礦物摻合料水工混凝土塑性收縮開裂抑制作用研究

孟麗麗

(營口市水利勘測建筑設計院,遼寧 營口 115000)

0 引 言

高性能水工混凝土具有耐久性優異、能源與資源消耗少、負荷能力大以及強度高等特點,可以滿足水利工程抗裂、抗凍、抗沖、耐磨、防滲、承壓和穩定等諸多方面的要求,現已被大規模應用于眾多工程[1]。然而,實踐表明高性能混凝土結構開裂特別是早期開裂問題非常突出。在新拌狀態下水泥基體內部的水分遷移速率低于表面失水速度,毛細管內負壓會引起塑性收縮,并進一步產生開裂[2-3]。高性能混凝土大摻量超細活性摻合料、高膠凝材料用量以及低水膠比的制備特點,使其早期收縮變形相較于普通混凝土具有明顯的差異,尤其是裂縫的存在會削弱結構的耐久性和承載能力,縮短構筑物的使用年限[4]。因此,研究高性能混凝土早期開裂受超細活性摻合料的影響作用,對于保證水利工程長效穩定運行具有重要意義。文章選用硅灰、礦渣和粉煤灰3種活性摻合料,通過平板法探究水工混凝土早期收縮開裂受不同摻合料摻量的影響作用,并利用水分蒸發試驗進一步探究其作用機理。

1 試驗方法

1.1 原材料

水泥:華潤P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,比表面積348m2/kg,主要性能指標見表1。粉煤灰:撫順熱電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰,細度(45μm篩余)18.2%,密度2.85%,需水量比為98%,28d活性指數76%。礦渣:北聯礦渣廠提供的S95級礦粉,比表面積425m2/kg,密度2.72g/cm3。硅灰:沈陽恒泰萊產硅灰,比表面積22000m2/kg,密度2.09g/cm3。粗、細集料:大連建材廠提供的粒徑5～25mm連續級配花崗巖碎石和渾河中砂,砂的細度模數2.62,表觀密度2660kg/m3,含泥量0.8%。外加劑:LN-SP聚羧酸高性能減水劑,固含量22.4%,減水率36%,液態,推薦摻量1.0%,拌合水用當地飲用水。

表1 水泥的主要性能指標

1.2 試驗配合比

試驗固定用水量、集料用量、砂率以及水膠比不變,參照《水工混凝土配合比設計規程》設計12組配合比,通過等質量替代的方式利用礦物摻合料取代水泥,其中粉煤灰和礦渣的摻量相同依次為10%、20%、30%、40%,硅灰摻量為5%、10%和15%。通過控制減水劑用量促使拌合物坍落度處于180～220mm之間,試驗配合比見表2。

表2 試驗配合比及混凝土性能

1.3 測試方法

在模擬四周全約束條件下測定混凝土早期開裂狀況,試驗模具為內邊尺寸63mm×600mm×600mm鋼膜,將兩排Φ6的栓釘每隔60mm焊接在模具內的每個邊上,從而起到內側約束作用,上、下排栓釘相互交錯布置,上排長度為100mm,下排長度為50mm,試驗裝置如圖1所示。

圖1 平板法試驗裝置示意圖

試驗過程中,將攪拌均勻的拌合物澆入試模內振搗抹平,并保持混凝土略高于模具邊框,然后置于風速5m/s、相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃的環境跟蹤觀測,每隔10min觀測一次直至混凝土表面出現首條裂縫,并記錄裂縫的出現時間。風吹養護至24h時,標記所有裂縫,并利用鋼尺和讀數顯微鏡(放大倍數100倍)測量記錄每條裂縫的長度li及最大寬度di,試件表面裂縫總面積利用公式∑(li×di)計算確定[5-7]。

將攪拌均勻的拌合物澆筑到尺寸63mm×150mm×150mm的試模內,成型養護后用于水分蒸發試驗,將試件放入風速5m/s、相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環境中模擬測試混凝土水分散失情況。

2 結果與分析

2.1 水分蒸發

塑性收縮是指泌水速率小于表面水分蒸發速率以及自收縮、沉降和早期化學收縮等因素共同作用下的體積變化,水分蒸發速率越快則毛細管水越早達到臨界壓力,相應的早期開裂風險也就越高。所以,混凝土塑性裂縫的形成在一定程度上取決于水分蒸發速率,摻礦渣、粉煤灰和硅灰混凝土的水分蒸發速率如圖2所示。

(a)摻粉煤灰組

由圖2可知,隨硅灰和粉煤灰摻量的增加試件24h水分蒸發速率逐漸下降,并以摻硅灰混凝土降幅最為明顯;試件24h水分蒸發速率隨礦渣摻量的增加逐漸增大,特別是摻40%礦渣組為基準對照組水分蒸發速率的1.2倍,礦渣對水分蒸發速率的影響作用與前兩者相反。

2.2 不同粉煤灰摻量試驗

粉煤灰摻量對水工混凝土塑性開裂的影響試驗數據,如圖3所示。

(a)裂縫出現時間

由圖3可知,隨著粉煤灰摻量的增加混凝土總裂縫面積和最大裂縫寬度呈先減小后增大的變化趨勢,首次出現裂縫的時間逐漸增加。其中,摻10%、20%、30%、40%粉煤灰混凝土相較于基準對照組的總裂縫面積依次下降29.7%、65.2%、73.9%、48.5%。因此,在水工混凝土中摻入粉煤灰能夠抑制其早期塑性開裂,實際使用時存在最佳摻量,結合試驗數據其最優摻量約為30%。

水工混凝土水分蒸發速率隨粉煤灰摻量的增加逐漸減小,這使得毛細管負壓達到臨界壓力的時間在一定程度上有所推遲,對早期塑性收縮起到有效抑制作用。另外,試件早期抗拉強度隨粉煤灰摻量的增大不斷降低,對抑制早期裂縫的形成會產生不利作用[8]。綜上分析,對于塑性收縮裂縫的形成與發展,粉煤灰可以產生有利和不利的雙重影響,最優摻量30%就是這種雙重影響的臨界值。

2.3 不同礦渣摻量試驗

礦渣摻量對水工混凝土塑性開裂的影響試驗數據,如圖4所示。

(a)裂縫出現時間

由圖4可知,隨著礦渣摻量的增加混凝土總裂縫面積和最大裂縫寬度呈先減小后增大的變化趨勢,首次出現裂縫的時間也逐漸增加。其中,摻10%、20%、30%、40%礦渣混凝土相較于基準對照組的總裂縫面積依次下降4.5%、49.1%、63.7%和54.5%。因此,在水工混凝土中摻入礦渣能夠抑制其早期塑性開裂,實際使用時存在最佳摻量,結合試驗數據其最優摻量約為30%。

水工混凝土水分蒸發速率隨礦渣摻量的增加逐漸增大,這使得毛細管負壓會更快地達到臨界壓力,同時摻礦渣混凝土的泌水量較大,這對水分蒸發會起到一定的補充作用,有利于降低不利影響。另外,混凝土早期抗拉強度隨礦渣摻量的增加逐漸降低,這對抑制早期裂縫的形成也會帶來不利影響[9-11]。綜上分析,對于塑性收縮裂縫的形成與發展,礦渣也會產生雙重影響,這與粉煤灰的影響特征相似,只是相較于粉煤灰其抑制程度略低。

2.4 不同硅灰摻量試驗

硅灰摻量對水工混凝土塑性開裂的影響試驗數據,如圖5所示。

(a)裂縫出現時間

由圖5可知,隨著硅灰摻量的增加混凝土總裂縫面積和最大裂縫寬度呈波動上升趨勢,首次出現裂縫的時間逐漸減小。因此,在水工混凝土中摻入硅灰會使其早期塑性開裂風險明顯提高,特別是摻15%硅灰混凝土相較于基準對照組的總裂縫面積和最大裂縫寬度分別提高281.8%及88.9%。所以,在不利環境條件下應加強硅灰混凝土的早期養護。

水工混凝土水分蒸發速率隨硅灰摻量的增加明顯降低,這雖然能夠大大推遲毛細管負壓達到臨界壓力的時間,但硅灰親水性強、細度小、顆粒小等特點使得內部水分蒸發速率遠高于表面泌水速度。所以,在相同試驗條件下,混凝土早期塑性收縮反而隨著硅灰摻量的增加而增大。另外,混凝土早期抗拉強度隨硅灰摻量的增加逐漸增大,但抗拉強度明顯低于抗壓強度的增長幅度。總體而言,對于塑性收縮裂縫的形成與發展,摻硅灰引起的收縮應力增長發揮著主導作用。

3 結 論

1)隨硅灰和粉煤灰摻量的增加混凝土水分蒸發速率逐漸下降,并以摻硅灰混凝土降幅最為明顯;另外,水分蒸發速率隨礦渣摻量的增加逐漸增大,特別是摻40%礦渣組為基準對照組水分蒸發速率的1.2倍,礦渣對水分蒸發速率的影響作用與前兩者相反。

2)礦渣與粉煤灰的摻入在一定程度上降低了混凝土裂縫面積和寬度,其首次出現裂縫的時間也明顯推遲,在水工混凝土中摻入礦渣和粉煤灰能夠抑制其早期塑性開裂,切摻量相同條件下粉煤灰較礦渣具有更顯著的抑制效果,兩者的最優摻量均為30%。

3)硅灰的摻入會提高混凝土的總裂縫面積和最大裂縫寬度,其首次出現裂縫的時間有所提前,在水工混凝土中摻入硅灰會加速會使其塑性開裂程度明顯加劇,對不利環境條件下應加強硅灰混凝土的早期養護。