为360kg/m3和440kg/m3条件下，掺矿粉组与粉煤灰组的最大裂缝宽度之比为1.17级1.50。因此，混凝土早期开裂性能受胶材用量的影响显著，胶材用量越高混凝土抗裂性能越差，开裂面积越大。

混凝土单位开裂面积随胶材用量的增加而增大的原因主要如下：①单位水泥用量增加使得水化所需水量增多，相应的热变形值和干缩变形值增大，当超过一定界限时就会产生裂缝；②水泥基体中胶材越多则其内部自由水分越多，养护不好时很容易产生水分的散失，特别是受热风影响时会加剧混凝土收缩，因早期强度较低难以抵抗混凝土自身收缩而形成收缩裂缝。

2.2单掺粉煤灰与矿粉试验

为了更加系统地反映矿物掺合料对早期抗裂性能的影响规律，试验分析单掺粉煤灰与矿粉时各组试件的早期抗裂性变化趋势，见图2。

由图2可知，随胶材用量的增加单掺矿粉和粉煤灰混凝土的开裂面积均不断增大，两者的变化趋势基本一致，胶材用量超过440kg/m3条件下试件的开裂面积快速增大；胶材用量相同情况下，单掺矿粉相较于单掺粉煤灰试件的开裂面积明显较高，如胶材为480kg/m3和360kg/m3条件下，单掺矿粉组与粉煤灰组的单位总开裂面积之比为2.2和4.4,单掺粉煤灰组约为单掺矿粉组最大裂缝宽度的2倍。单掺粉煤灰组明显低于单掺矿粉组的裂缝条数，粉煤灰组的裂缝条数最多为4条，而单掺矿粉组的裂缝条数均为5条，这说明掺粉煤灰优于掺矿粉混凝土的抗裂性能。有研究表明，矿粉的掺入可以在一定程度上增大早期总收缩率，而早期总收缩受粉煤灰的影响较低，粉煤灰和矿粉的掺入均能有效控制混凝土早期开裂。

2.3掺合料复掺试验

为了进一步探讨超细矿粉对混凝土早期抗裂性能的影响作用，试验分析矿粉、粉煤灰与超细矿粉复掺时各组试件的早期抗裂性变化趋势，见图3、图4。

由图3可知，从低到高各矿粉组试件的早期开裂面积整体排序：P800+S95矿粉<S95矿粉<P1000+S95矿粉，随胶材用量的增加各组试件裂缝面积变化趋势相似。P1000与S95矿粉复掺条件下，胶材为480kg/m3组试件的单位总开裂面积(995mm2/m2)为单掺矿粉组(686mm2/m2)的1.5倍；P800与S95矿粉复掺组均小于单掺矿粉组试件的开裂面积，单掺矿粉约为P800与S95矿粉复掺组单位总开裂面积的1.4～1.8倍。由图4可知，复掺P1000超细矿粉与粉煤灰组的最大裂缝宽度及单位总开裂面积均较大，其次是复掺P800超细矿粉与粉煤灰组，两组别的裂缝条数基本相当；单掺粉煤灰组试件的抗裂性能均优于粉煤灰复掺P1000及P800超细矿粉组，如胶材用量为360kg/m3条件下，粉煤灰与P1000矿粉复掺组的单位总开裂面积、最大裂缝宽度分别为单掺粉煤灰组的3.7倍和2.7倍；胶材用量为440kg/m3条件下，粉煤灰与P1000矿粉复掺组的单位总开裂面积、最大裂缝宽度分别为单掺粉煤灰组的1.8倍和1.7倍。这是因为超细矿粉早期消耗水分较多，早期水化释放的热量也较多，水泥基体内部温升使得水分散失加快，在外界风吹条件下内外温差过大而形成裂缝，所以掺超细矿粉组的抗裂性能较差。

2.4成型养护方式试验

考虑到实际工程中混凝土需要带模养护至规定龄期才能拆模，拆模后通常还要再养护7～14d,所以利用平板法测试的早期抗裂性能，对模铸混凝土的适用性较差。为探究模铸混凝土开裂受不同养护方式的影响规律，试验设计风吹24h+24h、风吹24h+标养24h、成型后风吹24h三种养护制度。结果表明，风吹24h+自养24h、风吹24h+标养24h条件下的混凝土均未开裂，而成型后风吹24h混凝土出现明显开裂。成型8d后将混凝土烘24h(烘干温度60℃),冷却后发现烘干后的混凝土表面未开裂。因此，本研究认为由于裂缝诱导器间距过小使得混凝土处于类似密集配筋的工作状态下，从而使得早期并未发生开裂。

因此，考虑将3根裂缝诱导器切割掉以改变模具间距，诱导器的其它间距不变。试验选用胶材480kg/m3的配合比再次配制成型混凝土试件，在相对湿度(60±5)%、温度(20±2)℃、无风吹日晒的环境中观察24h内裂缝发展状况，然后风吹24h观察裂缝情况。结果发现，除P1000超细矿粉与粉煤灰复掺组外，其它组试件成型24h时均未开裂，风吹24h后各组混凝土裂缝也为进一步发展。

研究表明，成型后应最大程度地降低混凝土受风吹日晒等自然因素的不利影响，从而有效防止早期裂缝的形成，早期抗裂性能受养护方式的影响较大，特别是在水工混凝土浇筑时要进行洒水养护，特别是大风和高温天气时，为了防止水分过快蒸发应采取挡风和设遮阳棚等措施。

3、结论

1)研究表明，混凝土单位总开裂面积及其增长率随胶材用量的增加而增大；单掺矿粉或粉煤灰时，随胶材用量的增加混凝土单位开裂面积逐渐增大，掺矿粉与粉煤灰组的变化趋势相同，胶材用量超过440kg/m3时试件的单位总开裂面积快速增大；胶材用量相同情况下，单掺粉煤灰明显优于单掺矿粉组的抗裂性能。

2)掺粉煤灰和矿粉混凝土的早期抗裂性能受养护方式的影响较大，成型后应最大程度地降低混凝土受风吹日晒等自然因素的不利影响，有效防止早期裂缝的形成，在水工混凝土浇筑时要进行洒水养护，特别是大风和高温天气时，为了防止水分过快蒸发应采取挡风和设遮阳棚等措施。

参考文献:

[1]陈拥军,刘翠兰,张风臣.混凝土环形试件早期收缩试验方法详述[J].施工技术,2005,35(S2):6-9.

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[3]唐修生,蔡跃波,祝烨然,等.大掺量磨细矿渣高性能混凝土抗裂性改善研究[J].建筑材料学报,2009,12(05):613-616.

[4]陈瑜,钱益想,邓怡帆.水泥基材料化学收缩与自收缩试验方法研究[J].硅酸盐通报,2016,35(02):443-448.

[5]李庚.早期混凝土自收缩实验研究[J].四川建材,2019,45(12):253-255.

[6]徐仁崇,李晓斌,杜苗苗,等.矿物掺合料对C100混凝土早期收缩及干缩的影响[J].混凝土与水泥制品,2013(01):24-27.

文章来源:李金朋.矿物掺合料对水工混凝土早期抗裂性的影响分析[J].黑龙江水利科技,2023,51(09):14-17+100.DOI:10.14122