膠凝材料性能對面板混凝土抗裂性能的影響研究

張永偉 王成祥 李雙喜

摘要：混凝土面板是典型的薄、長條板狀結構，非常容易出現裂縫與斷裂現象。進一步提升混凝土面板抗裂性能成為研究者們亟待解決的問題。因此本文通過限制性圓環抗裂試驗和干縮試驗，研究水泥品種、粉煤灰摻量和水膠比對混凝土抗裂性能影響。

關鍵詞：膠凝材料;性能;面板混凝土;抗裂性能;影響

1.引言

為提高面板混凝土抗裂性能，從混凝土開裂機理出發，研究混凝土斷裂、裂縫成因，通過限制性圓環收縮開裂和正交試驗方法，研究水泥種類、粉煤灰摻量和水膠比對混凝土面板抗裂性能影響，并結合混凝土的收縮性能、電鏡掃描（SEM）分析水化產物，分析、闡釋混凝土面板抗裂性能的機理。

2.原材料及試驗方法

2.1原材料

水泥：采用新疆全榮建材有限公司生產的42.5 P.O、42.5 P.MSR和42.5P.HSR。

粉煤灰：采用新疆克拉瑪依電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，物理性能指標見表。

2.2試驗方法

本文通過限制性圓環收縮開裂和干縮試驗方法，進行水泥混凝土強度、收縮性及抗裂性試驗，研究水泥品種、粉煤灰摻量和水膠比對混凝土抗裂性能影響。

限制性圓環收縮開裂試驗依據CCES 01-2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》。

干縮試驗依據JC/T 603-2004中膠砂干縮試驗方法進行。

采用RH.BOGUE方法，計算不同膠凝材料中的C3A與C3S含量;同時，研究C3A與C3S含量對混凝土抗裂性能的影響，并結合掃描電子顯微鏡（SEM）分析膠凝材料水化形貌圖，闡釋混凝土面板抗裂性能的機理。

3.試驗方案及結果分析

3.1限制性圓環抗裂試驗

試驗方案及結果見表1。

通過表1可知，當水膠比在0.33～0.39范圍時，隨著水灰比的增大，混凝土面板的抗裂效果越好;當粉煤灰摻量在25%～35%范圍時，粉煤灰摻量越高，混凝土面板抗裂性越好。

通過極差和方差分析可知，水膠比和粉煤灰對混凝土面板抗裂效果顯著。對混凝土面板抗裂性能影響排序為：水膠比（w/c）最大，粉煤灰摻量影響次之，水泥的類型影響最小。適度高水膠比會改善混凝土塑形失水收縮變形，混凝土內部水分通過滲水通道補充表面塑形失水并降低塑形變形;低水膠比必然導致混凝土內部濕度降低，增大混凝土自生干燥收縮變形。因此，水膠比在0.33～0.39范圍內，水膠比越高水泥凈漿抗裂效果越好。

3.2水泥膠砂干縮試驗

4.機理分析

基于以上性能試驗結果，進行電鏡掃描的微觀測試，觀測粉煤灰在混凝土中的水化微結構，進而對混凝土抗裂性能宏觀結果的驗證可知，粉煤灰在早期齡期時無水化物質生成，延緩了混凝土早期強度的增長速率，使得發生在混凝土水化硬化前期階段的塑性失水收縮、自生干燥收縮和溫度收縮等得到了一定的延緩，改善了混凝土的抗裂性能。隨著齡期的延長，混凝土中的粉煤灰開始水化，混凝土強度持續增強，抵抗變形能力增強，抗裂性能逐步提高。

水泥中的C3S和C3A影響著混凝土的力學性能和收縮性能，隨著C3S和C3A含量的增加，水泥的水化進程加快，使得強度快速增長，但收縮變形也快速增大，由此增加了混凝土的開裂風險。對不同粉煤灰摻量和不同水泥品種配制的混凝土中C3S和C3A含量展開定量分析，以此揭示水膠比、粉煤灰、水泥品種對混凝土抗裂性能的影響機理，定量計算結果見表4。

由表4和圖1、圖2分析發現，粉煤灰的摻量對混凝土干縮變形影響較大，具體表現為：粉煤灰摻量越大，水泥混凝土中的C3S和C3A含量就越低，混凝土抗干縮性能越好。當水泥混凝土中粉煤灰摻量越小，C3S和C3A的含量越高，抗干燥收縮變形能力增強。這是因為（1）水泥基膠凝材料中的C3S和C3A的會影響水化速率，含量越高混凝土中的水份消耗越快，水化速度越快，混凝土內部的濕度隨之降低，產生裂縫;（2）混凝土水化過程過快，易導致內部水分往表面的遷移的通道被堵塞，混凝土表面得不到水分養護產生收縮變形，進而由內到外形成微裂縫，當水泥混凝土繼續收縮變形，微裂縫易出現應力集中，當超過了的承載能力混凝土面板斷裂。

5.結論

（1）通過限制性圓環收縮開裂試驗和正交試驗方法研究發現，水膠比和粉煤灰對混凝土面板抗裂效果顯著，對混凝土面板抗裂性能影響排序為：水膠比最大，粉煤灰摻量影響次之，水泥的類型影響最小。當水膠比在0.33～0.39范圍時，隨著水灰比的增大，混凝土面板的抗裂效果越好;當粉煤灰摻量在25%～35%范圍時，粉煤灰摻量越高，混凝土面板抗裂性越好。

（2）使用普通硅酸鹽水泥配制的混凝土摻入30%的粉煤灰時干縮率最小;使用高抗硫硅酸鹽水泥配制的混凝土摻入35%的粉煤灰時干縮率最小。相同粉煤灰摻量下，高抗水泥混凝土干縮率比普硅水泥混凝土干縮率小。

（3）粉煤灰在早期齡期時無水化物質生成，粉煤灰延緩了混凝土早期強度的增長速率，改善了混凝土的抗裂性能。但隨著齡期的延長，混凝土中的粉煤灰開始水化，混凝土強度持續增強，抵抗變形能力增強，抗裂性能逐步提高。

（4）混凝土中粉煤灰摻量越大，膠凝材料中的C3S和C3A含量越低，水泥膠砂的干縮變形越小。

參考文獻：

[1]董蕓，楊華全. 水布埡工程面板混凝土抗裂性試驗研究[J].人民長江，2007，38（07），115-117+126.

[2]張駿，田帥，梁麗敏，黑金龍，楊鑫. 礦物摻合料對混凝土早期收縮及開裂性能的影響[J]混凝土與水泥制品，2018（09）：16-19.

[3]卓文仁，鄭發順.高面板壩趾板抗裂混凝土研究[J].水力發電，2000（02）：28-30.