外加剂对混凝土收缩与开裂性能影响的试验研究

马 琳

（杨凌职业技术学院, 陕西 咸阳 712100）

外加剂对混凝土收缩与开裂性能影响的试验研究

马 琳

（杨凌职业技术学院, 陕西 咸阳 712100）

针对传统混凝土中加入矿物外加剂会导致混凝土开裂的问题，提出在传统方法上加入粉煤灰和硅灰。为验证方法的可行性，采用不同实验配方比，并结合单掺和复掺方式，对上述方法进行验证。实验表明：复掺 30%～40%的粉煤灰和矿粉可有效降低混凝土的开裂面积；硅灰与粉煤灰和矿粉在二元或三元复合下可降低砂浆自收缩和干燥收缩，且混凝土强度不会降低。由此得出混凝土收缩与开裂和砂浆收缩存在显著相关性，砂浆的自收缩和干燥收缩是影响开裂的主要因素。

外加剂；混凝土；自收缩；开裂问题；掺和方式

混凝土收缩和开裂一直以来是影响高性能混凝土制备的重要技术瓶颈。混凝土在自由状态下是不会开裂的。但是在实际的工程应用中，对混凝土进行约束不可避免。在这种约束状态下，使得混凝土的内部产生拉应力，当这个拉应力超过自身的抗拉强度时，就会在混凝土中产生裂缝。通过研究表明，混凝土裂缝很容易出现在早期。在混凝土早期不断硬化过程中，其强度不断增加，同时弹性模量也显著增加，从而使得混凝土微小的收缩都会使得产生很大的拉应力[1]。如弹性模量发展的速率超过混凝土的强度，则很容易出现混凝土开裂的问题。因此，为防止混凝土开裂，很多学者提出在混凝土中加入膨胀剂、减缩剂、矿物掺合料、聚丙烯纤维等原料，从而抑制混凝土出现裂缝的问题。而在加入矿物掺和料中，很多学者发现单纯加入矿物外加剂会加速混凝土开裂[2]。同时根据相关研究，加入粉煤灰可降低自收缩，增加混凝土强度。对此，本文结合上述的研究基础，提出在传统矿物外加剂中加入粉煤灰和硅灰，并就其对混凝土性能影响展开研究。

1 实验部分

1.1 原材料选取

1.1.1 水泥

水泥选择四川省川南特种水泥厂生产p.I 42.5水泥，主要成分为 S95 粒化高炉矿渣粉和具有火山灰活性的粉煤灰。具体化学构成如表1。

表1 水泥化学成分Table 1Chemical composition of cement

1.1.2 矿物外加剂

在本实验中，本文选择的矿物外加剂主要包括I级粉煤灰、矿粉、硅灰。其中，I级粉煤灰（FA）选自宜宾珙县川南特种水泥厂，密度为 2.46 g/cm3,比表面积 404.9 m2/kg，需水量比为 93.7%；矿粉取自四川遂宁宏顺建材有限公司，其密度为 2.78 g/cm3，比表面积 478.5 m2/kg；硅灰取自甘肃三元硅材料有限公司。各个外加剂的化学成分如表 2 所示。

表2 矿物外加剂化学成分Table 2 Chemical composition of mineral admixtures

1.1.3 集料

集料主要取自四川乐山马边混凝土搅拌站。细集料为河砂，Ⅱ区中砂，堆积密度为 1600 kg/m3,经过筛选得出其细度模数为 2.8，级配良好；粗集料为颗粒直径在 5～20 mm 的石灰石碎石，其中粒径在5～10 mm 的石子占 40%，10～20 mm 的石子占到整体的 60%。

1.1.4 减水剂

本文所用的减水剂全部取自四川乐山马边搅拌站，选择聚羧酸高效减水剂，其具体的参数如表 3所示。

表3 聚羧酸减水剂主要参数Table 3 Mainparameters ofpoly carboxylic acid water reducing agent

1.1.5 自来水

自来水全部取自乐山自来水公司。

1.2 试验评价方法

1.2.1 抗裂性能评价方法

根据 GB/T50082-2009 关于《普通混凝长期性能和耐久性能试验方法》的要求，本文选择平板刀口约束法对混凝土开裂性能进行评价[3]。试件采用尺寸，试模由约束钢板和裂缝诱导刀口组成。同时混凝土裂缝以 24h 内的最大裂缝和单位面积的总裂缝，面积作为本文的主要评价指标。其中，单位面积上的总开开裂面积计算为：

N表示总开裂根数；

A表示平板面积；

wi表示第 i根的最大裂缝宽度，mm；

li表示第 i根裂缝的长度，mm。

1.2.2 收缩率评价方法

为避免因为骨料种类引起的收缩率变化给实验带来的误差影响，本文则严格按照标准配置的砂浆来测定水泥基的收缩率 。本文以第 28天龄期作为外加剂表征干缩影响。具体计算公式为：

其中，l0表示初始长度，lt为龄期测量长度，l为有效长度。

2 掺和外加剂对混凝土性能的影响试验

2.1 实验配合比方案设计

为验证不同比例矿物外加剂对混凝土收缩和开裂性能的影响，本文采用单掺和复掺的方法对其影响进行验证，具体的配合比方案如表4和表5所示。

表4 混凝土配合比Table 4 Concrete mixture ratio

表5 砂浆配合比Table 5 Mortar mixture ratio

通过表4看出，本文配置的混凝土凝胶材料总量、砂率、水胶比是固定的。同时在表5中，采用了单掺和复掺的方式，其中编号 1～编号 10 全部为单掺方式，编号 11～编号 18 为复掺。在单掺时，粉煤灰和矿粉掺和的量分别为凝胶材料整体的 20%、30%、40%；硅灰的产量则为凝胶材料整体的 5%、8%、10%。在复掺的情况下，粉煤灰和矿粉的质量为凝胶材料总质量的 30%、40%。粉煤灰、硅灰和矿粉三者复合的质量为凝胶材料总质量的 35%、45%。两两复合时其质量为总凝胶材料质量的 30%。

2.2 实验结果

2.2.1 单掺方式下对混凝土性能的影响

通过上述的不同实验配方比，并根据混凝土开裂评价方法，可以得到如图1所示的不同掺量下的结果。

图1 单掺外加剂对混凝土性能影响Fig.1Effect of admixture onperformance of concrete

2.2.2 复掺下对混凝土性能影响

在复掺条件下，对混凝土在 24 h 内的最大裂缝宽度和总开裂面积进行计算，从而可以得到如图 2所示的结果。

2.2.3 不同掺和方式下外加剂对砂浆收缩的影响

（1）单掺下对砂浆自收缩性能的影响

在单掺方式下，分别添加粉煤灰、矿粉和硅灰，从而可以得到砂浆的自收缩性能(图 3)。

（2）复掺下对砂浆自收缩的影响

在复掺条件下，在砂浆中掺入粉煤灰、矿粉和硅灰，从而可以得到在 7 d 后的自收缩率(图 4)。

2.2.4 混凝土开裂与自收缩的相关性

利用线性回归方程对混凝土开裂与自收缩的关系进行分析[5-7]，从而可以得到如图 5 所示的相关系数。

图2 复掺下的最大开裂宽度和总裂缝面积Fig.2 Maximum crack width and total crack area

图3 单掺下砂浆自收缩性能Fig.3Self shrinkageperformance of cement mortar

图4 粉煤灰、矿粉与硅灰复掺下的砂桨自收缩曲线Fig.4 Self shrinkage curve of the mortar with fly ash, slag and silica fume

图5 总开裂面积与总收缩率的线性关系Fig.5 Linear relationship between total cracking area and total shrinkage

2.3 分析讨论

根据上述的实验结果可以看出，在单掺方式下，分别在混凝土中加入粉煤灰、矿粉和硅灰，可以看到在加入粉煤灰和矿粉后，裂缝的宽度都在逐步下降，而在加入硅灰中，其裂缝的宽度却在逐步上升。造成该原因主要是因为硅灰比表面积大，在加入硅灰后，会加速水化速度，从而增加混凝土收缩。而在复掺条件下，加入粉煤灰、矿粉和硅灰后，通过图 2 可以看出，当三者比例加起来在 45%的时候，其裂缝总宽度最小，并且为空白混凝土的 60%。由此可以看出，通过复合的方式在降低混凝土开裂中具有明显效果。

同时在单掺条件下，粉煤灰可有效降低混凝土的自收缩。但是与三元复合的条件下相比，其自收缩要明显减少。如在 45%的比例条件下其自收缩降低 31%，而在相同条件下，单纯采用粉煤灰对砂浆的自首率只有 13%。由此可以看出复掺下三元复合对降低混凝土的自收缩要优于单掺下的自收缩。

另外，通过图5可以看出，掺矿物外加剂混凝土的总开裂面积与砂浆的自收缩存在显著相关性。因此，砂浆的自收缩是影响混凝土开裂的一个重要因素。要减少混凝土的开裂问题，可降低砂浆的自收缩出发。

3 结束语

本文通过实验证明了在单掺和复掺条件下对混凝土开裂性能和收缩性能的影响，并认为在复掺条件下，可大大改善混凝土的开裂问题。同时在复掺条件下，可大大降低砂浆的自收缩，从而减少混凝土开裂。

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［7］江涛,田瑞霞,马国儒. 不同品种外加剂对喷射混凝土性能影响的试验研究[J]. 混凝土世界,2015,04:70-74.

Experimental Study on Effect of Admixture on Shrinkage and Cracking of Concrete

MA Lin
（Yangling Vocational&technical College, Shaanxi Xianyang 712100, China )

Aiming at theproblem of concrete cracking caused by addition of mineral admixture in traditional concrete, the method of adding fly ash and silica fume in the concrete wasput forward. By using different experimental formula, combined with single and compound admixtures, the feasibility of above-mentioned method was verified. Experimental results show that the complex with 30% ～ 40% fly ash and slag can effectively reduce the cracking area of concrete; adding silica fume and fly ash and slag can reduce the self shrinkage and drying shrinkage in two-element or three-element compound, and the concrete strength is not reduced. So it is concluded that there is a significant correlation between concrete shrinkage and cracking with mortar shrinkage. The self shrinkage and drying shrinkage of mortar are the main factors to affect the cracking of concrete.

Admixture; Concrete; Self shrinkage; Cracking; Blending mode

TQ 178

： A

： 1671-0460（2017）02-0233-04

2016-09-23

马琳（1980-），女，陕西西安人，讲师，硕士研究生，研究方向：建筑技术。E-mail:546972132@qq.com。