粉煤灰摻量對混凝土早期裂縫的影響

朱 超

(1.江蘇省建筑安全與減災工程技術研究開發中心，江蘇 徐州 221116; 2.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116)

1 概述

混凝土裂縫是混凝土結構的嚴重病害。近年來隨著外加劑、摻合料在混凝土材料中的加入及泵送混凝土的技術應用，混凝土裂縫出現的時間也大大提前。混凝土早期表面收縮開裂必將為以后侵蝕性物質的進入提供通道而危及鋼筋產生銹蝕，降低混凝土的整體性，加劇混凝土的破壞，從而會引起耐久性的降低并加速混凝土的劣化進程[1，2]。

本文通過平板抗裂性試驗，對粉煤灰混凝土的早期抗裂性能進行研究，分析了粉煤灰摻量與混凝土早期裂縫的關系，著重探討了粉煤灰的抗裂機理，從而為大摻量粉煤灰的工程應用提供理論依據。

2 試驗

2.1 試驗方法

在對混凝土抗塑性收縮和干燥收縮開裂的研究中，美國密西根州立大學 Parviz Soroushian[3]和美國圣約瑟(San Jose)大學的Kraai[4]提出了用平板試驗裝置研究混凝土的開裂性。試驗證明，平板法具有簡單易操作的特點，能迅速有效地研究混凝土和砂漿的塑性干縮性能。本試驗采用《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[5]中推薦的混凝土(砂漿)早期抗裂性試驗方法。

1)試驗裝置。采用尺寸為600 mm×600 mm×63 mm的鋼制平板試模進行抗裂性試驗，在模具底板上鋪好塑料薄膜，試驗前逐個調整和緊固模具上的所有螺栓，見圖1。

圖1 平板試件裝置

2)試驗過程。將混凝土拌和物分兩層澆入模具中插搗振實，每組成型兩個試件，澆筑成型，養護到初凝時，將試件連同模具置于溫度為(20±1)℃，相對濕度為(60±5)%的環境中，用調速風扇產生0.6 m/s的風速，開始觀察平板表面的裂縫發生過程。在開始的3 h內，每5 min觀察一次;當發現有裂紋出現后改為每10 min觀察一次;當混凝土表面出現貫穿裂縫后改為每30 min觀察一次;到1 d后，每0.5 d觀察一次直到齡期3 d為止。記錄每個試件裂縫開始出現的時間，裂縫數量、長度、寬度等隨時間的變化。

3)評價方法。試件早期的抗裂性評價準則如下:a.僅有非常細的裂紋;b.平均裂開面積小于10 mm2;c.單位面積開裂裂縫數目小于10根/m2;d.單位面積上的總裂開面積小于100 mm2/m2。

按照上述4個準則，將抗裂性劃分為五個等級:

Ⅰ級:全部滿足上述4個條件;Ⅱ級:滿足上述4個條件中的3個;Ⅲ級:滿足上述4個條件中的2個;Ⅳ級:滿足上述4個條件中的1個;Ⅴ級:一個也不滿足。

2.2 試驗原材料

水泥:淮海中聯 P.O42.5，R28=58 MPa，表觀密度3.0 g/cm3;

細骨料:河砂，2區中砂，見表1;

粗骨料:碎石(5 mm～20 mm)連續級配，見表2;

粉煤灰:彭城電廠Ⅱ級粉煤灰，見表3;

外加劑:聚羧酸系高性能減水劑，固含量26%。

表1 砂的物理性能指標

表2 石子物理性能指標

表3 粉煤灰物理性能指標

2.3 混凝土配合比

混凝土配合比見表4。

表4 混凝土配合比

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

混凝土裂縫開裂試驗結果見表5。

表5反映了粉煤灰摻量對混凝土開裂性的影響，數據顯示除了摻量為15%的混凝土的初始開裂時間基本沒變化外，其他摻量的粉煤灰混凝土的初始開裂時間都大于基準試樣的初始開裂時間，隨著摻量的增加，混凝土的開裂得到了延緩，而且粉煤灰的摻量越大，裂縫出現的越晚，當摻量為45%時，混凝土的初始裂縫時間已經延緩了56 min，粉煤灰混凝土的抗裂性得到了極大提高。與基準混凝土相比，15%和30%粉煤灰的摻入使最大裂縫寬度分別下降了21%和25%，而粉煤灰摻量增加到45%后，最大裂縫寬度更是降低了50%。最大裂縫長度除了粉煤灰摻量為15%時出現了波動，總的趨勢仍表現為隨著粉煤灰摻量的增加，最大裂縫長度減小。

表5 混凝土裂縫開裂試驗結果

從表6和圖2可知:隨著粉煤灰摻量增加，混凝土裂縫總面積呈減小趨勢，且隨著摻灰量增加，該作用越來越顯著。由于試模不變，所以單位面積不變，而單位面積裂縫的開裂數目取決于裂縫總條數。表6中裂縫條數基本上相差不大，只有當摻量為45%時裂縫總條數最少為25條。粉煤灰的摻量從0%～45%，混凝土平均開裂面積依次減少。即混凝土的抗裂性隨著粉煤灰摻量的增加而顯著增加，當粉煤灰的摻量超過30%時，混凝土的抗裂等級已經變為Ⅱ級，抗裂效果顯著。但當粉煤灰摻量超過30%時，其裂縫總面積的減小趨勢變得平緩。這與彭衛兵[6]研究的結果很相似。

表6 混凝土抗裂性能等級

圖2 粉煤灰摻量對混凝土開裂性的影響

粉煤灰的加入，部分取代了水泥，減少了水泥用量。在水化反應初期，粉煤灰均勻的分散在反應體系中，充分發揮了微集料的約束效應，可以抑制水泥石的收縮。在摻量不超過40%時，粉煤灰分散越均勻，其約束效應也越顯著，裂紋產生的幾率越小，混凝土的抗裂性增加。另一方面，當粉煤灰均勻的分散在水泥中時，可以有效的改善水泥水化產物與骨料界面的結構，使得混凝土結構更加密實，減少其早期收縮[7]。

3.2 機理分析

1)形態效應。在由多棱角顆粒組成的水泥混凝土混合料中，摻加以球形顆粒為主的細粉煤灰，這些球狀玻璃體表面光滑，粒度細，質地致密，內比表面積小，有助于改善混合料的和易性，能起到減水作用、致密作用和勻質作用，促進初期水泥水化的解絮作用，改變拌和物的流變性質、初始結構以及硬化后的多種功能，可以減少水泥用量，延緩水化反應速度，減少混凝土因溫升導致裂縫發生的概率[8]。

2)微集料效應。微細的粉煤灰顆粒，比表面積大、吸附性能好，就像微細的集料，均勻分布于水泥漿體中，具有良好的填充效應和界面效應。即微細的粉煤灰顆粒具有很好的填充性，能均勻填充于骨料顆粒以及水泥顆粒的空隙之間，阻礙水分蒸發通道的通暢，有利于抑制水分蒸發，減少收縮產生的裂縫。微細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，顯著改善界面過渡區的微結構，消除或減少界面區的原生微裂縫，消減應力集中現象，減少界面結構裂縫的形成[9]。

3)火山灰效應。粉煤灰在堿性激發劑或硫酸鹽激發劑的作用下，反應活性增強，與水泥的水化產物發生反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應生成水化硫鋁酸鈣。粉煤灰的二次水化反應，消耗了混凝土中水泥的水化產物Ca(OH)2，降低了混凝土中的含量和堿度;同時二次水化產物填充于硬化后混凝土的毛細孔中。粉煤灰的應用大大降低了混凝土內部的孔隙率，提高了混凝土的密實性，也減少了骨料與膠合料間的收縮變形，提高粘結強度，降低了混凝土內微裂縫出現的幾率，從而提高混凝土的抗裂性[10]。

4 結語

混凝土澆筑后早期裂縫可能影響建筑物安全的問題，在混凝土中摻入不同量的粉煤灰進行了試驗。結果表明:

1)在其他情況相同條件下，混凝土中摻加粉煤灰時，隨著粉煤灰的摻量增加，混凝土的裂縫開始出現時間延長，裂縫的最大寬度和裂縫的最大長度均呈現下降的趨勢，混凝土表面裂縫的單位面積開裂，總面積逐漸降低，所以粉煤灰的摻入能夠提高混凝土早期抗裂性能。

2)粉煤灰摻量的不同對混凝土抗裂性能有著不同效果的影響，但并不意味著粉煤灰摻量越多越好。當粉煤灰摻量超過30%時，混凝土的抗裂性已達到Ⅱ級，摻量繼續增加，抗裂性的變化趨于平緩。

3)粉煤灰的形態效應、微集料效應和火山灰效應是改善混凝土抗裂性能的主要原因。

[1] 曹冬梅，謝賢頌.粉煤灰對混凝土早期裂縫的影響[J].粉煤灰綜合利用，2010(5):29-32.

[2] 張西玲，姚愛玲.礦渣摻量和細度對礦渣膠凝材料收縮性能的影響[J].硅酸鹽通報，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，混凝土結構耐久性設計與施工指南[S].

[6] 彭衛兵，何 真，梁文泉.粉煤灰對混凝土開裂行為的影響及評價[J].建筑材料學報，2004，7(3):317-322.

[7] 孟凡深，王子敬.混合料對混凝土收縮影響及收縮模型分析[J].水電能源科學，2009，27(5):163-165.

[8] 劉數華，方坤河，曾 力.粉煤灰和硅粉對碾壓混凝土抗裂性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2005(2):12-13.

[9] 崔自治，王詠梅.粉煤灰與粉煤灰混凝土性能[J].寧夏工程技術，2005，4(1):90-92.

[10] 喬艷靜，費治華，田 倩，等.礦渣、粉煤灰摻量對混凝土收縮、開裂性能的研究[J].國外建材科技，2007，28(5):27-30.