礦物摻合料對水工混凝土早期抗裂性的影響分析

李金朋

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司,遼寧 朝陽 122000)

一直以來,開裂始終是混凝土工程面臨的難題之一,裂縫的存在會縮短結構的使用年限,降低結構的耐久性能,早期的裂縫形式有溫度、收縮和塑性裂縫。近年來,隨著技術的發展高性能混凝土現已被廣泛應用于水利、橋梁、海工、房建等領域,許多學者大量研究了混凝土的抗裂性能,特別是測試和評價早期抗裂能力的較多[1-4]。目前,主要有圓環法和平板法測試混凝土抗裂性能,評價指標可以分為單因素(如極限拉伸值、抗拉強度等)和多因素(如抗裂系數等)兩大類型。對于平板法,現有技術標準未全面考慮早期強度發展規律、凝結時間受混凝土配合比差異的影響,一般要求入模2h后觀測混凝土表面在一定風吹條件下的裂縫情況[5]。實際上,表面吹風起始時間會顯著影響混凝土裂縫的形成與擴展,在施工養護過程中必須嚴格控制吹風起始時間。工程實踐表明,一定細度的粉煤灰、礦粉等摻合料能夠發揮微集料填充效應,優化內部孔隙結構,改善混凝土工作性和其它性能[6]。因此,文章應用平板法測試水工混凝土摻礦物摻合料的早期開裂性能,旨在通過使用高效減水劑和工業廢渣替代水泥配制出耐久性較好、強度較高、工作性良好的高性能水工混凝土,并為水利工程中高性能混凝土的應用提供技術支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

水泥:渤海P·I 52.5級水泥,比表面積246m2/kg,標稠用水量25.2%,密度3.26g/cm3;礦物摻合料:S95級普通礦粉和粒徑6μm的P1000、粒徑10μm的P800超細礦粉,粉煤灰選用F類Ⅱ級灰,燒失量4.1%,比表面積428kg/m2,28d活性指數76%;外加劑:聚羧酸高效減水劑,減水率>26%,泌水率32%,液態,拌合水用當地自來水;集料:天然中砂和粒徑5～25mm的花崗巖碎石,砂的表觀密度2600kg/m3,微粒含量4.5%,石的表觀密度2650kg/m3,針片狀含量4.7%。

1.2 測試方法

根據《水工混凝土配合比設計規程》確定膠材用量為360kg/m3、400kg/m3、440kg/m3、480kg/m3,統一砂率40%,控制拌合物坍落度處于180～220mm之間,以此調整減水劑摻量1.2%和相應的用水量。

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測定100mm×600mm×800mm平面薄板型試件的早期抗裂性能,試驗膠材配比見表1。

表1 膠材配比

試驗過程中,先將拌合物澆筑到試模內并立即攤平,控制混凝土表面略高于模具邊框,然后移到振動臺上震動10s使拌合物密實,并把表面浮漿抹去;靜置成型30min后,在相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環境中進行試驗,調整風扇位置使裂縫誘導器及試件表面與風向相平行,打開風扇控制混凝土正上方100mm處風速為(5±0.5)m/s;最后,從加水攪拌作為起始時間,測定(24±0.5)h時試件表面的裂縫寬度、長度及平均開裂面積,試驗儀器有鋼直尺、計時器和刻度放大鏡(最大倍數100倍)。

2 結果與分析

平板法測試各組混凝土最大裂縫寬度、長度和條數見表2,并進一步計算單位開裂面積見表3。

表2 平板開裂試驗數據

表3 單位開裂面積

2.1 不同膠材用量試驗

為了更加直觀地反映膠材對早期抗裂性能的影響作用,試驗分析不同膠材用量各組試件的早期抗裂性變化趨勢,見圖1。

(a)最大裂縫長度

由圖1可知,隨膠材用量的增加摻礦粉和粉煤灰混凝土的單位開裂面積不斷增大,并且較大膠材用量時的裂縫面積增長率較高,特別是摻礦粉組的裂縫面積增速更大,如摻440～480kg/m3膠材礦粉組約為360～440kg/m3組單位總開裂面積的2倍,膠材為360kg/m3和440kg/m3條件下,摻礦粉組與粉煤灰組的單位總開裂面積之比為1.71和1.81;另外,混凝土最大裂縫寬度隨著膠材用量的提高不斷增加,摻粉煤灰組與礦粉組之間的裂縫差距也不斷擴大,如膠材為360kg/m3和440kg/m3條件下,摻礦粉組與粉煤灰組的最大裂縫寬度之比為1.17級1.50。因此,混凝土早期開裂性能受膠材用量的影響顯著,膠材用量越高混凝土抗裂性能越差,開裂面積越大。

混凝土單位開裂面積隨膠材用量的增加而增大的原因主要如下:①單位水泥用量增加使得水化所需水量增多,相應的熱變形值和干縮變形值增大,當超過一定界限時就會產生裂縫;②水泥基體中膠材越多則其內部自由水分越多,養護不好時很容易產生水分的散失,特別是受熱風影響時會加劇混凝土收縮,因早期強度較低難以抵抗混凝土自身收縮而形成收縮裂縫。

2.2 單摻粉煤灰與礦粉試驗

為了更加系統地反映礦物摻合料對早期抗裂性能的影響規律,試驗分析單摻粉煤灰與礦粉時各組試件的早期抗裂性變化趨勢,見圖2。

(a)最大裂縫寬度

由圖2可知,隨膠材用量的增加單摻礦粉和粉煤灰混凝土的開裂面積均不斷增大,兩者的變化趨勢基本一致,膠材用量超過440kg/m3條件下試件的開裂面積快速增大;膠材用量相同情況下,單摻礦粉相較于單摻粉煤灰試件的開裂面積明顯較高,如膠材為480kg/m3和360kg/m3條件下,單摻礦粉組與粉煤灰組的單位總開裂面積之比為2.2和4.4,單摻粉煤灰組約為單摻礦粉組最大裂縫寬度的2倍。單摻粉煤灰組明顯低于單摻礦粉組的裂縫條數,粉煤灰組的裂縫條數最多為4條,而單摻礦粉組的裂縫條數均為5條,這說明摻粉煤灰優于摻礦粉混凝土的抗裂性能。有研究表明,礦粉的摻入可以在一定程度上增大早期總收縮率,而早期總收縮受粉煤灰的影響較低,粉煤灰和礦粉的摻入均能有效控制混凝土早期開裂。

2.3 摻合料復摻試驗

為了進一步探討超細礦粉對混凝土早期抗裂性能的影響作用,試驗分析礦粉、粉煤灰與超細礦粉復摻時各組試件的早期抗裂性變化趨勢,見圖3、圖4。

(a)最大裂縫寬度

由圖3可知,從低到高各礦粉組試件的早期開裂面積整體排序:P800+S95礦粉

由圖4可知,復摻P1000超細礦粉與粉煤灰組的最大裂縫寬度及單位總開裂面積均較大,其次是復摻P800超細礦粉與粉煤灰組,兩組別的裂縫條數基本相當;單摻粉煤灰組試件的抗裂性能均優于粉煤灰復摻P1000及P800超細礦粉組,如膠材用量為360kg/m3條件下,粉煤灰與P1000礦粉復摻組的單位總開裂面積、最大裂縫寬度分別為單摻粉煤灰組的3.7倍和2.7倍;膠材用量為440kg/m3條件下,粉煤灰與P1000礦粉復摻組的單位總開裂面積、最大裂縫寬度分別為單摻粉煤灰組的1.8倍和1.7倍。這是因為超細礦粉早期消耗水分較多,早期水化釋放的熱量也較多,水泥基體內部溫升使得水分散失加快,在外界風吹條件下內外溫差過大而形成裂縫,所以摻超細礦粉組的抗裂性能較差。

2.4 成型養護方式試驗

考慮到實際工程中混凝土需要帶模養護至規定齡期才能拆模,拆模后通常還要再養護7～14d,所以利用平板法測試的早期抗裂性能,對模鑄混凝土的適用性較差。為探究模鑄混凝土開裂受不同養護方式的影響規律,試驗設計風吹24h+24h、風吹24h+標養24h、成型后風吹24h三種養護制度。結果表明,風吹24h+自養24h、風吹24h+標養24h條件下的混凝土均未開裂,而成型后風吹24h混凝土出現明顯開裂。成型8d后將混凝土烘24h(烘干溫度60℃),冷卻后發現烘干后的混凝土表面未開裂。因此,本研究認為由于裂縫誘導器間距過小使得混凝土處于類似密集配筋的工作狀態下,從而使得早期并未發生開裂。

因此,考慮將3根裂縫誘導器切割掉以改變模具間距,誘導器的其它間距不變。試驗選用膠材480kg/m3的配合比再次配制成型混凝土試件,在相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃、無風吹日曬的環境中觀察24h內裂縫發展狀況,然后風吹24h觀察裂縫情況。結果發現,除P1000超細礦粉與粉煤灰復摻組外,其它組試件成型24h時均未開裂,風吹24h后各組混凝土裂縫也為進一步發展。

研究表明,成型后應最大程度地降低混凝土受風吹日曬等自然因素的不利影響,從而有效防止早期裂縫的形成,早期抗裂性能受養護方式的影響較大,特別是在水工混凝土澆筑時要進行灑水養護,特別是大風和高溫天氣時,為了防止水分過快蒸發應采取擋風和設遮陽棚等措施。

3 結 論

1)研究表明,混凝土單位總開裂面積及其增長率隨膠材用量的增加而增大;單摻礦粉或粉煤灰時,隨膠材用量的增加混凝土單位開裂面積逐漸增大,摻礦粉與粉煤灰組的變化趨勢相同,膠材用量超過440kg/m3時試件的單位總開裂面積快速增大;膠材用量相同情況下,單摻粉煤灰明顯優于單摻礦粉組的抗裂性能。

2)摻粉煤灰和礦粉混凝土的早期抗裂性能受養護方式的影響較大,成型后應最大程度地降低混凝土受風吹日曬等自然因素的不利影響,有效防止早期裂縫的形成,在水工混凝土澆筑時要進行灑水養護,特別是大風和高溫天氣時,為了防止水分過快蒸發應采取擋風和設遮陽棚等措施。