礦物摻和料對混凝土斷裂性能的影響研究

林凱斌　李宇坤　王志琛　曾煒圣　張云帆　林欣宇

(福建江夏學院工程學院，福建 福州　350108)

0　引言

混凝土是一種典型的非均質多相復合材料，包括素混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土，由混凝土組成的結構稱為混凝土結構?；炷烈蚱溆辛己玫哪途眯院涂箟耗芰?，在土木工程領域中已經得到了廣泛的應用。在混凝土中摻入礦物摻和料可提高混凝土的密實度，提高混凝土的各項性能指標有一定的促進作用，使得礦物摻和料的使用越來越廣泛，因此對礦物摻和料混凝土的斷裂性能研究是很有必要的。

1　混凝土斷裂力學的產生和發展

斷裂力學是近幾十年來發展起來的學科，它主要研究帶裂縫固體的強度和裂縫擴展、失穩、傳播和止裂的規律，是固體力學的一個新型的重要分支，又稱為“裂紋力學”。

英國物理學家格里菲斯于1920年在對玻璃的斷裂研究中提出了斷裂力學的基本概念[1]，他認為，實際固體中隨機分布著許多初始微裂紋或缺陷，當受到外力作用時這些部位易產生應力集中，當應力增大到其理論強度時，裂紋就開始擴展形成裂縫，隨著荷載的增大，裂縫開始不穩定擴展，相互貫通，最終導致了固體的斷裂。

隨著礦物摻和料在混凝土中的廣泛使用，因此礦物摻和料對混凝土斷裂性能的影響需要深入地進行試驗研究。

2　礦物摻和料對混凝土斷裂性能的影響研究

2.1　粉煤灰

粉煤灰在混凝土材料中是一種很常見的礦物摻和料，將粉煤灰加入混凝土中可以使混凝土水化過程中減少放熱量，粉煤灰在混凝土中的“三大效應”[10]可以很好的改善混凝土的流動性和和易性等，這對混凝土的早期收縮開裂有一定的抑制作用，在一定程度上也可提高混凝土的強度和耐久性。

摻入粉煤灰對混凝土的斷裂性能也有一定的影響，蔣梅玲[11]通過三點彎曲梁試驗，計算雙K斷裂參數，得到結論：摻入30%的粉煤灰與普通混凝土的斷裂韌度有一定程度的降低，失穩韌度降低的幅度較大，28 d齡期的摻粉煤灰混凝土比普通混凝土的失穩韌度降低了6.4%；而王寶媛[12]通過分別摻入20%,30%,40%和50%的粉煤灰，采用楔入劈拉法進行混凝土的斷裂試驗，試驗結果摻入30%的粉煤灰對混凝土的斷裂韌度有明顯的提高，而且各項力學性能良好，表明粉煤灰對混凝土的斷裂性能有一定的促進的作用。楊靜等人[13]通過研究凍融環境下對粉煤灰混凝土斷裂能的影響，得出結論摻粉煤灰混凝土經過凍融之后，較未摻粉煤灰混凝土的斷裂能降低幅度較低，主要由于摻粉煤灰混凝土的后期強度增長，使得混凝土強度和韌度都有一定的提升，提高抗裂能力。羅素蓉等人[14]通過研究粉煤灰對自密實混凝土斷裂性能的影響，得到結論當粉煤灰摻量為30%時，自密實混凝土的斷裂性能最優，雖然其失穩韌度仍低于普通混凝土，然而其黏聚韌度較普通混凝土有較大的提升，這主要是由于粉煤灰的微集料效應和火山灰效應得到最大的發揮，使得自密實混凝土抗裂性能得到提升。

2.2　礦渣

礦渣全名超細高爐礦渣粉，是生產新型高強高性能混凝土不可或缺的一種礦物摻和料。從混凝土各項性能方面，摻入礦渣，可以提高混凝土的抗滲性、抗凍性、抗裂性以及耐腐蝕性等，從而提高混凝土的耐久性，延長混凝土的使用壽命[15]。礦渣通常情況下是與粉煤灰進行復摻，當二者復摻時，這二者會產生“疊加效應”，在水化過程中可以相互作用、相互促進，改善水泥漿體的孔隙，使混凝土的強度提高[16]。

施惠生等人[17]通過三點彎曲試驗，研究礦渣和粉煤灰的摻入對混凝土斷裂性能的影響，研究結果表明無論是單摻礦渣還是復摻粉煤灰礦渣均對混凝土的斷裂韌度和斷裂能有提高的作用。陳紅莉[18]通過摻入不同的礦物摻和料得出結論，當摻入30%礦渣時混凝土的斷裂能高于普通混凝土，甚至超過了摻15%粉煤灰混凝土和摻硅灰混凝土。王德輝[19]研究單摻礦渣對再生骨料混凝土的斷裂性能影響結果表明，礦渣單摻摻量為20%時，再生骨料混凝土的28 d抗裂性能達到最優，韌性指數比普通混凝土提高了6.6%。文獻[14]通過研究粉煤灰與礦渣的多組復摻對自密實混凝土斷裂性能的影響，結果表明當復摻總量為30%，粉煤灰和礦渣摻入比例為3∶7時混凝土的斷裂性能最優。

2.3　硅灰

硅灰的顆粒粒徑很小，平均粒徑為0.1 μm，是水泥粒徑的1/100，這樣的物理特性使得硅灰顆粒在混凝土中可以充分地填充于水泥及水泥水化顆粒之間，使得水化顆粒堆積得更加緊密，改善了水泥漿體與骨料之間過渡界面區的微觀結構，增強了黏結強度，從而提高混凝土的密實度和強度，提高了混凝土的耐久性。

程多松等人[20]通過研究礦物摻和料的摻入對混凝土脆性的影響，發現粉煤灰和硅灰復摻時可對混凝土脆性有明顯的改善，當硅灰和粉煤灰以1∶2摻入，總摻量為30%時最佳。文獻[18]中的研究結果顯示摻入10%硅灰的混凝土強度和雙K斷裂韌度雖然較高，但脆性較大，使得斷裂能明顯低于普通混凝土。文獻[14]通過保持30%粉煤灰摻量不變，在自密實混凝土中分別摻入3%和5%的硅灰，結果表明硅灰的摻入可以提高自密實混凝土雙K斷裂韌度。張益杰等人[21]通過研究復摻硅灰和粉煤灰混凝土在凍融環境下的性能損失，研究表明復摻粉煤灰和硅灰的混凝土試塊無論是抗凍性能還是抗裂性能、強度以及韌性都明顯高于普通混凝土和單摻粉煤灰混凝土。

3　結語

本文簡要介紹了集中常見礦物摻和料對混凝土斷裂性能的影響，總體上摻入礦物摻和料的混凝土其抗裂性能得到了一定的提升，這將有利于提高混凝土結構整體的耐久性和穩定性，然而這些研究仍然存在較多問題尚待進一步的研究：

1)礦物摻和料對混凝土的收縮徐變性能也有一定的影響，如何平衡二者的關系也是進一步研究的方向；

2)研究在各種環境下，比如海洋鹽霧環境、凍融環境、碳化等情況下，礦物摻和料的摻入對混凝土斷裂性能的影響；

3)本文簡要地介紹了粉煤灰、礦渣和硅灰對混凝土斷裂性能的影響，對于其他礦物摻和料比如鎳渣、鋼渣等如今也漸漸地在混凝土中廣泛使用，因此也需對鎳渣、鋼渣等礦物摻和料進行相應研究。