矿物掺合料对水泥砂浆强度和早期开裂的影响

付洪波

现代水泥混凝土向高强、高性能方向发展,但同时收缩开裂也已经成为现代混凝土劣化的主要因素,一般认为限制收缩是混凝土开裂的主要原因。边界条件的约束变形会产生拉应力,一旦拉应力超过相应龄期的抗拉强度,混凝土就会发生开裂[1-3]。水泥基材料早期可见与不可见裂缝是裂缝扩展导致开裂的源头,控制水泥基材料在约束条件下产生早期开裂是一个最本质、最敏感的问题[4,5]。

本研究籍自由收缩和多通道椭圆环收缩开裂测试手段,并辅以强度试验综合评价了粉煤灰、硅粉等矿物掺合料对水泥砂浆早期收缩开裂和强度的影响,优化出开裂敏感性相对较优的水泥基材料组成。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥:北京拉法基42.5 MPa硅酸盐水泥,密度为3.1 g/cm3;粉煤灰:汉川热电厂的Ⅱ级粉煤灰;硅粉:挪威埃肯公司的微硅粉,密度为2.2 g/cm3;河砂:细度模数 2.5的中砂;水:自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 初始开裂时间测试方法

采用多通道椭圆环收缩开裂试验来测试水泥砂浆的初始开裂时间[6,7],椭圆环试件胶砂比为 1∶2。借鉴 GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法),试件成型后放入温度为(20±1)℃,RH≥90%的养护室中带模养护18 h,然后脱去试件的椭圆环外模,在试件上表面涂上水玻璃以密封,以便干燥只能是从外表面发生。最后,将试件放入温度为(20±3)℃,RH=(50±4)%的干燥室中养护,在试件的外表面涂上导电涂层带以便与仪器的测试电路接通,同时测试初始开裂时间。

1.2.2 自由收缩测试方法

自由收缩试验借鉴标准JC/T 603-1995水泥胶砂干缩试验方法和GB 8076-1997混凝土外加剂,采用固定水胶比和水泥浆体量的方法来成型砂浆试件,试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm。

1.2.3 强度测试方法

砂浆强度试验分为两组:一组是潮湿养护条件下3 d,28 d的抗折和抗压强度,另一组是干燥养护条件下初始开裂时抗折强度。在潮湿养护条件下,试件脱模后放入温度为(20±1)℃的水中养护,测试3 d,28 d的砂浆抗折和抗压强度;在干燥养护条件下,试件脱模后放入温度为(20±3)℃,RH=(50±4)%的干燥室中养护,测试砂浆初始开裂时的抗折强度。

1.3 试验设计

试验分为两个阶段:第一步是通过正交试验设计来优化水泥基材料组成,粉煤灰选40%,50%两个水平,硅粉选0%,5%,8%和10%四个水平,选用3 d,28 d的抗折和抗压强度作为考核指标;第二步是对优化的水泥基材料组成进行自由收缩、初始开裂时间及初始开裂时抗折强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 潮湿养护的砂浆强度

根据所选用的影响因素及水平数,试验采用L8的混合正交表(即1个4水平因素和最多4个2水平因素的正交表)安排试验,试验方案与试验结果见表1。

表1 试验方案与试验结果

分析表1试验结果,各列K值和极差R的计算见表2。极差R的大小用来衡量试验中相应因素作用的大小。从表2可见:

1)强度影响因素的主次关系为:粉煤灰＞硅粉。2)掺40%粉煤灰的强度均比掺50%粉煤灰的强度高,特别是对3 d抗折强度和28 d抗压强度影响甚大。3)当硅粉掺量超过5%时,3 d抗折强度随掺量增加而下降,对于28 d抗折强度和3 d抗压强度影响甚小。由此可见,当硅粉掺量为5%以上、粉煤灰掺量为40%时对强度发展更有利,即优化的水泥基材料组成为Y3,Y5和 Y7。接下来对Y3,Y5和 Y7进行自由收缩、初始开裂时间及初始开裂时抗折强度试验。

表2 各因素列3 d,28 d的抗折和抗压强度之和与极差

2.2 自由收缩

从图1可以看出,砂浆自由收缩在前7天增长很快,且砂浆自由收缩随着硅粉掺量的增加而增大,主要是由于硅粉有超细的颗粒和很高的活性,可使砂浆的自由收缩增大[8]。当硅粉掺量为8%或10%时,砂浆自由收缩相差不大,且均比相应龄期时硅粉掺量为5%的砂浆自由收缩大很多,硅粉掺量为5%,8%和10%的砂浆的7 d自由收缩分别为283×10-6,565×10-6和634×10-6。

2.3 初始开裂时间

从图2可以看出,砂浆初始开裂时间随着硅粉掺量的增加而减小,当掺5%硅粉时,砂浆初始开裂时间最高,为70.8 h,这说明硅粉对水泥基材料的开裂敏感性有较大影响。结合砂浆自由收缩值分析可知,随着硅粉掺量的增加,水泥基材料早期水化速度加快,加速了水泥基材料裂缝的出现,提高了水泥基材料的早期开裂敏感性。

2.4 初始开裂时抗折强度

通过硅粉掺量对砂浆初始开裂时抗折强度的影响可知:在干燥养护条件下,硅粉掺量为8%和10%的砂浆,其初始开裂时抗折强度几乎没有差别,但都要比硅粉掺量为5%的砂浆初始开裂时抗折强度低,即硅粉掺量为5%的砂浆早期开裂敏感性差,相对而言更不易开裂,这与砂浆初始开裂时间试验结果是一致的。

3 结语

1)潮湿养护条件下,硅粉掺量为5%～10%,粉煤灰掺量为40%时对砂浆强度发展更有利。2)砂浆自由收缩随着硅粉掺量的增加而增大。当粉煤灰掺量为40%,硅粉掺量为8%或10%时,砂浆自由收缩相差不大,且均比相应龄期时粉煤灰掺量为40%,硅粉掺量为5%的砂浆自由收缩大很多。3)硅粉对水泥基材料的开裂敏感性有较大影响,砂浆初始开裂时间随着硅粉掺量的增加而减小。4)在干燥养护条件下,硅粉掺量为8%和10%的砂浆,其初始开裂时抗折强度几乎没有差别,但均比硅粉掺量为5%的砂浆初始开裂时抗折强度低。

[1] HE Zhen,ZHOU Xiang-min,LI Zong-jin.New experimental method for studying early-age cracking of cement-basedmaterials[J].ACI Materials Journal,2004,101(1):50-56.

[2] 张士海.胶凝材料体系对混凝土早期开裂的影响及评价方法研究[D].北京:清华大学土木系,2002:5.

[3] Ronit Bloom,Arnon Bentur.Free and restrained shrinkage of normal and high-strength concretes[J].ACI Materials Journal,1995,92(2):211-217.

[4] Richard W.Burrows.The visible and invisible cracking of concrete[A].Published by The American Concrete Institute,Farmington Hills,Michigan[C].1996:10.

[5] 黄国兴,惠荣炎.混凝土的收缩[M].北京:中国铁道出版社,1990.

[6] 梁文泉,王信刚,何 真,等.矿渣微粉掺量对混凝土收缩开裂的影响[J].武汉大学学报(工学版),2004,37(1):6-10.

[7] 彭卫兵,何 真,梁文泉,等.粉煤灰薄板结构混凝土收缩开裂试验研究[J].混凝土,2003(1):35-38.

[8] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999:9.