自密實清水混凝土的早齡期抗裂性能研究

王圣賢 王雪芳

(1.福建江夏學院 福建福州 350108； 2.福州大學 福建福州 350108)

自密實清水混凝土的早齡期抗裂性能研究

王圣賢1王雪芳2

(1.福建江夏學院 福建福州 350108； 2.福州大學 福建福州 350108)

自密實清水混凝土結合了自密實混凝土和清水混凝土的優點，具有廣闊的應用前景。但由于直接暴露于環境中，開裂不僅影響美觀，更直接引起耐久性問題。采用平板誘導開裂試驗，以粉煤灰摻量及纖維摻量為主要參數，通過試驗研究自密實清水混凝土開裂性能。結果表明，粉煤灰摻量在15%～30%范圍內，隨粉煤灰摻量增加，自密實清水混凝土的抗裂性能提高；玄武巖纖維在1.0～1.6kg/m3摻量內對混凝土的開裂時間影響較小，但隨纖維摻量的增加，自密實清水混凝土的抗裂性能顯著提高。玄武巖纖維摻量為1.6kg/m3時，其開裂面積僅為未摻的40.7%。

自密實混凝土；清水混凝土；早齡期抗裂性能；誘導開裂試驗；粉煤灰；玄武巖纖維

0 引言

自密實清水混凝土是將自密實混凝土配制技術與清水混凝土施工工藝(即直接利用混凝土成型后的自然質感作為飾面效果的混凝土[1])相結合的一種便于施工且具有裝飾效果的綠色混凝土。它保留了清水混凝土的特點，即節省了抹灰與裝飾工程，杜絕了抹灰容易出現的空鼓、裂縫和脫皮，不僅建設時省錢，還能做到無需翻新裝修便可“歷久彌新”，它展現真實表觀，有利于結構缺陷的發現與處理。同時，它結合自密實混凝土的特點，簡化了施工工序，節約了大批人力和設備費用，提高經濟效益。它是對清水混凝土的一種高性能化，具有很好的應用前景。國內許多學者對清水混凝土的配合比設計及施工工藝進行了相關研究[2-6]，目前我國海南三亞機場、首都機場、上海浦東國際機場航站樓、東方明珠的大型斜筒體、西安浐灞商務中心等建筑工程均采用了清水混凝土，而北京聯想研發基地更被建設部列為“中國首座大面積清水混凝土建筑工程”。

然而，目前國內清水混凝土飾面主要用于平面結構，而對于一些特殊部位、特殊功能、特殊結構形式的混凝土，如復雜結構的高速鐵路橋梁清水混凝土的配制、施工工藝、質量控制措施等仍然不成熟[2]。一般清水混凝土工程中，開裂性能并未像外觀裝飾效果一樣受到足夠重視，同時因自密實混凝土膠凝材料用量大，砂率高，且摻入了高效減水劑和大量的礦物摻和料，在設計不當的情況下極易導致混凝土的開裂[7]，有必要開展自密實清水混凝土開裂性能研究，以優化配合比、確保其裝飾效果和長期耐久性。

本研究采用改進的平板法研究粉煤灰摻量對自密實清水混凝土抗裂性能的影響，并在此基礎上通過摻加纖維進一步提高混凝土的抗裂性能。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

本研究試驗采用密度為3080kg/m3的福建順昌水泥廠生產的煉石牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級粉煤灰；水泥和粉煤灰的化學成分、物理性能如表1所示；細骨料采用閩江河砂，細度模數為2.23，堆積密度為1460kg/m3；粗骨料為5mm～20mm的連續級配碎石，堆積密度為1457kg/m3，表觀密度為2658kg/m3；外加劑為廈門科之杰的聚羧酸高效減水劑。

玄武巖纖維采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的短切玄武巖纖維，如圖1所示，主要物理性能指標如表2所示。

圖1 玄武巖纖維外觀特性

WB/%CaOSiO2Al2O3Fe2O3SO3MgOK2O其他燒失量細度水泥59451764489383299241044835-188粉煤灰33662891861454048253115764388139

表2 玄武巖纖維的物理指標

1.2 自密實清水混凝土的配合比設計

自密實混凝土的高流動性及自密實性能夠很好地實現清水混凝土的裝飾性，因此本研究依據自密實混凝土的配合比設計方法，同時考慮清水混凝土的裝飾和施工工藝要求，進行自密實清水混凝土配合比設計。

根據JGJ/T 283-2012 《自密實混凝土應用技術規程》規定，自密實混凝土配合比設計宜采用絕對體積法。自密實混凝土水膠比宜小于0.45，膠凝材料用量宜控制在400kg/m3～550kg/m3。為了減少混凝土收縮的產生，水泥的用量不宜太多，同時為了滿足混凝土保塑性、黏聚性、包裹性及和易性的要求，膠凝材料用量宜控制在較多量，以滿足結構安全、耐久的要求[8]。因此，最終確定膠凝材料用量500kg/m3，水膠比為0.32，通過控制外加劑的量來使混凝土達到工作性要求。

考慮到粉煤灰摻量過大將會影響混凝土的顏色，也會影響混凝土的裝飾性，同時粉煤灰摻量過大會使得混凝土早期力學性能降低過大，所以本研究粉煤灰摻量控制在15%～30%。

混凝土中纖維的摻入量決定了單位體積復合材料內纖維的根數和纖維的平均間距，要使纖維起到阻裂、提高抗拉強度等增強作用，就需要纖維的平均間距小于一定值，即要求纖維的摻入量不小于臨界值。同時，若纖維摻入過多會導致纖維結團很難均勻的分散，水泥基不能充分包裹在纖維表面，致使混凝土中產生微裂隙等原生缺陷，混凝土的強度反而會降低。所以，纖維增強混凝土中的纖維摻量應控制在一定范圍內。考慮其性能要求和經濟效益，確定本研究的玄武巖纖維摻量分別為1.0kg/m3、1.2kg/m3、1.4kg/m3、1.6kg/m3。

1.3 自密實清水混凝土的制備與基本性能檢測

1.3.1混凝土制備

對于自密實清水混凝土，因其本身對工作性能有較高要求，同時對于摻有纖維改善混凝土性能的混凝土，因在其中加入纖維，纖維是否能均勻地分布于混凝土中，會對纖維增強混凝土的質量和性能產生較大影響[9]，因此，其攪拌工藝和投料順序的選擇對于混凝土的制備尤為重要。自密實清水混凝土的制備過程如下：

(1)利用強制式攪拌機干拌砂和碎石30s；

(2)加入水泥和粉煤灰等膠凝材料干拌30s；

(3)加入玄武巖纖維干拌60s；

(4)加入水和減水劑攪拌120s。

(5)清理附著于攪拌機內壁的漿體及纖維,同時觀察拌合物是否離析、纖維分布是否均勻、是否出現纖維結團現象,再攪拌60s～120s,然后立即進行工作性能測試。

1.3.2工作性檢測

自密實清水混凝土的配制，除了要滿足施工要求的流動性，應更注重混凝土的粘聚性和保水性，而且能自密實，能得到表面致密的混凝土，因此混凝土坍落擴展度是其重要的流動性指標。采用坍落度筒法測量兩個指標，即混凝土的坍落度和坍落擴展度，輔以觀察混凝土的粘聚性和保水性等特征，以評價新拌自密實清水混凝土的工作性，分析粉煤灰摻量及玄武巖纖維摻量對自密實清水混凝土工作性能的影響。

1.3.3力學性能檢測

抗壓強度是混凝土進行配合比設計的重要參數，也是評價混凝土質量的一個重要指標。而抗拉強度是研究混凝土抗裂性能的重要參數，它是結構設計中控制裂縫寬度和裂縫間距的重要指標。自密實清水混凝土的抗壓強度及劈裂抗拉強度依據《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2010)規定，試件均采用150mm×150mm×150mm，每組配合比制作共計6個試塊，分2組，分別測試其28d齡期的抗壓及劈裂抗拉強度。

以C40強度等級為設計指標，考慮粉煤灰摻量與纖維摻量變化為因素，自密實清水混凝土配合比及其工作性能和力學性能如表3所示。

表3 自密實清水混凝土配合比、工作性能及其力學性能

1.3.4早齡期抗裂性能試驗

自密實清水混凝土的抗裂性能測試，采用 “水泥基材料抗裂性能測試誘導開裂法及其裝置”[10]，如圖2所示，選用單隔板模式，試件大小為600mm×600mm×50mm。

圖2 誘導開裂平板法試驗裝置(單位：mm)①底板；②Φ6螺栓；③石蠟紙，特氟綸；④φ9螺栓；⑤鋼板

試驗步驟為：將拌和之后的自密實清水混凝土立即倒入矩形平板中并抹平，然后放入環境溫度為(25±3)℃，相對濕度為(60±5) %的室內養護，每組配合比制作兩個平板試件。用裂縫測寬儀觀測裂縫的發展，在裂縫未出現前，每隔10min觀測1次，裂縫出現后每隔20min觀測1次，在隔板之間的混凝土裂縫貫穿后，每2h觀測一次，直至12h，然后觀測24h的裂縫。每次觀測的內容包括：裂縫寬度、長度和條數。該測試方法以混凝土的開裂面積a為主要指標，以最大裂縫寬度和初裂時間為輔助指標。其中開裂面積a(mm2)按下式計算：

a=W1L1+W2L2+ …+WiLi+…+WNLN

式中：Wi為第i根裂縫的寬度(mm)；

Li為第i根裂縫的長度(mm)；

N為總裂縫數目(根)。

2 自密實纖維混凝土的力學性能

圖3 粉煤灰摻量對混凝土力學性能的影響

圖3為粉煤灰摻量對自密實清水混凝土28d抗壓強度、劈拉強度的影響。由圖3可知，在粉煤灰摻量不大于30%時，粉煤灰摻量的變化對自密實清水混凝土抗壓強度的影響較小，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實清水混凝土的28d劈拉強度則有所降低，降低幅值在10%以內，而當粉煤灰摻量為30%時，其劈拉強度降低的程度有所減少，此時與基準組相比降低的幅值為4%。

圖4是粉煤灰摻量在30%的情況下玄武巖纖維摻量對自密實清水混凝土28d抗壓強度和劈拉強度的影響。由圖4可知，纖維的摻入對于混凝土的抗壓強度影響不大，但在纖維摻量為1kg/m3時，抗壓強度有所降低，比未摻纖維的抗壓強度降低6.3%。而對于劈拉強度，隨著纖維摻量的增加而增加，在玄武巖纖維摻量為1.6 kg/m3時，其劈拉強度比未摻纖維的混凝土增加23.2%。

圖4 玄武巖纖維摻量對混凝土力學性能的影響

3 自密實清水混凝土早齡期抗裂性能

自密實清水混凝土的開裂是一個復雜的過程，它是綜合因素影響下產生的結果。自密實清水混凝土的早齡期開裂特征的試驗結果數據，如表4所示。

表4 自密實清水混凝土的早齡期開裂試驗數據

圖5是粉煤灰摻量對自密實清水混凝土開裂時間與裂縫貫穿時間的影響。由圖5可見，在摻量低于25%情況下，粉煤灰對于開裂時間的影響較小，與未摻粉煤灰組具有相近的開裂時間。而當粉煤灰摻量為30%，則有推遲開裂時間的作用，與未摻粉煤灰組相比，推遲了1h。而從裂縫貫穿時間曲線看，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土的裂縫貫穿時間延長。

圖5 粉煤灰摻量與開裂時間和裂縫貫穿時間的關系

圖6 粉煤灰摻量與開裂面積的關系

圖6是粉煤灰摻量對自密實清水混凝土24h開裂面積的影響，從圖中可知粉煤灰的摻入有抑制混凝土開裂的作用，但當粉煤灰摻量不超過20%，粉煤灰的影響有個平緩段，當超過20%后，隨粉煤灰摻量的增加其降低混凝土開裂的作用越大。

圖7和圖8是粉煤灰摻量30%時，玄武巖纖維摻量對自密實清水混凝土抗裂性能的影響。

從圖7可知，玄武巖纖維的摻入對自密實清水混凝土開裂時間的影響作用較小，隨纖維摻量增加，其開裂時間略有提前，這可能是由于纖維摻入后增強混凝土抵抗離析、泌水的能力，但同時也阻礙了混凝土內部水分交換的通道，使得混凝土收縮較大，在受到約束情況下引起開裂。但從圖7也可看出，玄武巖纖維的摻入對于抑制裂縫的擴展有較大作用，隨玄武巖纖維摻量的增加，較未摻纖維的混凝土，其裂縫貫穿時間分別延遲了130min、130min、140min，甚至當纖維摻量為1.6kg/m3時，混凝土裂縫未貫穿。

圖7 纖維摻量與開裂時間和裂縫貫穿時間的關系

從圖8纖維摻量對混凝土開裂面積的影響也可知，玄武巖纖維的摻入能夠有效抑制裂縫的開展，提高混凝土的抗裂性能，隨纖維摻量的增加，其24h開裂面積分別是未摻纖維的30%粉煤灰摻量下的混凝土的77%、69.3%、64.9%、40.7%。

圖8 纖維摻量與開裂面積的關系

4 結論

本文研究粉煤灰摻量(15%～30%)對自密實清水混凝土早齡期抗裂性能的影響，在此基礎上通過摻入玄武巖纖維，研究改善自密實清水混凝土抗裂性能的玄武巖纖維的最優摻量。通過試驗結果分析，得到以下4個結論：

(1)粉煤灰摻量對自密實清水混凝土的28d抗壓強度的影響較小，僅稍有降低。但總體上隨粉煤灰摻量的增加，自密實清水混凝土的28d劈拉強度降低；當粉煤灰摻量為30%，劈拉強度降低幅度有所減少。

(2)在摻量低于25%，粉煤灰的摻入對自密實清水混凝土的開裂時間影響較小，當摻量超過30%，則能推遲混凝土的開裂時間。總體上，自密實清水混凝土的裂縫貫穿時間隨粉煤灰摻量的增加而推遲。在摻量低于30%時，隨粉煤灰摻量的增加，自密實清水混凝土的抗裂性能越好。

(3)在摻量不超過1.6kg/m3時，玄武巖纖維的摻入對混凝土28d抗壓強度的影響較小，但隨纖維摻量增加，28d劈拉強度提高。

(4)在摻量不超過1.6kg/m3時，自密實清水混凝土受玄武巖纖維摻量的影響較小，但是卻能有效抑制裂縫的擴展，推遲裂縫貫穿時間，在玄武巖纖維摻量為1.6kg/m3時，裂縫未貫穿。在該摻量范圍內，隨玄武巖纖維摻量的增加，自密實清水混凝土的抗裂性能越好。在玄武巖纖維摻量為1.6kg/m3時，其開裂面積僅為未摻的40.7%。

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EarlyAgeCrackingBehaviorofSelf-CompactingBareConcrete

WANGShengxian1WANGXuefang2

(1.FujianJiangxia University，Fuzhou 350108； 2.Fuzhou University，Fuzhou 350108)

Self-compacting bare concrete,which is a combination of advantages of self-compacting concrete and bare concrete,has a broad application prospects. However,due to the direct exposure to the environment,the cracks not only affect the decorative effect,but also cause the durability problem directly. By using the induced crack test,the cracking behavior of self-compacting bare concrete,based on the content of fly ash and basalt fiber,was tested. The results show that: Within the scope of 15%～30% of the fly ash,the cracking behavior of self-compacting bare concrete improved along with the increasing of the dosage of fly ash. The basalt fiber has little influence on the cracking time within the scope of 1.0～1.6kg/m3. However,with the increasing of the dosage of basalt fiber,the cracking behavior of self-compacting bare concrete improved,when the dosage of basalt fiber was 1.6kg/m3,its cracking area was only 40.7% of the no basalt fiber mixed.

Self-compacting concrete;Bare concrete; Early age cracking behavior; Induced crack test; Fly ash; Basalt fiber

王圣賢(1989.10- )，男，助教。

E-mail:938583938@qq.com

2017-09-03

TU528

A

1004-6135(2017)12-0083-05