粉煤灰掺量对混凝土结构断裂性能的影响

王宝媛

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

0 引言

混凝土的抗裂性能可以从以下2方面研究：一是提高混凝土的起裂韧度，起裂韧度是抵抗混凝土裂缝开裂的指标，作为判断裂缝起裂的依据，正如抗压强度和弹性模型一样，是材料本身的特征，不受裂缝扩展情况的影响；二是提高混凝土的失稳韧度，失稳韧度作为裂缝扩展的指标，可以保证裂缝开裂后的稳定性。混凝土破坏的全过程可以用双K断裂参数描述[1—4]：当 KIC＜时，裂缝不扩展；当KIC＝时，裂缝起裂，开始稳定扩展；当KQIC＜KIC＜时，裂缝稳定扩展；当KIC＝时，裂缝处于临界状态，开始失稳扩展；当KIC＞时，裂缝进入失稳扩展。因此，混凝土的断裂韧度可以作为混凝土结构的断裂性能指标。本文从混凝土材料方面来研究混凝土的断裂韧度。粉煤灰是混凝土最常用的矿物掺合料之一，它的掺入，不仅可以节约资源，降低成本，保护环境，更在很大程度上改善了混凝土的工作性能。大量研究成果已经表明粉煤灰可以起到改善混凝土和易性、降低泌水性、减小水化放热量、提高后期强度等作用。掺粉煤灰能够降低混凝土的水化热温升、干缩变形和自生体积变形，同时它也增加了混凝土的早期徐变，这些对提高混凝土结构的早期抗裂能力都是有利的[5—6]。那么，粉煤灰的掺入能否提高混凝土的断裂韧度？粉煤灰掺量与断裂韧度大小有什么关系？这便是本文研究的主要内容。

1 试验概述

1.1 试验原材料和配合比

试验采用大连水泥厂生产的P.C32.5R复合硅酸盐水泥；粉煤灰为II级；拌合及养护用水为大连地下水；粗骨料采用5～20mm连续级配碎石；细骨料为中砂，最大粒径5mm。具体配合比见表1。

表1 试验配合比

1.2 试验制作和方法

采用净尺寸为230mm×200mm×200mm的专用钢模浇注混凝土，右侧内壁居中放置一50mm×30mm×200mm的预制凹槽钢块。混凝土浇注前，在试模内侧放置2mm厚的钢板（其前端为不大于15°的尖角），钢板两面涂上脱模剂，待混凝土初凝后抽出钢板，在室温条件下草垫覆盖，静置48h后拆模，转入标准养护室浇水养护28d。本次试验试件龄期为60d左右。

图1 试验加载装置

楔入劈拉试验加载装置如图1所示，为了抵消试件自重荷载，在试件的四分点上采用双线钢筋支承，其中加载工具为一工字形钢（本次试验楔形角取15°），然后通过2个带有滚轴的传力钢板将荷载加在带有切口的混凝土试块上。

1.3 试验仪器

所有试验均以位移控制的加载方式在300t液压试验机上进行，采用8通道IMC采集系统采集数据，5t荷载传感器测定竖向荷载，量程范围为0～4mm的夹式引伸仪测定裂缝口张开位移CMOD及裂缝尖端张开位移CTOD，在裂缝尖端处布置了电阻应变片用来监测混凝土裂缝起裂。

2 试验分析

2.1 试验结果和分析

通过力—裂缝尖端张开位移（P－CTOD）曲线上升段捕捉混凝土的起裂荷载PQ，由PQ和初始裂缝长度a0计算出起裂韧度值KQIC，由最大荷载Pmax和有效裂缝长度ac计算出失稳韧度值KSIC。其中，有效裂缝长度ac通过裂缝口张开位移（P－CMOD）曲线得到。按照DL／T 5332—2005《水工混凝土断裂试验规程》[7]中的公式计算各组试件的起裂韧度和失稳韧度。

在25个试件中，因为夹子在试验中脱落，有4个试件没有测到P－CMOD曲线，对各组数据进行统计，试验最终结果以及平均值、标准差、变异系数列于表2中。从表中可以看出，起裂荷载与极限荷载比值在0.592～0.890之间，平均值0.733，有效裂缝长度ac的平均值为126.322mm，与理论符合较好。粉煤灰掺量为30%时，混凝土起裂韧度、失稳韧度均达到最高值。

2.2 试验分析

粉煤灰在混凝土中发挥重要作用，是物理与化学作用，即粉煤灰的三大效应[8]——形态效应、活性效应和微集料效应共同作用的结果。

水胶比小幅度变化对复合胶凝材料中粉煤灰作用机理影响不大[9]。从计算结果可以看出，掺入粉煤灰的混凝土起裂荷载、失稳荷载、起裂韧度以及失稳韧度都得到了不同程度的提高。经试验观察，楔入劈拉试件的破坏路径大多绕过骨料而行，劈拉破坏发生在界面。粉煤灰的掺入可以使混合物的劈裂强度提高1倍[10]。从物理方面分析，素混凝土的拌制过程中，由于骨料颗粒较大，表面吸附着大量的游离水和气泡，振捣过程中水分和气泡逐渐向上溢出，部分水分和气泡无法穿越骨料的阻碍，停留在骨料底部，形成水囊和气孔。养护过程中，这些游离水蒸发，产生大量联通的孔隙。若拌制过程中掺入粉煤灰，由于粉煤灰能够吸附大量的自由水，使骨料底部滞留水减少，孔隙变小，大大降低了混凝土原始缺陷的出现，有利于提高混凝土劈拉试件的起裂荷载和失稳荷载[11]。从火山灰效应方面来分析，水化后期，粉煤灰与氢氧化钙晶体发生二次水化反应，生成硅酸钙凝胶、铝酸钙凝胶和纤维状的硫铝酸钙晶体，与结晶体相比，凝胶体具有更大的韧性，同时稳定的纤维状硫铝酸钙晶体也具有很好的抗拉能力[5]。从微集料效应方面来分析，微细的粉煤灰减小了混凝土中的孔隙体积，改善了水泥界面的微结构，有效抑制了原生微裂缝的产生，提高了混凝土的抗拉能力。

粉煤灰表观密度只有水泥的2／3左右，因此粉煤灰颗粒可以填充在水泥颗粒的孔隙之中，在水泥的水化过程中，粉煤灰颗粒均匀填充于水化产物中。粉煤灰颗粒弹模大约为水泥弹模的2倍[12]，粉煤灰颗粒的弹性模量较高，因此微集料效应可以有效抑制混凝土的断裂，但其发挥程度受到粉煤灰与水泥相互作用的界面情况影响。当粉煤灰掺量为30%时，小于10nm的凝胶孔最多[13]，水泥和粉煤灰粒子组成了合理的微级配，微集料效应和火山灰效应的交互作用有效地提高了混凝土的黏结强度。然而，粉煤灰掺量为40%的混凝土，粉煤灰与水泥的质量比为2︰3，恰好与粉煤灰与水泥的表观密度之比吻合，此时粉煤灰与水泥的表观体积相同，基体结合明显变差，其微集料效应不能发挥出来。粉煤灰掺量为50%时，起裂韧度和失稳韧度值又得到了一定的提高。把粉煤灰看成是基体的媒介，媒介的增加，减少了颗粒之间的间距，从而获得了很好的孔结构。Berry[14]等提出了大掺量粉煤灰水泥系统的2种胶结原理：一是因为水泥水化的“促进”作用，导致产生了大量的水化产物，超过了通常的化学计量比；二是通过粉煤灰的化学反应，形成了额外的胶结生成物。所以对于大掺量的粉煤灰混凝土，填充效应和微集料效应得以充分发挥。

表2中可以看出，粉煤灰掺量为30%的混凝土起裂韧度平均值为0.515MPa·m1／2，素混凝土的起裂韧度平均值为0.377MPa·m1／2，起裂韧度增加了36.7%，同时，起裂荷载、失稳荷载和失稳韧度均达到最大值。可以得出，粉煤灰掺量为30%时，混凝土各项力学性能最优；粉煤灰掺量为40%时，混凝土各项力学性能都不及素混凝土；粉煤灰掺量为50%时，混凝土的强度降低幅度很大，对于一定龄期内的混凝土结构还有强度的要求，虽然断裂性能良好，但是不符合工程实际中对强度的要求。

综合上述分析结果，粉煤灰掺量为30%的混凝土结构，在满足结构的基本力学性能的同时，有效地提高了结构的抗裂能力。

表2 试验结果

3 结语

（1）粉煤灰的掺入，能够有效提高混凝土结构的断裂性能。

（2）当粉煤灰掺量为30%时，混凝土断裂性能最优。

[1]徐世烺，赵国藩.混凝土结构裂缝扩展的双K断裂准则[J].土木工程学报，1992，25（2）：32－38.

[2]XU Shi－lang，REINHARDT H W.Determination of double－K criterion for crack propagation in quasi－brittle materials，Part I：Experimental investigation of crack propagation[J].International Journal of Fracture，1999，98（2）：111－149.

[3]XU Shi－lang，REINHARDT H W.Determination of double－K criterion for crack propagation in quasi－brittle materials，part II：Analytical evaluating and practical measuring methods for three－point bending notched beams[J].International Journal of Fracture，1999，98（2）：151－177.

[4]XU Shi－lang，REINHARDT H W.Determination of double－K criterion for crack propagation in quasi－brittle materials，part III：Compact tension specimens and wedge splitting specimens[J].International Journal of Fracture，1999，98（2）：179－193.

[5]毛国权.掺粉煤灰对水工混凝土早期抗裂影响的探讨[J].陕西水利发电，1993，9（2）：47－51.

[6]亢景富，冯乃谦.实现水工混凝土高性能的技术途径[J].混凝土，1997，9（5）：9－19.

[7]DL／T 5332—2005，水工混凝土断裂试验规程[S].

[8]沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1989：149－155.

[9]张庆欢.粉煤灰在复合胶凝材料水化过程中的作用机理[D].北京：清华大学，2006.74－75.

[10]乔艳妮，徐江萍.粉煤灰掺量对水泥粉煤灰稳定碎石强度特性的影响[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2007，9（3）：1－2.

[11]薛春侠，陈梅花.浅议粉煤灰掺量对混凝土性能的影响[J].甘肃科技，2008，24（17）：107－109.

[12]赵庆新，孙伟，郑克仁，等.水泥、磨细矿渣、粉煤灰颗粒弹性模量的比较[J].硅酸盐学报，2005，33（7）：837－841.

[13]施惠生，方泽锋.粉煤灰对水泥浆体早期水化和孔结构的影响[J].硅酸盐学报，2004，32（1）：95－98.

[14]BERRY E E，HEMMINGS R T，ZHANG Min－hong.Hydration in high－volume fly ash concrete binders[J].Materials Journal，1994，91（4）：382－389.