礦物摻和料對混凝土早期收縮開裂性能的影響

趙晨陽，陳征征，李志偉

宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000

0 前言

在大量工程實踐中，混凝土早期開裂一直是科研人員關注的重點以及難點，它不僅有對項目后期經濟方面的影響更對建筑物使用壽命造成巨大的沖擊。對此，海內外專家做了許多的研究。趙聯楨［1］研究了多種礦物摻和料對混凝土早齡期收縮、開裂性及其力學性能等影響并自制了一套自收縮的裝置以供研究。喬艷靜［2］經過一系列實驗來判斷礦物摻和料對混凝土收縮開裂性能的影響，得出的試驗結果能夠證明礦物摻和料對混凝土早期收縮開裂有很大的提升，隨著摻合料的增加效果有明顯上升的趨勢。許國東［3］主要研究了在不同因素環境耦合下大摻量礦物對混凝土早期開裂行為的影響，包括早期水化歷程和早期抗力等。總所周知，粉煤灰和礦渣是大宗量的工業廢渣，如果不能良好加以利用會造成大量資源浪費以及經濟損失。但礦物摻和料對混凝土早期開裂性能影響十分復雜，此前的研究結果應無法統一，所以正確評價估計礦物摻和料對未來代膠材料發展有很明顯推進作用。

1 混凝土早期收縮與開裂的關系

1.1 混凝土收縮的類型

混凝土的收縮是由于其在混凝土內部出現了凝結固化以及在早期養護過程中發生的化學反應或水份流失變化和內外溫度差等所造成的體積減小的現象。根據形成收縮的因素類型一般可以分為自收縮、塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮、碳化收縮和化學收縮等情況。

表1 各類收縮類型以及定義

由表一可以大致了解各類收縮的定義，關于自收縮定義仍沒有較為統一的說法，其中較為嚴謹為日本混凝土協會（Japanese Concrete Institute，JCI）解釋的自收縮定義：在初始凝固之后在水泥水化過程中發生的表觀體積減小不包括由物質本身的增加或減少，溫度變化，外部載荷或約束引起的體積變化。自收縮可以表示為體積減少的百分數即“自收縮率”，或表示為長度的一維變化即“自收縮應變”［1］。其詮釋的定義不但強調了自身收縮還強調了收縮時間的局限。目前對于自收縮的測量大都從養護后1d 開始但自收縮從水化開始時就已經再進行中，所以規定時間節點是十分有必要的。對于大體積混凝土來說溫度收縮最需注意，一般來說高強度混凝土中水化熱容易在工程結構中聚集并且不易發散，從而產生的溫度梯度進而產生熱膨脹導致混凝土產生裂縫。

1.2 混凝土早期收縮與開裂的關系

混凝土在早期養護硬化，其內部會發生劇烈的變化包活水泥基材料的水化反應以及相關的化學反應，隨著時間的變化，反應速率會降低，所以針對其收縮開裂的研究大致在混凝土養護的第一周至第二周的期間最易。而在混凝土早期水凝硬化時其自身重量以及外界施加的荷載大都作用在支撐結構上并不會對整體造成主要的裂縫，在早期混凝土塑性較強所以說大部分的早期裂縫是由于收縮變形而產生的不良結果。而后期產生的對結構造成危害性的裂縫大都是因為早前期裂縫在外界荷載作用下發展而成繼而發展成貫通性裂縫。所以說對于防治早期開裂的問題是十分有必要的。

2 混凝土收縮開裂試驗方法

在工程實踐中，混凝土開裂一般與混凝土自身固有屬性和結構幾何外觀以及外界約束情況這兩方面有關，現基本采用平板法、圓環法、棱柱體法。

2.1 平板法

此種方法由美國的美國密西根州立大學Parviz Soroushian的研究小組［4］提出的隆起鋼板約束的平板式實驗裝備由下圖1所示。此裝置用于560mm×365mm×114mm 的試件，裝置的工作原理是由薄鋼板彎起波浪形提供約束，其可以研究混凝土與砂漿塑性收縮和干燥收縮造成的開裂，需在相對濕度 40%，溫度37℃，并且需連續 3 小時，觀察并記錄裂縫的寬度和長度。

2.2 圓環法

此類方法最初由美國麻省理工學院所提議的由下圖2 所示，此裝備依據應變突變來確定混凝土圓環的開裂時間。按照測量裂縫的長度與寬度，混凝土的抗裂性能用裂縫的開裂面積（或寬度）來表示。和平板法相比，圓環法能夠給試塊供應一個均勻的約束，符合在工程實踐約束下混凝土試塊收縮與應力松弛的復合作用影響圓形試塊的抗裂性能，可以有效地評定其抗開裂性能。

2.3 棱柱體法

最初由德國慕尼黑技術大學所提出后經各國試驗團隊不斷創新此類方法用于混凝土試塊至澆注后的早齡期階段自身的水化熱導致溫升、熱膨脹系數、力學性能等不同的參數隨時間而產生的變化情況，及其對其初齡期開裂敏感度等綜合測試。通過測量試件在不同溫度變化的情況下和不同約束程度下（0—100%）產生的應力、應變及其發展全過程以致斷裂時的溫度、應力等參數，評價混凝土的抗開裂性能。

圖1 平板式試驗裝置

圖2 圓環法式試驗裝置

圖3 棱柱體法試驗裝置

3 粉煤灰、礦渣對混凝土開裂的影響

在粉煤灰、礦渣作為礦物摻和料等量取代水泥材料方面，前人已作出了大量的研究，綜合前人研究來看礦物摻和料對混凝土影響規律復雜，正負效應摻雜，對同一種材料研究都可能出現不同甚至相反的結論。粉煤灰顆粒的特殊構造在后期發揮了微集料效益［5］會在砂漿中起到潤滑作用填補骨料中的孔隙而且由于粉煤灰成分與水泥主要成分相似，反應活性主要來自活性玻璃體SiO2、Al2O3的水化作用在一定堿性條件下生成具有水印膠凝性質的化合物，不同摻量下的粉煤灰對的混凝土的自收縮都會隨時間的增加而增加，其原因是粉煤灰先不與水發生反應其水化速度較慢。根據這一特點可為工程實踐中采取必要的措施控制自收縮提供了時間。礦渣在早期與粉煤灰相似也是先不與水反應在后期才會出現所謂“火山灰效應”，但因為礦渣的幾何外形與研磨有關因此礦渣性能發揮不穩定，其二者混合則會出現優勢互補物盡其用的效果。

4 小結

綜上所述粉煤灰、礦渣等對混凝土試塊其各種收縮的影響仍然存在大量的爭議，其原因在于試驗所用的材料及檢測儀器的不同而影響試驗結果。因此需早日規范試驗儀器及試驗方法來進一步完善研究。