不利環境下水工混凝土抗裂性試驗研究

張成哲

（營口市水利勘測建筑設計院，遼寧 營口 115000）

中國東北地區具有干燥少雨、受鹽漬土侵蝕、晝夜溫差大等特點，這種不利環境對水工構筑物耐久性能構成嚴重影響。混凝土水化放熱引起的內部溫度場變化以及所處環境的晝夜溫差極易導致混凝土收縮開裂，加之東北沿海地區土壤含有大量等侵蝕性離子，水工構筑物長期處于鹽漬土環境下，其內部缺陷或裂縫會加速有害離子的侵蝕，使得混凝土耐久性明顯下降[1-3]。因此，有必要深入探討鹽漬土大溫差不利環境下的混凝土耐久性能。

有研究表明，摻入適量的礦物摻合料有利于促進水泥水化，在一定程度上降低混凝土的收縮開裂風險[4-8]。周白林等[9]通過對比試驗探討了礦物摻合料的影響作用，結果顯示復摻5%硅灰+30%礦渣+15%粉煤灰的抗侵蝕能力最優；魏亞等[10]試驗探討內養護和普通混凝土的性能差異，結果表明內養護技術難以有效改善混凝土的抗裂性；王洪生等[11]以10%、20%、30%粉煤灰定量替代水泥，通過開裂試驗發現粉煤灰摻量越高則混凝土的抗裂性能越好；陳有亮等[12]認為混凝土的彈性模量、峰值應力、力學性能均隨著高溫循環次數的增多和溫度的升高而降低；田帥等[13]研究認為適量的礦粉和粉煤灰可以顯著改善混凝土抗氯離子侵蝕性能，但會降低其抗凍性能。通過分析現有文獻資料，綜合考慮鹽漬土、大溫差不利環境下水工混凝土抗裂性能的研究還鮮有報道。因此，文章應用環境試驗箱模擬鹽漬土侵蝕及大溫差不利環境，探討不同礦粉和粉煤灰摻量各齡期混凝土力學性能、抗裂性能和微觀結構變化特征，旨在為北方嚴寒及其它不利環境下礦物摻合料水工混凝土的應用提供一定參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1）水泥：山東山水水泥集團有限公司生產的P·O42.5 級水泥，比表面積375m2/kg，初、終凝時間195min 和248min，3d、28d 抗壓強度32MPa和56MPa，抗折強度6.6MPa 和8.9MPa。

2）礦物摻合料：綏中電廠生產的F 類Ⅰ級粉煤灰，細度5.7%，需水量比98%，比表面積286m2/kg，密度2.30g/cm3，含水量0.50%，燒失量1.2%；大連亞泰科技新材料股份有限公司生產的S95 級礦粉，比表面積429m2/kg，密度3.10g/cm3，含水量0.25%，燒失量4.6%，7d、28d 活性指數85% 和108%，各項性能指標均符合現行規范要求。

3）粗細骨料：粒徑5～20mm 的天然碎石，表觀密度2770kg/m3，堅固性1.0%，壓碎指標7.5%，細度模數2.5 的天然河砂，表觀密度2650kg/m3，石粉含量忽略不計。

4）外加劑：蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，經檢測減水率28%。

5）拌合水：當地自來水。

1.2 配合比

依據試驗目的和《水工混凝土配合比設計規程》初步設計出4 種不同礦物摻合料摻量的混凝土，設計水膠比0.42，用礦粉和粉煤灰等量替代水泥。水工混凝土配合比，見表1。

表1 水工混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

1）試驗條件。水工混凝土試件的制備嚴格按照《水工混凝土試驗規程》執行，具體流程如下：將預先稱量好的原材料倒入SJD-60 攪拌機內，干拌120s 加入減水劑，再混合攪拌120s 倒出裝入試模，機械振搗以保證內部密實性，為防止試模表面水分散失用塑料薄膜覆蓋，并編號標記。24h 成型后拆模，然后將混凝土試件置于環境模擬試驗箱。控制試驗箱內的溫度為-5～40℃，濕度40%，一個循環周期內包括5h 低溫(-5℃)、6h 高溫(40 ℃) 恒溫段和8h 升溫(-5～40 ℃)、5h 降溫(40～-5℃)變溫段，循環周期24h，配制5%Na2SO4+3%NaCl 復合溶液，為模擬鹽漬土侵蝕環境試驗選用噴霧灑水的方式。環境模擬試驗箱內部結構，見圖1。

圖1 環境模擬試驗箱內部結構

2）測試方法。水工混凝土的抗壓與抗折強度測試方法參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，抗壓試件為100mm×100mm×100mm 立方體，采用WHY-2000 微機控制壓力試驗機測試各組試件的抗壓強度；抗折試件為400mm×100mm×100mm棱柱體，利用相同試驗機按“四點加載法”測試各組試件破壞時的峰值荷載，并計算確定其抗折強度。混凝土的斷裂性能測試方法參考《水工混凝土斷裂試驗規程》，斷裂性能測試試件為515mm×100mm×100mm 棱柱體，按照三點彎曲加載試驗法利用WAW-1000 型萬能試驗機進行測試，詳細流程為：試驗之前先測量混凝土試件的預制裂縫長度、質量、形狀尺寸等參數，試驗時采用夾式引伸計、位移傳感器和荷載傳感器測量試件的裂縫張開口位移值、跨中撓度及斷裂荷載，結合測量數據利用下式計算出斷裂能

式中：m、g、δ0為加載墊塊與試件總質量，kg；重力加速度以及試件斷裂時的變形值，g取9.81m2/s；A、W0為斷裂帶橫截面積，m2；撓度與荷載曲線圍成的面積，N/m。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環境下各組混凝土不同齡期抗壓強度，不利環境下混凝土抗壓強度，見圖2。結果顯示，齡期3d 時A0 組混凝土抗壓強度最高36.1MPa，A3 組混凝土抗壓強度最低29.3MPa，3～14d 期間A3 組混凝土抗壓強度增速最快，強度增長率較A0 組提高164.7%；14～28d 期間A3 組混凝土強度增速逐漸放緩，而其它組增速較快；A1、A2、A3 組試件28d 抗壓強度達到A0 組的86.46%、90.97%、88.89%，均小于未摻礦物摻合料的A0 組，這表明在鹽漬土侵蝕和大溫差環境下礦物摻合料的摻入會降低抗壓強度，但降幅不大。

圖2 不利環境下混凝土抗壓強度

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環境下各組混凝土不同齡期抗折強度，不利環境下混凝土抗折強度，見圖3。結果顯示，隨著齡期的增大混凝土抗折強度逐漸增加，齡期3～14d 時A0 基準混凝土抗折強度均高于摻礦物摻合料組，A1、A2、A3 組試件28d 抗折強度達到A0 組的95.74%、102.13%、104.26%，摻礦物摻合料組總體高于基準混凝土的抗折強度增長率，約為基準組的2 倍。

圖3 不利環境下混凝土抗折強度

2.2 抗裂性能

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環境下齡期28d 時各組混凝土裂縫張開口位移—荷載關系線，裂縫張開口位移-28d 荷載關系線，見圖4。結果顯示，摻礦物摻合料組的裂縫張開口位移—荷載關系線上升段斜率低于A0 組，下降段斜率相差不大并最終趨于平穩，相比于其它摻礦物摻合料組A3 組的裂縫張開口位移—荷載關系線下降段更加平緩，但各組的關系曲線整體相差不明顯，應結合SEM 微觀結構、斷裂能和荷載峰值進一步探討混凝土的抗裂性能。

圖4 裂縫張開口位移-28d 荷載關系線

模擬鹽漬土侵蝕和大溫差環境下各齡期混凝土斷裂荷載峰值，混凝土斷裂荷載峰值，見圖4。結果顯示，隨著齡期的延長混凝土荷載峰值逐漸增大，這說明28d 內持續水化提高了混凝土的宏觀抗裂性能和力學性能；隨著齡期的延長荷載峰值之間的差距不斷減小，究其原因是礦粉和粉煤灰中的活性Al2O3、SiO2參與二次水化，從而減小了內部孔隙率，改善了界面過渡區的粘結，促使抗裂性能具有較快的增長速率。另外，除A3 組28d 齡期略高于A0 組的斷裂峰值荷載外，其余組各齡期的斷裂荷載峰值均小于A0 基準組，究其原因是初期礦粉和粉煤灰活性較低，從而限制了早期抗裂性能和強度的發展。總體而言，在鹽漬土侵蝕和大溫差環境下雖然摻入礦物摻合料會在一定程度上限制早期混凝土抗裂性能的發展，但其提高后期抗裂性能的積極作用更為顯著。

采用計算公式(1)確定不同齡期各組混凝土的斷裂能GF，混凝土斷裂荷載峰值，見圖5。結果顯示，初期A0 組混凝土的斷裂能較高，隨著齡期的延長其增速明顯放緩，基準混凝土的斷裂能增長速率均低于摻礦物摻合料組；基準混凝土齡期28d 時的斷裂能均小于摻礦物摻合料組，具體而言A3 組的斷裂能最高較基準混凝土高出50.74%，故鹽漬土侵蝕和大溫差環境下摻入適量礦物摻合料能夠改善混凝土的抗裂性能。究其原因，礦物摻合料的摻入相當于減少了水泥用量，這在一定程度上降低了水化放熱以及大溫差循環下的溫差應力，從而降低了內部缺陷和開裂風險；另外，礦粉與粉煤灰的二次水化有利于減少內部孔隙或缺陷，從而提高了混凝土密實度和抗裂性能。混凝土斷裂荷載峰值，見圖6。

圖5 混凝土斷裂荷載峰值

圖6 混凝土斷裂荷載峰值

2.3 微觀結構

通過SEM 掃描電鏡觀測A0 組和A3 組混凝土微觀結構，結果發現A0 組混凝土含大量裂縫、孔隙和水化產物團簇，而A3 組發現少量鈣礬石，這是由于礦粉和粉煤灰的微集料效應可以填充混凝土內部孔隙，使得結構整體更加密實；A0 組混凝土具有較高的孔隙率，這使得水化產物與更多的反應生成鈣礬石晶體。通過觀察發現水化產物、水泥及粉煤灰顆粒呈黏結狀態，由此認為礦物摻合料的摻入可以減少內部孔隙，從而改善混凝土抗裂性。齡期3d 時骨料與水泥漿體之間發現寬度明顯的裂縫，而水化28d 時寬度減小，說明富集于界面過渡區的Ca(OH)2發生反映省了石膏、鈣礬石等膨脹性物質，從而改善了界面過渡區性能和混凝土的抗裂性能[15-19]。

3 結論

1）摻礦粉、粉煤灰組的28d 抗壓強度為基準對照組的86.46%～90.97%，前14d 基準混凝土抗折強度整體高于摻礦物摻合料組，但3～28d 期間摻礦物摻合料組總體高于基準混凝土的抗折強度增長率，約為基準組的2 倍。

2）在鹽漬土侵蝕和大溫差環境下雖然摻入礦物摻合料會在一定程度上限制早期混凝土抗裂性能的發展，但其提高后期抗裂性能的積極作用更為顯著。隨著齡期的延長混凝土斷裂荷載峰值和斷裂能均逐漸增大，摻20%礦粉+15%粉煤灰組的抗裂性能最高。

3）結合SEM 掃描電鏡觀測結果，隨著齡期的延長水化產物逐漸轉變成穩定層狀結構，礦物摻合料的摻入可以明顯減小28d 界面過渡區裂縫寬度。