石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料开裂敏感性的研究

黄天勇，侯云芬，宋少民，王栋民

(1.中国矿业大学(北京)，北京100083;2.北京建筑工程学院，北京100044)

随着混凝土技术的进展，开裂问题，尤其是早期各种收缩现象因受约束力而导致的开裂，已经成为结构混凝土劣化的重要原因。胶凝材料体系的收缩变形是引起混凝土早期开裂的主要原因，水泥厂采取增加熟料中C3S和C3A的含量、提高粉磨细度的方法来提高水泥的强度，特别是早期强度，这就必然造成混凝土早期开裂尤为严重。因此，提高胶凝材料的抗裂性，是降低混凝土早期非荷载作用下的开裂敏感性的重要措施之一。本文在以前的研究基础上[1－3]，利用石灰粉和粉煤灰与熟料复合制备出强度达到32.5级和42.4级要求的复合胶凝材料，并与32.5级和42.5级普通硅酸盐水泥对比，在保持混凝土相同坍落度的情况下，研究改善胶凝材料开裂敏感性的措施。

约束开裂试验方法主要有平板法、棱柱体法、圆环法等[4]，棱柱体试验方法主要以德国慕尼黑技术大学提出的一种外约束棱柱体试验方法，圆环式限制收缩开裂试验方法主要以Roy提出的，平板式限制收缩开裂试验方法由笠井芳夫提出的[5]。本文选择圆环法和平板法。

1 原材料与试验方法

1.1 熟料、石灰石粉、粉煤灰

试验所用熟料、石灰石粉、粉煤灰均由重庆大业混凝土集团提供。先用鄂式破碎机将熟料破碎为5mm以下的颗粒，再用实验室球磨机磨细，然后根据熟料最佳性能颗粒级配和复合胶凝材料满足Fuller曲线最紧密堆积原理得到石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料。

熟料(CL)、石灰石粉(LP)、粉煤灰(FA)的化学成分见表1，粒径分布及标准稠度用水量见表2，熟料的矿物组成见表3。

表1 熟料、石灰石粉、粉煤灰化学组成 /%

表2 熟料、石灰石粉、粉煤灰粒径分布及标准稠度需水量

表3 熟料的矿物组成 /%

由表1可知石灰石粉、粉煤灰均具有较高的烧失量，但石灰石粉的烧失量主要是碳酸盐分解产生的CO2，它对水泥性能没有影响[6－7]。由表 2 可知，石灰石粉的需水量较低，而粉煤灰需水量很大。从各原料的粒径分布可以发现:熟料中小于3μm颗粒和大于60μm颗粒均较少，基本符合熟料最佳性能的颗粒级配要求，有利于其活性的发挥。石灰石粉颗粒很细且分布集中，主要为2μm～8μm，能够很好地弥补熟料中细颗粒的缺失，粉煤灰中存在较多的大于60μm的颗粒，能够弥补熟料中粗颗粒的缺失，从而使整个复合胶凝材料满足Fuller曲线最紧密堆积理论。

1.2 复合胶凝材料和普通硅酸盐水泥

利用石灰石粉和粉煤灰与熟料制备复合胶凝材料，复合胶凝材料1(代号为H32.5)中粉煤灰:石灰石粉:熟料:石膏=12:8:75:5;复合胶凝材料2(代号为H42.5)中粉煤灰:石灰石粉:熟料:石膏 =20:20:55:5;其物理性能见表4，力学性能见表5。

表4 水泥基本性能

表5 水泥力学性能

对比试验用普通硅酸盐水泥选用重庆涪陵腾辉工厂生产的P·O42.5和P·O32.5水泥，物理性能见表4，力学性能见表5。从表4可以分析得出:石灰石粉－粉煤灰－熟料配制的复合胶凝材料的标准稠度用水量明显低于同强度等级的普通硅酸盐水泥，但是其初凝和终凝时间均要少于普通硅酸盐水泥，这主要是由于石灰石粉良好的减水效应和促进熟料早期水化的原因。普通硅酸盐水泥的筛余小于石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料的筛余，尤其是H32.5的筛余最大，这主要是由于粉煤灰大颗粒较多，从而导致水泥的筛余较大。总之，利用粉煤灰和石灰石粉与熟料制备的复合胶凝材料的细度较粗，需水量较小。从表5中可以得出，石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料的3d抗折、抗压强度明显高于同强度等级的普通硅酸盐水泥，这主要是由于石灰石粉能够促进熟料早期的水化;石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料H42.5的28d抗折、抗压强度与普通硅酸盐水泥P·O42.5并没有明显的差异，但石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料H32.5的28d抗折、抗压强度低于普通硅酸盐水泥P·O32.5，这主要是其中熟料含量较少所致。

1.3 骨料

试验用细骨料和粗集料的主要性能指标见表6。

表6 粗集料的主要性能指标

1.4 外加剂

外加剂选用四川成都吉龙外加剂有限公司生产的萘系减水剂，减水率为25%。

1.5 水

本试验采用日常饮用水。

1.6 试验仪器

实验仪器主要有开裂圆环、开裂平板，其基本形状见图1、图 2。混凝土圆环外径为 42.5cm，内径为30.5cm，高为 10cm。混凝土平板长为 60cm，宽为60cm，高为6.5cm。

图1 开裂圆环

图2 开裂平板

1.7 试验配合比

利用复合胶凝材料H32.5和P·O32.5水泥配制C30混凝土，利用复合胶凝材料H42.5和P·O42.5水泥配制C50混凝土。保持坍落度相同时的配合比见表7。由表7可以看出，在坍落度相同的情况下，由于石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料的需水量较少，所以复合胶凝材料配制混凝土时能够降低混凝土的单方用水量，因而其制备的混凝土水胶比更低，这一结果有利于降低混凝土的早期开裂敏感性。

表7 混凝土配合比/kg/m3

2 试验结果及分析

2.1 混凝土的抗压强度

4种混凝土在各龄期的抗压强度见表8。从表8可以看出，采用石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料配制混凝土各个龄期的抗压强度均高于普通硅酸盐水泥配制混凝土的抗压强度。从前面的介绍可知，虽然石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料中熟料含量少于普通硅酸盐水泥，尤其是复合胶凝材料H32.5，但是由于其合理的组成设计，使其具有良好的颗粒级配和较粗的细度，因而需水量较少，配制混凝土时水胶比较低，可以提高密实度和强度，即可以在减少熟料用量的前提下，配制出符合强度要求的混凝土。

表8 混凝土抗压强度/MPa

2.2 混凝土的抗裂性

2.2.1 圆环法 利用圆环式限制收缩开裂试验时，4种混凝土均未发现裂缝出现。分析原因有二，一是由于圆环法用于混凝土开裂性能测试时，存在裂缝出现时间长，初期裂缝非常细微，观测难度很大[8];二由于圆环是用塑料制作而成，当混凝土的刚性高于了塑料圆环的刚度，使混凝土产生更多的是不可见微裂缝[9－10]。

2.2.2 平板法 相比而言，平板法可以更好地反映出混凝土早期的裂缝特性。4种混凝土的平板试验裂缝测试结果见表9。

表9 混凝土平板早期裂缝 /mm

由表9可以看出:P·O32.5水泥配制的混凝土H1表面出现部分裂缝，但裂缝宽度小，开裂总长度50mm，最长裂缝3mm，最大宽度0.1mm;而石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料H32.5配制的混凝土H2表面并没有出现裂缝。P·O42.5水泥配制的混凝土H3表面出现的裂缝多并且裂缝宽度大，混凝土开裂总长度为2300mm，最长裂缝为35mm，最大宽度为0.2mm;而石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料H42.5配制的混凝土H4的表面虽然也出现了裂缝，但是裂缝少，裂缝宽度小，混凝土开裂总长度为100mm，最长裂缝为7mm，最大宽度为0.1mm。总之，相比普通硅酸盐水泥，石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料的抗裂性能更好。

分析原因认为，由于复合胶凝材料的细度较粗且需水量小，达到相同坍落度时混凝土用水量少，则可以减少混凝土早期的塑性收缩，所以H2与H4以及H1与H3相比，早期开裂敏感性降低。另外由于石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料中熟料含量较少，水化热少于普通硅酸盐水泥，从而降低了由于水化热导致温度应力而产生的收缩，所以H1与H3以及H2与H4相比，表面出现的裂缝多且宽。

综上所述，在合理组合设计基础上，一定比例的石灰石粉和粉煤灰掺入胶凝材料中，不仅可以使复合胶凝材料达到一定的强度等级要求，还可以降低需水量和水化热，进而改善胶凝体系的开裂敏感性，实现控制混凝土早期开裂的目的，保证混凝土具有良好的体积稳定性和长期耐久性。

3 结论

(1)依据熟料最佳性能颗粒级配和Fuller最紧密堆积理论，可以利用石灰石粉和粉煤灰与熟料制备出性能良好的复合胶凝材料。(2)保持混凝土相同坍落度，石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料制备混凝土各龄期抗压强度均高于相同强度普通硅酸水泥制备混凝土的抗压强度接近。(3)平板法测试的混凝土开裂敏感性时，石灰石粉－粉煤灰－熟料复合胶凝材料制备混凝土的开裂敏感性明显低于普通硅酸盐水泥混凝土的开裂敏感性。合适比例的石灰石粉和粉煤灰可以改善胶凝体系的开裂敏感性。

[1]侯云芬，黄天勇.熟料－石灰石粉－燃煤灰复合胶凝材料的性能[C].绿色混凝土新技术及工程应用论文集.2010.9.P39 －45.

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