粉煤灰、石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂的影响

陆海梅　　乔艳静

（江苏苏博特新材料股份有限公司）

粉煤灰、石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂的影响

陆海梅乔艳静

（江苏苏博特新材料股份有限公司）

为探讨粉煤灰和石灰石粉两种常用矿物掺合料对高性能混凝土塑性开裂的影响规律，本文通过碘钨灯和可调节风速的风扇在实验室内模拟西部地区高温低湿的蒸发环境，采用集中约束平板法系统研究了内掺粉煤灰及石灰石粉的高性能混凝土在高温低湿环境下的塑性开裂。结果表明：粉煤灰的掺入对高性能混凝土的塑性开裂有明显的抑制作用，有效降低裂缝宽度和裂缝总面积，粉煤灰掺量越大，裂缝宽度和裂缝总面积降低的幅度越显著；石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂的影响与其掺量有较大的相关性，低掺量时石灰石粉加剧了高性能混凝土塑性开裂趋势，高掺量时石灰石粉抑制了高性能混凝土塑性开裂风险。

粉煤灰；石灰石粉；高性能混凝土；塑性开裂

高性能混凝土（High Performance Concrete）具有普通混凝土无法比拟的优良性能，引起了世界各国材料科学与工程界的密切关注和高度重视，并称之为跨世纪的新材料［1］。高性能混凝土已在国际上形成研究热点，专家预测，在今后的100～200年内国际上的高性能水泥基建筑材料将占有绝对主导地位［2］。根据国家制订的十三五发展规划，各种超大规模的国家重点工程已经开始持续兴建，建筑物的使用环境日趋复杂和苛刻，对其耐久性和使用寿命的要求也越来越高，发展高性能混凝土具有迫切的现实意义。然而，在工程结构中大规模推广使用高性能混凝土发现，裂缝尤其是早期收缩裂缝问题成为当代高性能混凝土结构工程的普遍问题。

由于矿物掺合料具有减少水泥用量、延缓水化放热、提升混凝土综合性能的优点，逐渐成为高性能混凝土不可或缺的组分之一。目前广泛使用的矿物掺合料主要有粉煤灰和石灰石粉。粉煤灰具有优异的火山灰效应、形貌效应和微集料效应，可提高混凝土耐久性能；石灰石粉作为一种新型的绿色矿物掺合料能弥补现有掺合料资源稀缺的问题，降低生产成本，在高性能混凝土中得到了越来越多的应用。当前学术界［3～4］在矿物掺合料对高性能混凝土收缩开裂的研究主要集中在混凝土硬化后的体积稳定性及其开裂方面，对混凝土塑性阶段的开裂变形的研究却相对较少。已有的研究表明［5］，水分的快速蒸发是水泥混凝土产生塑性收缩和开裂的原始驱动力，水分蒸发越快，塑性开裂越严重。为了探讨粉煤灰和石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂趋势的影响，本文通过1000w的碘钨灯及可调节风速的风扇在实验室内模拟西部地区高温低湿的蒸发环境，采用集中约束平板法系统研究了粉煤灰和石灰石粉掺量对高性能混凝土初始开裂时间、最大裂缝宽度和开裂总面积的影响规律。

1　原材料、试验方法及配合比

1.1原材料

水泥采用江南小野田水泥公司生产的P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，其标准稠度用水量28.9%，初凝1h56min，终凝3h51min，比表面积291m2/kg，细度（80um）筛余2.7%，7d抗折和抗压强度分别为8.51MPa，43.4MPa，28d抗折和抗压强度分别为9.22MPa，59.9MPa；粉煤灰采用南京华能电热厂生产的Ⅰ级粉煤灰，需水比91.2%，含水量0.19%，比表面积323m2/kg，细度（45um）筛余2.7%，密度2.32g/cm3；石灰石粉采用溧阳亿佳超微粉体科技有限公司生产的800目重质碳酸钙粉，其主要成分为CaCO3，平均粒径5.11um，比表面积1000m2/kg；粗集料为5～20mm连续级配的玄武岩碎石；细集料为细度模数为2.6的河砂；减水剂采用江苏博特新材料有限公司生产的JM-B萘系高效减水剂；水为普通自来水。

1.2试验方法

塑性开裂试验采取平板法，具体试验装置如图1所示，试验模具参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》［6］和ASTM C 1579-06设计［7］，试件尺寸900mm×600mm× 80mm，模具边框用63mm×40mm×6.3mm的槽钢制作，模具四边与底板通过螺栓固定在一起，以提高模具的刚度。在模具每个边上同时焊接两排伸向模具内侧、且相互交错的螺栓，便于浇注的混凝土能填充密实，当浇筑的混凝土平板发生收缩时，四周将受到螺栓的约束。同时在底板上放置具有三个应力凸起肋的钢板应力楞（根据ASTM C 1579-06的规定由一块厚度1.2mm的钢板弯折而成），在凸起的地方由于钢板的刚性约束，混凝土的沉降将在中间的最高部位诱发裂缝。根据配合比称料、搅拌、成型，同时记录加水时间。为提高混凝土密实性，混凝土采用振动成型，表面抹平后放入高温低湿蒸发环境室，蒸发环境室温度为38±2℃，相对湿度为30±5%，试件表面采用碘钨灯照射，在试件前方放置两个电风扇，使试件表面风速在（5±0.5）m/s。从测试开始每隔5min观测一次裂缝的发生，距混凝土加水时间24h时终止试验。试验终止后，对塑性开裂裂缝进行拍照（见图2（a）），然后对图像进行二值化处理及裂缝提取得到较为清晰的裂缝轮廓图（见图2（b）），最后使用图像分析软件对裂缝的宽度和面积进行统计分析。

图1　约束平板和应力楞示意图

图2　塑性开裂裂缝及处理后的图片

1.3配合比

试验用混凝土配合比如表1所示。

2　试验结果与分析

表1　试验用混凝土配合比（kg/m3）

2.1粉煤灰对高性能混凝土塑性开裂的影响

表2给出粉煤灰掺量对高性能混凝土塑性开裂的影响，由表中数据可以看出，与基准样R相比，粉煤灰掺入推迟了高性能混凝土发生塑性开裂的时间，随着粉煤灰掺量的增加，初始开裂时间表现出先增大后减小的趋势。当粉煤灰掺量在0%～30%之间时，高性能混凝土发生塑性开裂的时间随粉煤灰掺量的增大而延长；当粉煤灰掺量在30%～50%之间时，高性能混凝土发生塑性开裂的时间随粉煤灰掺量的增大而缩短。粉煤灰对高性能混凝土出现塑性开裂时间的拐点掺量为30%。当高性能混凝土发生塑性开裂后，粉煤灰对混凝土最大裂缝宽度和裂缝总面积的影响规律类似，均随粉煤灰掺量的增大而减小。可见，粉煤灰的掺入对高性能混凝土的塑性开裂有明显的抑制作用，有效降低裂缝宽度和裂缝总面积，粉煤灰掺量越大，裂缝宽度和裂缝总面积降低的幅度越显著。

表2　粉煤灰对高性能混凝土塑性开裂时各项参数的影响

2.2石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂的影响

表3给出石灰石粉掺量对高性能混凝土塑性开裂的影响规律，由表中数据可以看出，石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂的影响与其掺量有较大的相关性，低掺量时石灰石粉加剧了高性能混凝土塑性开裂趋势，高掺量时石灰石粉抑制了高性能混凝土塑性开裂风险。当石灰石粉掺量在5%～10%范围内时，高性能混凝土塑性裂缝初始开裂时间均低于基准样的初始开裂时间，且随石灰石粉掺量的增加，塑性裂缝的数目逐渐增加，裂缝在长度和宽度方向上扩展明显，长度由短变长、宽度由窄变宽，对应的导致裂缝总面积增大。当石灰石粉掺量在25%～40%范围内时，随着石灰石粉掺量的增加，高性能混凝土塑性裂缝初始开裂时间延迟，裂缝长度变短、宽度变窄，而且裂缝数目及裂缝总面积逐渐减小。在本试验掺量范围内，掺10%石灰石粉的高性能混凝土初始开裂时间最短，裂缝宽度最宽，开裂面积最大；掺40%石灰石粉的高性能混凝土初始开裂时间最长，裂缝宽度最窄，开裂面积最小。可见，石灰石粉的掺入在低掺量（0～10%）下有增大高性能混凝土的塑性开裂的风险，但在高掺量（25%～40%）下对高性能混凝土塑性开裂有一定的抑制作用。

表3　石灰石粉对高性能混凝土塑性开裂时各项参数的影响

2.3机理探讨

粉煤灰本身不具备胶凝特性，掺入混凝土后，首先是水泥水化，然后是水泥的水化产物氢氧化钙与粉煤灰的铝硅玻璃体反应，生成水化硅酸钙，即粉煤灰发生火山灰反应。粉煤灰的火山灰反应速度大大地低于水泥水化速度，尤其在早期表现更为明显。最早期体系内部的粉煤灰主要发挥微集料填充效应，其相对低得多的反应速率延缓了结构的形成以及毛细管负压增长的速度，抑制了胶凝材料的水化反应，降低了高性能混凝土在塑性阶段的化学收缩应力，进而减小了高性能混凝土产生塑性开裂的驱动力，有效提升了高性能混凝土在塑性阶段的抗开裂性能。随着粉煤灰掺量的增加，其反应的程度愈加减小，发生塑性收缩开裂的驱动力越小，对高性能混凝土在塑性阶段的抗开裂性提升越显著。

相对于粉煤灰而言，石灰石粉更细，火山灰反应活性更低，等量替代水泥后，同样降低了整个体系的水化程度，具有更明显的“稀释”效应和填充效应。在低掺量条件下（0～10%），石灰石粉的稀释作用不明显，但石灰石粉中较小的CaCO3颗粒可对水泥水化起微晶核效应，具有良好的活化效应和加速效应，反而促进了水泥的水化进程，加快了水泥混凝土内部的水分消耗，使得硬化浆体内部相对湿度降低，塑性收缩加剧，拉应力增加，有增大高性能混凝土塑性开裂的风险。在高掺量条件下（25%～40%），石灰石粉掺入对胶凝体系的稀释作用明显增大，在相同水胶比情况下，水泥混凝土中能保留相对较多的自由水，当表面蒸发量相同时，可保持硬化浆体内部相对湿度，推迟高性能混凝土发生塑性开裂的时间，降低裂缝宽度和开裂面积，有效提升高性能混凝土抗开裂性能。

3　结论

⑴粉煤灰的掺入对高性能混凝土的塑性开裂有明显的抑制作用，有效降低裂缝宽度和裂缝总面积，粉煤灰掺量越大，裂缝宽度和裂缝总面积降低的幅度越显著。

⑵灰石粉对高性能混凝土塑性开裂的影响与其掺量有较大的相关性，低掺量（0～10%）时石灰石粉加剧了高性能混凝土塑性开裂趋势，高掺量（25%～40%）时石灰石粉抑制了高性能混凝土塑性开裂风险。●

［1］Mehta P K.Greening of the concrete industry for sustainable development.Concrete International，2002：22-38.

［2］唐明述.提高重大混凝土工程耐久性对节约资源能源、保护环境意义重大.周光召，朱光亚主编.共同走向科学——百名院士科技系列报告集.北京：2001.

［3］张守治，汪守纯，乔艳静，等.矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响的研究［J］.混凝土与水泥制品，2010，5：24-27.

［4］马丽媛，姚燕.高性能混凝土收缩开裂的研究［D］.中国建筑材料科学研究院，2001.

［5］刘加平.水泥基材料塑性变形与塑性开裂的性能及机理［D］.南京：南京工业大学，2008.

［6］CCES01-2004，混凝土耐久性设计与施工指南.

［7］ASTM C 1579-06，Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete.