風洞實驗室高性能清水混凝土抗裂性能及其微觀結構特征研究*

朱 彬，林 峰，于振興，馬賢領，周殷弘

(1 中國空氣動力研究與發展中心低速空氣動力研究所，四川綿陽 621000；2 中建八局發展建設公司，山東青島 266000)

風洞是以人工控制氣流的方式來模擬飛行器或者實體周圍氣體的流動情況和效果的一種管道實驗設備，是進行空氣動力實驗最為常用、有效的工具之一，也是不可或缺的重要研究設備，在航天、航空、交通運輸、房屋建筑、風能利用等領域得到廣泛應用［1-3］。

從全球范圍看，歐美日等國的低速風洞工程主要采用全鋼結構、預制裝配式結構、混凝土+后裝內膽結構，其對結構本身精度要求不高，結構偏差可以通過面層來消化，以達到高品質氣流要求的內型面精度。但本風洞工程為全球首個采用一次成型現澆清水混凝土技術施工的大型低速風洞，最大風速130m/s，大部分試驗風速為120m/s，載體工程主要為國產C929 大飛機研發做試驗支撐，與南極天文臺、重離子加速器等項目具有同等國家戰略意義。清水混凝土作為一種綠色環保材料，具有施工工藝少、節能減排、經濟便宜、樸實美觀等諸多優點，在現代建筑中應用越來越普遍［4-6］。高精度現澆清水混凝土風洞特色優勢技術研究的完成，將會形成風洞施工領域技術優勢，并可推廣和應用到其他風洞或空氣動力研究廠房的建設，不僅具有良好的市場前景，還可為我國空氣動力學和航空航天等重大科學研究領域再添一國之重器，更能夠為行業其他的項目提供技術支撐。

風洞混凝土表面處于強風蝕環境，混凝土構件容易被侵蝕，出現起灰起殼的現象，影響內型面精度，降低氣流品質。因此，在清水混凝土風洞施工時，對混凝土表觀質量有較高要求，需要控制裂縫的產生和發展，因而有必要對風洞清水混凝土的抗裂性能進行研究。本文對不同礦物摻合料的清水混凝土進行了抗裂試驗和微觀結構測試，以期能為類似工程的設計施工提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：PO42.5 普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量為28.9%，初凝和終凝時間為162min 和232min，細度（45μm）為0.4%，28d 抗壓和抗折強度為57.7MPa 和9.5MPa。

礦物摻合料：本試驗所使用的礦物摻合料包括粉煤灰、礦渣粉、石灰石粉、石英巖粉以及氧化鎂膨脹劑［7-10］。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，密度為2.22g/cm3，比表面積為340m2/kg，需水量比為98%；S95 級礦渣粉的7d 和28d活性指數分別為76%和96%，比表面積為440m2/kg，流動度為96%，密度為2.84g/cm3；S105 級礦渣粉的7d 和28d 活性指數分別為103%和116%，比表面積為518m2/kg，流動度為101%，密度為2.92g/cm3；石灰石粉密度為2.75g/cm3，比表面積為440m2/kg，需水量比為97%，亞甲藍值為0.25；石英巖粉的密度為2.62g/cm3，45μm 篩余量為5.7%，需水量比為96%，亞甲藍值為0.5；氧化鎂膨脹劑的主要化學成分為MgO(90.8%)、CaO(1.4%)和SiO2(3.8%)，燒失量為3.73%。

骨料：粗骨料為卵石，粒徑5～30 mm，孔隙率為40%，針片狀含量為0.7%，規則顆粒含量為6.5%；細骨料為天然砂，細度模數為3.2，針片狀含量為8%，天然含泥量為3%。

減水劑：液態聚羧酸減水劑，減水率為29%，含固量為44%。

1.2 試驗配合比

本工程清水混凝土設計強度級別為C30，按照《清水混凝土應用技術規程》［11］，初步擬定水膠比為0.44，水泥摻量為膠凝材料總量的40%～50%，礦渣粉+ 粉煤灰用量為膠凝材料總量的50%～60%。在本試驗中，控制膠凝材料總用量為350kg/m3，通過調整礦渣粉、粉煤灰以及各礦物摻合料的用量來進行抗裂試驗。在配制過程中，A 組代表水泥用量為膠凝材料總用量占比的40%，B 組代表水泥用量為膠凝材料總用量占比的50%。粉煤灰+S95 級礦渣粉為基本礦物摻合料，分別用MgO 膨脹劑、石灰石粉、石英巖粉以及S105 級礦粉替代粉煤灰+S95 級礦渣粉，MgO 膨脹劑摻量為8.5%，石灰石粉和石英巖粉摻量均為25%。具體配合比見表1。

表1 不同礦物摻合料試驗配比（kg/m3）Table 2 Test proportioning of different mineral admixtures

1.3 試驗方法

本文利用方圓抗裂模具對清水混凝土的開裂性進行評價。方圓抗裂模具的外直徑為155mm，內直徑為150mm，高為160mm，清水混凝土立方體邊長為169.68mm，該模具不僅可以實現立方體混凝土試件得到均勻約束，而且可以加快立方體試件的開裂速度，減少試驗時間，同時測量裂縫長度和寬度時也更加方便，見圖1。將拌制好的混凝土漿倒入模具中，并用抹刀對混凝土表面磨平，1d 后拆模，再將試件轉入標準養護箱中養護3d，最后轉入110℃高溫烘箱中進行強制開裂，強制開裂時間為28d。

圖1 方圓抗裂模具示意Fig.1 Schematic diagram of square and round anti crack die

2 試驗結果及分析

2.1 基本力學特性

對不同試驗組的28d 齡期下的強度進行測試，結果如圖2 所示。從圖2 中可知：當水膠比保持不變時，調整礦物摻合料比例對清水混凝土的強度有重要影響，當水泥摻量為40% 時，摻入25% 石灰石粉（石灰石粉/礦物用料總量）的抗折強度最高，摻入8.5% 的MgO，抗壓強度最高，而摻入25% 石英巖粉后，抗壓和抗折強度均最低，提高礦渣粉的等級，能在一定程度上提高混凝土的強度；在水泥摻量為50% 時，摻入8.5% 的MgO的試驗組抗折強度最高，摻入25% 石灰石粉試驗組的抗壓強度最高，而摻入石英巖粉試驗組的抗壓和抗折強度均最低，將礦粉等級由S95 提升至S105 后，強度有一定程度提升，但增長幅度有限；從整體上來講，提高水泥摻量后，相同礦物摻合料替代率下強度均有所增大，這主要是因為水泥摻量增加，使得早期水化產物增多，漿體增多可以更好地填充和包裹在骨料周圍，使得混凝土更加致密，從而使混凝土強度增大；石英巖粉對混凝土強度發展有抑制作用，主要是因為石英巖粉是一種微活性摻合料，雖然可以減少用水量和水化熱，但對前期混凝土的強度發展不利，因而限制了其在混凝土中的應用。

圖2 28d 強度對比Fig. 2 28d strength comparison

2.2 首裂時間

不同試驗組的首裂時間統計情況如圖3 所示。從圖3 中可以看到：當水泥摻量為40% 時，摻入8.5%MgO的首裂時間最長，摻入25% 石英巖粉的首裂時間最短，各試驗組首裂時間從長到短依次為：A-2＞ A-5＞A-1＞A-3＞ A-4；當水泥摻量為50% 時，首裂時間最長和最短的分別為摻入8.5%MgO 和摻入25% 石英巖粉試驗組，各試驗組首裂時間從長到短依次為：B-2＞ B-5＞B-1＞B-3＞B-4。提高水泥摻量會使混凝土的首裂時間縮短，這是因為水泥水化反應會釋放大量的水化熱，造成混凝土內外溫差過大，從而加快混凝土裂縫的產生。摻入石灰石粉和石英巖粉都會使混凝土出現裂縫的時間提前，石英巖粉和石灰石粉雖然都是惰性摻合料，按理對混凝土裂縫產生有一定抑制作用，但實際情況卻相反，出現這種現象的原因可能是因為石灰石粉雖然可以減少水化熱，降低開裂敏感性和收縮率，但是當摻量超過20% 后，會導致早期裂縫迅速發展；而石英巖粉等作為惰性摻合料，極少發生水化反應，因此這些摻合料僅僅是鑲嵌在水泥漿體內，礦物顆粒與水化產物的接觸并不致密，甚至還可能存在較多原始的微細裂縫，從而有利于裂縫的擴展與產生。將礦粉由S95 級提升至S105 級后，由于后者的比表面積更大，活性更強，使得混凝土結構更加完整和致密，因而更能抑制裂縫的產生。

圖3 不同試驗組首裂時間Fig. 3 First crack time of different test groups

2.3 裂縫長度與面積

對不同試驗組的28d 內的裂縫生成情況進行統計，結果如圖4 所示。從圖4 中可以看到：當 水泥摻量為40%時，A-4（摻入25% 石英巖粉）試驗組的28d 裂縫長度和面積最大，A-2（摻入8.5%MgO）試驗組的裂縫總長度最小，提升礦粉等級A-5 試驗組的總開裂面積最小；摻入MgO 膨脹劑，可以從很大程度上抑制混凝土的干燥自收縮，特別是MgO 膨脹劑和粉煤灰可以發揮出很好的減縮協同效應，從而有效降低裂縫產生量，相比A-1 試驗組，裂縫總長度減小55%，裂縫總開裂面積減小42.5%；摻入25% 的石灰石粉雖然不能延長首裂時間，但可以使裂縫產生長度和寬度均有不同程度減小，相比A-1 試驗組，裂縫總長度減小了約40%，裂縫總開裂面積減小約13%；摻入石英巖粉試驗組未表現出明顯的抗裂效果，這與石英巖粉在混凝土中的鑲嵌結構性質有關，由于石英巖粉很少參與水化反應，導致混凝土界面疏松，從而易發生開裂，裂縫總長度和總開裂面積相較于A-1 試驗組增加了8%和9.2%；將礦粉由S95 級提升至S105 級后，裂縫總長度和總開裂面積分別減少了44.3%和44.6%。

圖4 不同試驗組裂縫長度與面積Fig. 4 Crack length and area of different test groups

當水泥摻量為50% 時，B-4（摻入25% 石英巖粉）試驗組的28d 裂縫長度和面積最大，B-5 試驗組的裂縫開裂長度最小，而級B-2 試驗組的總開裂面積最小。相較于B-1 試驗組，B-2、B-3、B-4 試驗組的裂縫總長度分別增加了20.1%、15.5% 和29.3%，B-5 試驗組降低了13.8%，但B-2 裂縫總開裂面積減少了27.6%，說明摻入MgO 膨脹劑可以限制裂縫的發展寬度，B-3 試驗組總開裂面積減少了5.3%，B-4 試驗組總開裂面積增加了10.6%，B-5 試驗組總開裂面積減少了26.5%，由此可見，當水泥使用量增大時，可以通過摻入MgO 膨脹劑或者提高礦粉等級來抑制混凝土的開裂。

3 微觀結構特征

混凝土中水分單元、孔隙結構、水化產物形態特征對混凝土力學性能有重要影響，通過不同礦物摻合料下混凝土的微觀結構，可以幫助對混凝土的強度和抗裂行為進行解釋。以水泥摻量為40%為例，對A-1～A-5 五個試驗組的清水混凝土電子顯微鏡掃描，結果如圖5 所示。

圖5 不同礦物摻合料下微觀結構特征Fig.5 Microstructure characteristics of different mineral admixtures

從圖5 可以看到，A-1 試驗組的水化產物較多，但顆粒較大，排列雜亂無章，存在較多的孔隙間隙，結構密實度不高；摻入MgO 膨脹劑（A-2）后，混凝土開裂時間延長，裂縫長度和面積均有大幅度降低，這主要得益于在MgO 膨脹劑和粉煤灰協同作用下，混凝土中的水化凝膠物排列更加緊密，形成了較為密實的整體結構；摻入石灰石粉（A-3）后，盡管沒有縮短時間，但裂縫長度和面積明顯降低，該試驗組混凝土中，C-S-H 凝膠物明顯多于A-1 試驗組，并包裹在骨料周圍，結構密實度得到提升；摻入石英巖粉（A-4）后，混凝土中的凝膠形成團聚現象，相互搭嵌接觸但并不密實，而且還存在許多微小孔隙間隙，導致界面呈疏松狀態，因此抗裂性能不升反降；提升礦粉等級（A-5）后，由于S105 級礦粉顆粒更細，比表面積更大、活性指數也更強，使得混凝土的填充效應和水化反應更加充分，凝膠界面更為致密，因而對抗裂性有提升作用。

4 結論

（1）摻入石灰石粉和MgO 膨脹劑，可以提升清水混凝土的強度特性；增加水泥用量的占比，也可在一定程度上提升混凝土的強度；由于石英巖粉屬于微活性摻合料，因而對混凝土前期強度發展不利。

（2）水膠比一定的情況下，摻入MgO 的首裂時間最長，摻入石英巖粉的首裂時間最短，摻入石灰石粉對清水混凝土的首裂時間未能見到明顯改善，甚至有一定幅度降低。

（3）摻入MgO 膨脹劑、石灰石粉或者提升礦粉的等級均可以有效提升清水混凝土的抗裂性能，摻入石英巖粉對混凝土抗裂性能不利；當提升水泥用量后，建議采用摻入MgO 膨脹劑或者提高礦粉等級來抑制混凝土的開裂。

（4）摻入MgO 膨脹劑或者提升礦粉等級，可以明顯改善混凝土的微觀結構，凝膠排列更加致密，混凝土結構密實度提升，從而提升抗裂性能；摻入石灰石粉后，C-S-H 凝膠物產量增多并包裹在骨料周圍，從而提升混凝土抗裂性；但是當摻入石英巖粉后，凝膠物多數出現團聚現象，相互搭嵌接觸并不密實，結構中存在很多微小孔隙，導致界面呈疏松狀態，因而更易形成裂縫。