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(zāi)工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 徐州 221116; 2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 概述

混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)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(shù)應(yīng)用，混凝土裂縫出現(xiàn)的時(shí)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(zhì)的進(jìn)入提供通道而危及鋼筋產(chǎn)生銹蝕，降低混凝土的整體性，加劇混凝土的破壞，從而會(huì)引起耐久性的降低并加速混凝土的劣化進(jìn)程[1，2]。

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

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)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(xué) Parviz Soroushian[3]和美國圣約瑟(San Jose)大學(xué)的Kraai[4]提出了用平板試驗(yàn)裝置研究混凝土的開裂性。試驗(yàn)證明，平板法具有簡單易操作的特點(diǎn)，能迅速有效地研究混凝土和砂漿的塑性干縮性能。本試驗(yàn)采用《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[5]中推薦的混凝土(砂漿)早期抗裂性試驗(yàn)方法。

1)試驗(yàn)裝置。采用尺寸為600 mm×600 mm×63 mm的鋼制平板試模進(jìn)行抗裂性試驗(yàn)，在模具底板上鋪好塑料薄膜，試驗(yàn)前逐個(gè)調(diào)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(yàn)過程。將混凝土拌和物分兩層澆入模具中插搗振實(shí)，每組成型兩個(gè)試件，澆筑成型，養(yǎng)護(hù)到初凝時(shí)，將試件連同模具置于溫度為(20±1)℃，相對濕度為(60±5)%的環(huán)境中，用調(diào)速風(fēng)扇產(chǎn)生0.6 m/s的風(fēng)速，開始觀察平板表面的裂縫發(fā)生過程。在開始的3 h內(nèi)，每5 min觀察一次;當(dāng)發(fā)現(xiàn)有裂紋出現(xiàn)后改為每10 min觀察一次;當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)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(gè)試件裂縫開始出現(xiàn)的時(shí)間，裂縫數(shù)量、長度、寬度等隨時(shí)間的變化。

3)評(píng)價(jià)方法。試件早期的抗裂性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下:a.僅有非常細(xì)的裂紋;b.平均裂開面積小于10 mm2;c.單位面積開裂裂縫數(shù)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(gè)準(zhǔn)則，將抗裂性劃分為五個(gè)等級(jí):

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

2.2 試驗(yàn)原材料

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

細(xì)骨料:河砂，2區(qū)中砂，見表1;

粗骨料:碎石(5 mm～20 mm)連續(xù)級(jí)配，見表2;

粉煤灰:彭城電廠Ⅱ級(jí)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(biāo)

表2 石子物理性能指標(biāo)

表3 粉煤灰物理性能指標(biāo)

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(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土裂縫開裂試驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)顯示除了摻量為15%的混凝土的初始開裂時(shí)間基本沒變化外，其他摻量的粉煤灰混凝土的初始開裂時(shí)間都大于基準(zhǔn)試樣的初始開裂時(shí)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(xiàn)的越晚，當(dāng)摻量為45%時(shí)，混凝土的初始裂縫時(shí)間已經(jīng)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(zhǔn)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(shí)出現(xiàn)了波動(dòng)，總的趨勢仍表現(xiàn)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(yàn)結(jié)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(shù)目取決于裂縫總條數(shù)。表6中裂縫條數(shù)基本上相差不大，只有當(dāng)摻量為45%時(shí)裂縫總條數(shù)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(dāng)粉煤灰的摻量超過30%時(shí)，混凝土的抗裂等級(jí)已經(jīng)變?yōu)棰蚣?jí)，抗裂效果顯著。但當(dāng)粉煤灰摻量超過30%時(shí)，其裂縫總面積的減小趨勢變得平緩。這與彭衛(wèi)兵[6]研究的結(jié)果很相似。

表6 混凝土抗裂性能等級(jí)

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(yīng)初期，粉煤灰均勻的分散在反應(yīng)體系中，充分發(fā)揮了微集料的約束效應(yīng)，可以抑制水泥石的收縮。在摻量不超過40%時(shí)，粉煤灰分散越均勻，其約束效應(yīng)也越顯著，裂紋產(chǎn)生的幾率越小，混凝土的抗裂性增加。另一方面，當(dāng)粉煤灰均勻的分散在水泥中時(shí)，可以有效的改善水泥水化產(chǎn)物與骨料界面的結(jié)構(gòu)，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，減少其早期收縮[7]。

3.2 機(jī)理分析

1)形態(tài)效應(yīng)。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(xì)粉煤灰，這些球狀玻璃體表面光滑，粒度細(xì)，質(zhì)地致密，內(nèi)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(zhì)作用，促進(jìn)初期水泥水化的解絮作用，改變拌和物的流變性質(zhì)、初始結(jié)構(gòu)以及硬化后的多種功能，可以減少水泥用量，延緩水化反應(yīng)速度，減少混凝土因溫升導(dǎo)致裂縫發(fā)生的概率[8]。

2)微集料效應(yīng)。微細(xì)的粉煤灰顆粒，比表面積大、吸附性能好，就像微細(xì)的集料，均勻分布于水泥漿體中，具有良好的填充效應(yīng)和界面效應(yīng)。即微細(xì)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(fā)通道的通暢，有利于抑制水分蒸發(fā)，減少收縮產(chǎn)生的裂縫。微細(xì)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(qū)的微結(jié)構(gòu)，消除或減少界面區(qū)的原生微裂縫，消減應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少界面結(jié)構(gòu)裂縫的形成[9]。

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

4 結(jié)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(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明:

1)在其他情況相同條件下，混凝土中摻加粉煤灰時(shí)，隨著粉煤灰的摻量增加，混凝土的裂縫開始出現(xiàn)時(shí)間延長，裂縫的最大寬度和裂縫的最大長度均呈現(xiàn)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(dāng)粉煤灰摻量超過30%時(shí)，混凝土的抗裂性已達(dá)到Ⅱ級(jí)，摻量繼續(xù)增加，抗裂性的變化趨于平緩。

3)粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)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(xì)度對礦渣膠凝材料收縮性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，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(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[S].

[6] 彭衛(wèi)兵，何 真，梁文泉.粉煤灰對混凝土開裂行為的影響及評(píng)價(jià)[J].建筑材料學(xué)報(bào)，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(xué)，2009，27(5):163-165.

[8] 劉數(shù)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(shù)，2005，4(1):90-92.

[10] 喬艷靜，費(fèi)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.