曾国东¹，周敏²，杨腾宇³，邱冰⁴

(1.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司,广东佛山 52800）

 

摘  要：针对高胶凝材料用量泵送混凝土早期塑性收缩开裂现象普遍存在并导致混凝土结构耐久性衰减的问题，进行了掺合料对混凝土早期塑性开裂的影响效果比对试验，研究了花岗岩石粉、粉煤灰对混凝土工作性、抗压强度、早期塑性抗裂性能的影响规律，结果表明:掺合料品种、掺量对混凝土早期塑性开裂性能影响差异显著，15%～20%掺量的粉煤灰或15%掺量的花岗岩石粉能有效降低混凝土早期开裂风险。

关键词：混凝土；粉煤灰；花岗岩石粉；塑性开裂

混凝土裂缝为有害离子侵入提供通道，加速了内部钢筋锈蚀并影响构件使用寿命[1-3]。塑性收缩裂缝是混凝土早期原生裂缝重要组成部分，其存在对混凝土结构后期裂缝的发展具有一定促进作用[4]。我国工程质量调查表明，部分混凝土路面施工完成几天内、甚至不到一天就出现开裂问题[5]，其他工程领域如海港工程、桥梁工程、轨道工程混凝土早期塑性收缩裂缝问题也普遍存在[6]。

不同品种的矿物掺合料具有诸多优异性能，尤其是优质粉煤灰对混凝土早期塑性收缩开裂的改善效果已经有较为深入的研究[7-9]。但随着我国混凝土需求量日益增加，市场上矿物掺合料品质参差不齐，掺合料不当的使用对混凝土带来的质量隐患逐渐得到国内外科研和工程技术人员的高度重视[10,11]。因此，研究了不同品质、不同掺量矿物掺合料对混凝土工作性、抗压强度、早期抗裂性的影响及变化规律，通过矿物掺合料化学成分、微观形貌分析了其对混凝土塑性收缩裂缝的影响机理，对有早期塑性收缩开裂风险混凝土的原材料选择具有一定指导意义。

1 原材料及试验方法

1.1 试验材料

（1）水泥：试验采用华润水泥厂生产的P·O42.5级水泥，水泥主要性能见表1；

（2）矿物掺合料：佛山周边地区花岗岩石粉GP，广州黄埔电厂生产II级粉煤灰FA，其化学成分及物理性能见表2、表3。

（3）粗骨料：产地为广东云浮，采用5~25mm连续级配，其中5~10mm：10~25mm=3:7；

（4）细骨料：采用河砂，产地广西西江，含泥量为0.5%，表观密度2630kg/m³，细度模数为2.6；

（5）外加剂为中交武汉港湾设计研究院有限公司生产的LN-SP型聚羧酸高性能减水剂，掺量为胶凝材料的1.0%，减水率36%，固体含量22.26%；

（6）水采用当地饮用水。

1.2  试验方法

试验选取设计强度为C40的基准配合比。在此基础上固定水胶比为0.38、单位用水量为152kg/m³,胶凝材料总量为400kg/m³，且外加剂掺量保持不变，分别选用花岗岩石粉GP、粉煤灰FA对水泥进行15%、20%、25%的等量取代，共7组配合比，见表4.

混凝土工作性能测试按《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》（GB/T 50080-2016）；抗压强度测试按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB 50081-2002）进行；早期抗裂试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GBT50082-2009）。

混凝土蒸发失水量试验在表4配合比基础上除去粗骨料成型φ100mm×50mm砂浆圆柱体试件放置于环境温度为（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%，并控制试件表面中心正上方100mm处风速为（5±0.5）m/s；测试混凝土2h、12h、24h蒸发失水量。

2 试验结果与讨论

2.1 掺入不同矿物掺合料对混凝土工作性与抗压强度的影响

检测各组配合比混凝土试样的工作性能和抗压强度数据如图1~4所示。

由图1和图2可知，相对基准组JZ混凝土，掺合料的掺入均可在一定程度上改善混凝土拌合物工作性，掺量在20%时拌合物坍落度、扩展度达到最大值，但掺合料品种对混凝土工作性影响显著。花岗岩石粉掺量低于25%时混凝土工作性均有所改善，相对花岗岩石粉，粉煤灰的掺入对拌合物流动性改善效果更佳，在掺量均为20%条件下，与掺入花岗岩石粉混凝土拌合物相比，掺入粉煤灰拌合物坍落度提高10.0%、扩展度提高5.8%，

由图3、图4可知，粉煤灰的掺入可提升混凝土抗压强度，且存在最优掺量，约在20%左右；掺入花岗岩石粉混凝土7d、28d抗压强度均有所降低，且随着掺量的增加，下降幅度也越大。以掺量为25%情况为例，掺入粉煤灰混合料FA1混凝土，相对掺入粉煤灰FA2混凝土28d强度降低7.1MPa，相对未掺入掺合料基准组28d强度降低8.7MPa。

2.3掺入不同矿物掺合料对混凝土蒸发失水量影响

不同矿物掺合料品种及掺量混凝土试样的蒸发失水量数据如图5所示

从图5中我们可以明显的看到，随着矿物掺合料掺量的增加，2h、12h、24h蒸发失水量均呈增大的趋势。与基准组JZ相比，掺入25%粉煤灰混合料FA1混凝土24h蒸发失水量提高了20.5%，掺入25%粉煤灰FA2混凝土24h蒸发失水量提高了54.4%。

2.4 掺入不同矿物掺合料对混凝土早期抗裂性的影响

不同矿物掺合料品种及掺量混凝土试样的早期开裂数据如表5所示。

表5反映了不同品种、不同掺量矿物掺合料对混凝土早期抗裂性能的影响，可以发现粉煤灰的掺入使混凝土总开裂面积大幅减小，当其掺量为20%时，开裂面积达到最小值，对比未掺入粉煤灰的基准组JZ，总开裂面积降低幅度高达96%，同时最大裂缝宽度减小、裂缝初始产生的时间延迟。15%掺量的花岗岩石粉（图6b）相对基准组JZ（图6a）混凝土抗裂性有明显改善，但随着掺量增加其总开裂面积、平均裂缝宽度、裂缝数目增加。

3、机理分析

采用Quanta 650FEG型扫描电子显微镜分别对花岗岩石粉、粉煤灰进行了形貌测试分析。如图7所示，花岗岩石粉颗粒呈现为大量的不规则晶体，颗粒表面棱角尖锐，而粉煤灰富含球形玻璃体颗粒，表面光滑但多孔，粘附着更为细小的球形颗粒。

原状粉煤灰中富含球状玻璃微珠，其均匀分布于水泥浆体中，不仅起到分散润滑作用，同时填充混凝土内部孔隙，增加了混凝土内部“自由水”含量，改善混凝土拌合物流动性，具有明显的“形态效应”与“微集料效应”，同时粉煤灰的二次水化反应使其具备“火山灰效应”，有利于混凝土后期强度的增长。花岗岩石粉虽然不具备“形态效应”与“火山灰效应”，但掺入混凝土中时可发挥一定的“微集料效应”，通过改善胶凝材料的颗粒级配，使胶凝材料颗粒体系需水量降低，提高拌合物流动性。

花岗岩石粉、粉煤灰的掺入提高了混凝土材料体系密实度，置换出的孔隙水使混凝土在塑性阶段可用于蒸发的“自由水”含量增加，由于塑性开裂是在混凝土表面水分快速蒸发且混凝土泌水量不足以弥补蒸发水量的情况下产生的^[12]。所以花岗岩石粉、粉煤灰的掺入使混凝土可供蒸发失水量的自由水含量增多、塑性收缩减小，混凝土开裂面积、裂缝宽度减小，并有效延缓了塑性收缩裂缝的产生时间，提升了混凝土抗裂性。过量的花岗岩石粉掺入混凝土中将导致胶凝材料的粒子级配劣化、同时早期强度发展缓慢，混凝土孔隙率及需水量增大，相同蒸发失水速率条件下混凝土内部可供蒸发“自由水”含量相对较少，空隙水压力迅速发展，导致混凝土早期裂缝迅速发展，开裂风险增大。

4 结论

（1）粉煤灰、花岗岩石粉可有效改善混凝土拌合物工作性，掺量为20%时效果最优；

（2）粉煤灰的掺入可提升混凝土28d抗压强度，且存在最优掺量，约在20%左右。花岗岩石粉的取代水泥对混凝土抗压强度，尤其是28d后期抗压强度影响不利；

（3）掺加15%～20%原状粉煤灰或15%掺量的花岗岩石粉可明显减少混凝土裂缝数量，降低裂缝宽度，延缓开裂时间。

参考文献

[1]郭平功,赵铁军,田砾.裂缝、表面防水处理对混凝土耐久性的影响[J].混凝土,2007,(08):17-20.

[2]张德峰,吕志涛.裂缝对预应力混凝土结构耐久性的影响[J].工业建筑,2000,(11):12-14+65.

[3]杨长辉,王川,吴芳.混凝土塑性收缩裂缝成因及防裂措施研究综述[J].混凝土,2002,(05):33-36+25.

[4]高英力.超细粉煤灰高性能公路路面水泥混凝土早期收缩变形及抗裂性能研究[D].中南大学,2005.

[5]孙振平,蒋正武,王培铭,刘朴,王汇文,王方.水泥混凝土路面裂缝成因及预防措施[J].公路交通科技,2005

[6]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社,1997

[7]Termkhajornkit P,Nawa T,Nakai M,et al.Effect offly ash on autogenous shrinkage[J].Cement and ConcreteResearch,2005,35(3):473-482．

[8]王川,杨长辉,吴芳,陈科.矿渣和粉煤灰对混凝土塑性收缩裂缝的影响[J].混凝土,2002,(11):45-48.

[9]Kejin Wang,Surendra P.Shah,and PariyaPhuaksuk,Plastic Shrinkage Cracking in Concrete Materials-Influence of Fly Ashand Fibers,J.ACI/November-December, No.98-M49, pp.458-464.

[10]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.

[11]Baghabra Al-Amoudi OS,Maslehuddin M,AbiolaTO.Effect of type and dosage of silica fume on plastic shrinkage in concreteexposed to hot weather[J].Construction and BuildingMaterials,2004,18(4):737-743.

[12]张倩倩,魏亚.水泥混凝土塑性阶段表面蒸发速率研究[J].建筑材料学报,2015,18(01):128-132.