粉煤灰、石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂的影響

陸海梅　　喬艷靜

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司）

粉煤灰、石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂的影響

陸海梅喬艷靜

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司）

為探討粉煤灰和石灰石粉兩種常用礦物摻合料對高性能混凝土塑性開裂的影響規律，本文通過碘鎢燈和可調節風速的風扇在實驗室內模擬西部地區高溫低濕的蒸發環境，采用集中約束平板法系統研究了內摻粉煤灰及石灰石粉的高性能混凝土在高溫低濕環境下的塑性開裂。結果表明：粉煤灰的摻入對高性能混凝土的塑性開裂有明顯的抑制作用，有效降低裂縫寬度和裂縫總面積，粉煤灰摻量越大，裂縫寬度和裂縫總面積降低的幅度越顯著；石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂的影響與其摻量有較大的相關性，低摻量時石灰石粉加劇了高性能混凝土塑性開裂趨勢，高摻量時石灰石粉抑制了高性能混凝土塑性開裂風險。

粉煤灰；石灰石粉；高性能混凝土；塑性開裂

高性能混凝土（High Performance Concrete）具有普通混凝土無法比擬的優良性能，引起了世界各國材料科學與工程界的密切關注和高度重視，并稱之為跨世紀的新材料［1］。高性能混凝土已在國際上形成研究熱點，專家預測，在今后的100～200年內國際上的高性能水泥基建筑材料將占有絕對主導地位［2］。根據國家制訂的十三五發展規劃，各種超大規模的國家重點工程已經開始持續興建，建筑物的使用環境日趨復雜和苛刻，對其耐久性和使用壽命的要求也越來越高，發展高性能混凝土具有迫切的現實意義。然而，在工程結構中大規模推廣使用高性能混凝土發現，裂縫尤其是早期收縮裂縫問題成為當代高性能混凝土結構工程的普遍問題。

由于礦物摻合料具有減少水泥用量、延緩水化放熱、提升混凝土綜合性能的優點，逐漸成為高性能混凝土不可或缺的組分之一。目前廣泛使用的礦物摻合料主要有粉煤灰和石灰石粉。粉煤灰具有優異的火山灰效應、形貌效應和微集料效應，可提高混凝土耐久性能；石灰石粉作為一種新型的綠色礦物摻合料能彌補現有摻合料資源稀缺的問題，降低生產成本，在高性能混凝土中得到了越來越多的應用。當前學術界［3～4］在礦物摻合料對高性能混凝土收縮開裂的研究主要集中在混凝土硬化后的體積穩定性及其開裂方面，對混凝土塑性階段的開裂變形的研究卻相對較少。已有的研究表明［5］，水分的快速蒸發是水泥混凝土產生塑性收縮和開裂的原始驅動力，水分蒸發越快，塑性開裂越嚴重。為了探討粉煤灰和石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂趨勢的影響，本文通過1000w的碘鎢燈及可調節風速的風扇在實驗室內模擬西部地區高溫低濕的蒸發環境，采用集中約束平板法系統研究了粉煤灰和石灰石粉摻量對高性能混凝土初始開裂時間、最大裂縫寬度和開裂總面積的影響規律。

1　原材料、試驗方法及配合比

1.1原材料

水泥采用江南小野田水泥公司生產的P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，其標準稠度用水量28.9%，初凝1h56min，終凝3h51min，比表面積291m2/kg，細度（80um）篩余2.7%，7d抗折和抗壓強度分別為8.51MPa，43.4MPa，28d抗折和抗壓強度分別為9.22MPa，59.9MPa；粉煤灰采用南京華能電熱廠生產的Ⅰ級粉煤灰，需水比91.2%，含水量0.19%，比表面積323m2/kg，細度（45um）篩余2.7%，密度2.32g/cm3；石灰石粉采用溧陽億佳超微粉體科技有限公司生產的800目重質碳酸鈣粉，其主要成分為CaCO3，平均粒徑5.11um，比表面積1000m2/kg；粗集料為5～20mm連續級配的玄武巖碎石；細集料為細度模數為2.6的河砂；減水劑采用江蘇博特新材料有限公司生產的JM-B萘系高效減水劑；水為普通自來水。

1.2試驗方法

塑性開裂試驗采取平板法，具體試驗裝置如圖1所示，試驗模具參照《混凝土結構耐久性設計與施工指南》［6］和ASTM C 1579-06設計［7］，試件尺寸900mm×600mm× 80mm，模具邊框用63mm×40mm×6.3mm的槽鋼制作，模具四邊與底板通過螺栓固定在一起，以提高模具的剛度。在模具每個邊上同時焊接兩排伸向模具內側、且相互交錯的螺栓，便于澆注的混凝土能填充密實，當澆筑的混凝土平板發生收縮時，四周將受到螺栓的約束。同時在底板上放置具有三個應力凸起肋的鋼板應力楞（根據ASTM C 1579-06的規定由一塊厚度1.2mm的鋼板彎折而成），在凸起的地方由于鋼板的剛性約束，混凝土的沉降將在中間的最高部位誘發裂縫。根據配合比稱料、攪拌、成型，同時記錄加水時間。為提高混凝土密實性，混凝土采用振動成型，表面抹平后放入高溫低濕蒸發環境室，蒸發環境室溫度為38±2℃，相對濕度為30±5%，試件表面采用碘鎢燈照射，在試件前方放置兩個電風扇，使試件表面風速在（5±0.5）m/s。從測試開始每隔5min觀測一次裂縫的發生，距混凝土加水時間24h時終止試驗。試驗終止后，對塑性開裂裂縫進行拍照（見圖2（a）），然后對圖像進行二值化處理及裂縫提取得到較為清晰的裂縫輪廓圖（見圖2（b）），最后使用圖像分析軟件對裂縫的寬度和面積進行統計分析。

圖1　約束平板和應力楞示意圖

圖2　塑性開裂裂縫及處理后的圖片

1.3配合比

試驗用混凝土配合比如表1所示。

2　試驗結果與分析

表1　試驗用混凝土配合比（kg/m3）

2.1粉煤灰對高性能混凝土塑性開裂的影響

表2給出粉煤灰摻量對高性能混凝土塑性開裂的影響，由表中數據可以看出，與基準樣R相比，粉煤灰摻入推遲了高性能混凝土發生塑性開裂的時間，隨著粉煤灰摻量的增加，初始開裂時間表現出先增大后減小的趨勢。當粉煤灰摻量在0%～30%之間時，高性能混凝土發生塑性開裂的時間隨粉煤灰摻量的增大而延長；當粉煤灰摻量在30%～50%之間時，高性能混凝土發生塑性開裂的時間隨粉煤灰摻量的增大而縮短。粉煤灰對高性能混凝土出現塑性開裂時間的拐點摻量為30%。當高性能混凝土發生塑性開裂后，粉煤灰對混凝土最大裂縫寬度和裂縫總面積的影響規律類似，均隨粉煤灰摻量的增大而減小。可見，粉煤灰的摻入對高性能混凝土的塑性開裂有明顯的抑制作用，有效降低裂縫寬度和裂縫總面積，粉煤灰摻量越大，裂縫寬度和裂縫總面積降低的幅度越顯著。

表2　粉煤灰對高性能混凝土塑性開裂時各項參數的影響

2.2石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂的影響

表3給出石灰石粉摻量對高性能混凝土塑性開裂的影響規律，由表中數據可以看出，石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂的影響與其摻量有較大的相關性，低摻量時石灰石粉加劇了高性能混凝土塑性開裂趨勢，高摻量時石灰石粉抑制了高性能混凝土塑性開裂風險。當石灰石粉摻量在5%～10%范圍內時，高性能混凝土塑性裂縫初始開裂時間均低于基準樣的初始開裂時間，且隨石灰石粉摻量的增加，塑性裂縫的數目逐漸增加，裂縫在長度和寬度方向上擴展明顯，長度由短變長、寬度由窄變寬，對應的導致裂縫總面積增大。當石灰石粉摻量在25%～40%范圍內時，隨著石灰石粉摻量的增加，高性能混凝土塑性裂縫初始開裂時間延遲，裂縫長度變短、寬度變窄，而且裂縫數目及裂縫總面積逐漸減小。在本試驗摻量范圍內，摻10%石灰石粉的高性能混凝土初始開裂時間最短，裂縫寬度最寬，開裂面積最大；摻40%石灰石粉的高性能混凝土初始開裂時間最長，裂縫寬度最窄，開裂面積最小。可見，石灰石粉的摻入在低摻量（0～10%）下有增大高性能混凝土的塑性開裂的風險，但在高摻量（25%～40%）下對高性能混凝土塑性開裂有一定的抑制作用。

表3　石灰石粉對高性能混凝土塑性開裂時各項參數的影響

2.3機理探討

粉煤灰本身不具備膠凝特性，摻入混凝土后，首先是水泥水化，然后是水泥的水化產物氫氧化鈣與粉煤灰的鋁硅玻璃體反應，生成水化硅酸鈣，即粉煤灰發生火山灰反應。粉煤灰的火山灰反應速度大大地低于水泥水化速度，尤其在早期表現更為明顯。最早期體系內部的粉煤灰主要發揮微集料填充效應，其相對低得多的反應速率延緩了結構的形成以及毛細管負壓增長的速度，抑制了膠凝材料的水化反應，降低了高性能混凝土在塑性階段的化學收縮應力，進而減小了高性能混凝土產生塑性開裂的驅動力，有效提升了高性能混凝土在塑性階段的抗開裂性能。隨著粉煤灰摻量的增加，其反應的程度愈加減小，發生塑性收縮開裂的驅動力越小，對高性能混凝土在塑性階段的抗開裂性提升越顯著。

相對于粉煤灰而言，石灰石粉更細，火山灰反應活性更低，等量替代水泥后，同樣降低了整個體系的水化程度，具有更明顯的“稀釋”效應和填充效應。在低摻量條件下（0～10%），石灰石粉的稀釋作用不明顯，但石灰石粉中較小的CaCO3顆粒可對水泥水化起微晶核效應，具有良好的活化效應和加速效應，反而促進了水泥的水化進程，加快了水泥混凝土內部的水分消耗，使得硬化漿體內部相對濕度降低，塑性收縮加劇，拉應力增加，有增大高性能混凝土塑性開裂的風險。在高摻量條件下（25%～40%），石灰石粉摻入對膠凝體系的稀釋作用明顯增大，在相同水膠比情況下，水泥混凝土中能保留相對較多的自由水，當表面蒸發量相同時，可保持硬化漿體內部相對濕度，推遲高性能混凝土發生塑性開裂的時間，降低裂縫寬度和開裂面積，有效提升高性能混凝土抗開裂性能。

3　結論

⑴粉煤灰的摻入對高性能混凝土的塑性開裂有明顯的抑制作用，有效降低裂縫寬度和裂縫總面積，粉煤灰摻量越大，裂縫寬度和裂縫總面積降低的幅度越顯著。

⑵灰石粉對高性能混凝土塑性開裂的影響與其摻量有較大的相關性，低摻量（0～10%）時石灰石粉加劇了高性能混凝土塑性開裂趨勢，高摻量（25%～40%）時石灰石粉抑制了高性能混凝土塑性開裂風險。●

［1］Mehta P K.Greening of the concrete industry for sustainable development.Concrete International，2002：22-38.

［2］唐明述.提高重大混凝土工程耐久性對節約資源能源、保護環境意義重大.周光召，朱光亞主編.共同走向科學——百名院士科技系列報告集.北京：2001.

［3］張守治，汪守純，喬艷靜，等.礦物摻合料對高強混凝土塑性開裂影響的研究［J］.混凝土與水泥制品，2010，5：24-27.

［4］馬麗媛，姚燕.高性能混凝土收縮開裂的研究［D］.中國建筑材料科學研究院，2001.

［5］劉加平.水泥基材料塑性變形與塑性開裂的性能及機理［D］.南京：南京工業大學，2008.

［6］CCES01-2004，混凝土耐久性設計與施工指南.

［7］ASTM C 1579-06，Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete.