礦渣粉摻量對高溫河谷地區(qū)C50高性能混凝土抗裂及抗?jié)B性能的影響

姜磊 李國新 梁麗敏

摘要：本文采用平板刀口約束法以及電通量法來評價混凝土的抗開裂與抗氯離子滲透性能，結(jié)合混凝土的工作性和力學(xué)性能。具體研究礦渣粉摻量對高溫河谷地區(qū)高速公路用C50高性能混凝土綜合性能的影響，研究表明：隨著礦渣粉摻量的增加，C50混凝土的流動性逐漸增加，單位面積上的總開裂面積和最大裂縫寬度均先減少后增加，初始開裂時間逐漸延長，礦渣粉摻量為20%時抗裂等級最高。以及隨著礦渣粉摻量的增加，C50混凝土滲水高度和28d、60d的電通量均呈先減小后增大的趨勢，礦渣粉摻量為20%時滲水高度和電通量最小，混凝土的抗水滲透和抗氯離子滲透性能最好。

關(guān)鍵詞：抗裂性能；高性能混凝土；礦渣粉；電通量

混凝土因其具有良好的經(jīng)濟(jì)性、力學(xué)性以及對環(huán)境的適應(yīng)性而成為目前用量最大、使用范圍最廣的建筑材料之一。而且現(xiàn)階段超高層、大跨度、高速公路、節(jié)能減排等高技術(shù)水平建筑物的快速發(fā)展，對混凝土的要求也是要與時俱進(jìn)，因此現(xiàn)代混凝土向高強(qiáng)、高性能及綠色道路方向發(fā)展，然而在快速發(fā)展的同時，混凝土收縮開裂及開裂引起的混凝土耐久性劣化等危害也成為現(xiàn)代混凝土亟需解決的關(guān)鍵性問題，工程實(shí)踐表明，因混凝土在環(huán)境溫濕度變化的影響下產(chǎn)生非荷載應(yīng)力而引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫約占80%，因此提高混凝土工作性、力學(xué)性、耐久性等綜合性能是目前研究的重點(diǎn)方向之一[1-3]。

粒化高爐礦渣（簡稱礦渣粉）具有較高的潛在活性，取代部分水泥后，能有效降低水化熱，且具有較好的填充性和火山灰活性作用，使混凝土界面區(qū)的晶體數(shù)量和孔隙率減少，水泥石更加致密，防止混凝土開裂。但是由于各地區(qū)礦渣粉差異較大以及礦渣粉對混凝土開裂及綜合性能的研究在云南仍然相對薄弱，因此本論文針對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱、地質(zhì)條件復(fù)雜、海拔低、年均氣溫高，易造成混凝土開裂等問題，研究礦渣粉摻量對高速公路用C50高性能混凝土綜合性能的影響，以期達(dá)到解決混凝土開裂，提高其綜合性能的目的[4-7]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P·O 42.5級水泥，其性能指標(biāo)見表1；礦物摻合料采用S75級粒化高爐礦渣粉，其技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)成分見表2和表3；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.8的河砂；粗骨料采用4.75～31.5mm連續(xù)級配碎石；外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率31%，固含量12.64%；水為自來水。

1.2配合比與試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比

為研究礦渣粉摻量對高性能混凝土綜合性能的影響，以0.32水膠比的混凝土配合比為基準(zhǔn)配方，改變礦渣粉摻量。試驗(yàn)用混凝土配合比如表4所示，礦渣粉采用等量取代水泥的方法，礦渣粉摻量分別為0、10%、20%、30%，砂率均為40%。

1.2.2 試驗(yàn)方法

參照《普通混凝長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》GB/T 50082-2009，選用平板刀口約束法來評價混凝土的開裂，試件尺寸為800mm×600mm×100mm，采用CABR-BEC刀口約束混凝土早期開裂試驗(yàn)設(shè)備；選用電通量法檢測混凝土抗氯離子滲透性能，采用CABR-PCP9混凝土電通量測定儀，試件尺寸直徑為100mm±1mm，厚度為50mm±2mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。

混凝土工作性能、力學(xué)性能分別按照GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 礦渣粉摻量對混凝土工作性及力學(xué)性能的影響

從表5可以看出，隨著礦渣粉摻量的逐漸增多，混凝土的流動性逐漸變好，而其抗壓強(qiáng)度和28d彈性模量則逐漸減小，這表明礦渣粉的加入有利于改善混凝土的工作性能，但過多的加入礦渣粉對混凝土的力學(xué)性能是不利的。一方面這是因?yàn)樵诨炷林袚饺氲牡V渣粉可以填充在水泥粒子間隙和絮凝結(jié)構(gòu)中，占據(jù)充水空間，原來絮凝結(jié)構(gòu)中的水被釋放出來，在水膠比不變的情況下將使?jié){體稀化，流動性增加，另一方面，由于礦渣粉本身不參與水化反應(yīng)，必須依靠水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2激發(fā)才能產(chǎn)生膠凝作用，然而在水膠比不變的情況下，礦粉的摻入會導(dǎo)致水泥用量減少，水化過程產(chǎn)生的Ca（OH）2的量減少，礦渣粉的活性不能完全激發(fā)，膠凝能力較弱，導(dǎo)致水泥石與集料的粘結(jié)力下降，從而導(dǎo)致混凝土早期抗壓強(qiáng)度和彈性模量下降。

2.2 礦渣粉摻量對混凝土早期開裂性能的影響

從圖1和圖2可知，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土單位面積上的總開裂面積和最大裂縫寬度先減小后增大，初始開裂時間逐漸延長，這表明適當(dāng)摻量的礦渣粉有利于提高混凝土的早期抗裂能力，一方面礦渣粉的摻入可以有效減少混凝土水化熱，縮小硬化過程中各組分之間的溫度差，從而削弱各個組分之間因溫差過大引起不均勻收縮而導(dǎo)致的裂紋，此外由于礦渣粉的微集料效應(yīng)，在混凝土的早期硬化過程中，有效的填充孔隙，提高混凝土密實(shí)度，從而使其收縮減少，抑制裂紋的產(chǎn)生。另一方面，礦渣粉的摻入會導(dǎo)致水泥石與集料的粘結(jié)力下降，使混凝土的強(qiáng)度降低，抵御載荷的能力下降，從而在硬化過程中容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。這兩個方面因素共同作用決定混凝土的抗裂能力，當(dāng)?shù)V渣粉摻量為20%時混凝土單位開裂面積為639mm2/m2，最大裂縫寬度為0.76mm，初始開裂時間為176min，其綜合抗裂能力最好。

2.3 礦渣粉摻量對混凝土抗水滲透性能的影響

由圖2可知，隨著礦渣粉摻量的提高，混凝土滲水高度先下降后增高。在礦渣粉摻量為20%時，混凝土的滲水高度為11mm，滲水高度最低，其抗水滲透性最好。這是由于摻入礦渣粉時，首先使混凝土漿體的密實(shí)度提高，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物填充和分割混凝土中的大孔，使孔隙細(xì)化，減少，抗?jié)B性能提高。其次，集料和水泥之間的界面是混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，而礦渣粉的加入能減小硬化水泥漿體和集料界面間的過渡區(qū)域的寬度，干擾過渡區(qū)域中Ca（OH）2晶體的取向，提高界面的強(qiáng)度和密實(shí)性，從而提高抗?jié)B性能。但過多的加入礦渣粉，造成水泥石中的孔隙較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，水分蒸發(fā)速率增大，易造成混凝土開裂，反而增強(qiáng)了混凝土的滲透性。

2.4 礦渣粉摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

從圖3可知，隨著礦渣粉摻量的提高，混凝土28d和60d的電通量呈先減小后增大的趨勢。并且齡期越長，電通量越小。礦渣粉摻量為20%時，混凝土各齡期的電通量最小，其抵抗氯離子滲透的能力最好，造成電通量變化的原因主要是因?yàn)榈V渣粉的摻入使混凝土的致密度提高，內(nèi)部孔隙減少，阻礙了氯離子的滲透，導(dǎo)致電通量減小，并且隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，水化反應(yīng)進(jìn)行的越充分，孔隙和毛細(xì)孔逐漸被填充，而且由于礦渣粉后期活性的逐漸發(fā)揮，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完善，致密度進(jìn)一步提高，從而導(dǎo)致氯離子的滲透更困難，以及水是攜帶氯離子的主要介質(zhì)，有前文可知，礦渣粉摻量為20%時，混凝土的抗水滲透性能最好，在這多因素的影響下使混凝土的抗氯離子滲透能力提高。但隨著礦渣粉摻量的繼續(xù)增加，水泥用量減少，混凝土內(nèi)部堿性降低，水化過程進(jìn)行緩慢，水化產(chǎn)物減小，礦渣粉的活性發(fā)揮不完全，從而使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率增大，致密度降低，易開裂，氯離子的滲透通道增多，從而使電通量反而增加，混凝土的抗氯離子滲透能力下降。

3 結(jié)論

（1）隨著礦渣粉摻量從0%到30%，C50混凝土流動性逐漸增大，表明礦渣粉的摻入能改善混凝土的工作性，但會降低其早期抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

（2）當(dāng)?shù)V渣粉摻量逐漸增加，C50混凝土單位面積上的總開裂面積和最大裂縫寬度均先減少后增加，初始開裂時間延長。礦渣粉摻量為20%時，混凝土單位面積上的總開裂面積為639mm2/m2，最大裂縫寬度為0.76mm，初始開裂時間為176min，混凝土抗裂等級最高。

（3）C50混凝土抗?jié)B水高度和電通量隨礦渣粉摻量的增加呈先減小后增大的趨勢，且在礦渣粉摻量為20%時，混凝土滲水高度和電通量最小，其抗水滲透與抗氯離子滲透性能最好。

參考文獻(xiàn)

[1]段小芳， 夏正兵， 吳旭. 高強(qiáng)混凝土早期收縮及抗裂性能研究綜述[J]. 江蘇建材， 2018（3）.

[2]池遠(yuǎn)東. 復(fù)摻礦物摻合料混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究及理論分析[D]. 浙江大學(xué)， 2006.

[3]高小建， 巴恒靜， 楊英姿. 礦物摻和料對混凝土早期開裂的影響[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報， 2006， 23（4）：19-23.

[4]Kwon S J， Na U J， Sang S P， et al. Service life prediction of concrete wharves with early-aged crack： Probabilistic approach for chloride diffusion[J]. Structural Safety， 2009， 31（1）：75-83.

[5]Branko ?avija， José Pacheco， Schlangen E .Lattice modeling of chloride diffusion in sound and cracked concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 2013， 42（9）：30-40.

[6]李梅， 溫勇， 張廣泰，等. 礦物摻合料對混凝土抗氯離子滲透性的影響綜述[J]. 材料導(dǎo)報， 2013， 27（11）：107-110.

[7]孟振亞， 劉加平， 劉建忠， 等. 礦物摻合料的摻入對混凝土抗氯離子滲透性能影響的評價與研究[J]. 混凝土， 2010（7）：28-30.