自密实清水混凝土的早龄期抗裂性能研究

王圣贤 王雪芳

(1.福建江夏学院 福建福州 350108； 2.福州大学 福建福州 350108)

自密实清水混凝土的早龄期抗裂性能研究

王圣贤1王雪芳2

(1.福建江夏学院 福建福州 350108； 2.福州大学 福建福州 350108)

自密实清水混凝土结合了自密实混凝土和清水混凝土的优点，具有广阔的应用前景。但由于直接暴露于环境中，开裂不仅影响美观，更直接引起耐久性问题。采用平板诱导开裂试验，以粉煤灰掺量及纤维掺量为主要参数，通过试验研究自密实清水混凝土开裂性能。结果表明，粉煤灰掺量在15%～30%范围内，随粉煤灰掺量增加，自密实清水混凝土的抗裂性能提高；玄武岩纤维在1.0～1.6kg/m3掺量内对混凝土的开裂时间影响较小，但随纤维掺量的增加，自密实清水混凝土的抗裂性能显著提高。玄武岩纤维掺量为1.6kg/m3时，其开裂面积仅为未掺的40.7%。

自密实混凝土；清水混凝土；早龄期抗裂性能；诱导开裂试验；粉煤灰；玄武岩纤维

0 引言

自密实清水混凝土是将自密实混凝土配制技术与清水混凝土施工工艺(即直接利用混凝土成型后的自然质感作为饰面效果的混凝土[1])相结合的一种便于施工且具有装饰效果的绿色混凝土。它保留了清水混凝土的特点，即节省了抹灰与装饰工程，杜绝了抹灰容易出现的空鼓、裂缝和脱皮，不仅建设时省钱，还能做到无需翻新装修便可“历久弥新”，它展现真实表观，有利于结构缺陷的发现与处理。同时，它结合自密实混凝土的特点，简化了施工工序，节约了大批人力和设备费用，提高经济效益。它是对清水混凝土的一种高性能化，具有很好的应用前景。国内许多学者对清水混凝土的配合比设计及施工工艺进行了相关研究[2-6]，目前我国海南三亚机场、首都机场、上海浦东国际机场航站楼、东方明珠的大型斜筒体、西安浐灞商务中心等建筑工程均采用了清水混凝土，而北京联想研发基地更被建设部列为“中国首座大面积清水混凝土建筑工程”。

然而，目前国内清水混凝土饰面主要用于平面结构，而对于一些特殊部位、特殊功能、特殊结构形式的混凝土，如复杂结构的高速铁路桥梁清水混凝土的配制、施工工艺、质量控制措施等仍然不成熟[2]。一般清水混凝土工程中，开裂性能并未像外观装饰效果一样受到足够重视，同时因自密实混凝土胶凝材料用量大，砂率高，且掺入了高效减水剂和大量的矿物掺和料，在设计不当的情况下极易导致混凝土的开裂[7]，有必要开展自密实清水混凝土开裂性能研究，以优化配合比、确保其装饰效果和长期耐久性。

本研究采用改进的平板法研究粉煤灰掺量对自密实清水混凝土抗裂性能的影响，并在此基础上通过掺加纤维进一步提高混凝土的抗裂性能。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

本研究试验采用密度为3080kg/m3的福建顺昌水泥厂生产的炼石牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；Ⅱ级粉煤灰；水泥和粉煤灰的化学成分、物理性能如表1所示；细骨料采用闽江河砂，细度模数为2.23，堆积密度为1460kg/m3；粗骨料为5mm～20mm的连续级配碎石，堆积密度为1457kg/m3，表观密度为2658kg/m3；外加剂为厦门科之杰的聚羧酸高效减水剂。

玄武岩纤维采用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的短切玄武岩纤维，如图1所示，主要物理性能指标如表2所示。

图1 玄武岩纤维外观特性

WB/%CaOSiO2Al2O3Fe2O3SO3MgOK2O其他烧失量细度水泥59451764489383299241044835-188粉煤灰33662891861454048253115764388139

表2 玄武岩纤维的物理指标

1.2 自密实清水混凝土的配合比设计

自密实混凝土的高流动性及自密实性能够很好地实现清水混凝土的装饰性，因此本研究依据自密实混凝土的配合比设计方法，同时考虑清水混凝土的装饰和施工工艺要求，进行自密实清水混凝土配合比设计。

根据JGJ/T 283-2012 《自密实混凝土应用技术规程》规定，自密实混凝土配合比设计宜采用绝对体积法。自密实混凝土水胶比宜小于0.45，胶凝材料用量宜控制在400kg/m3～550kg/m3。为了减少混凝土收缩的产生，水泥的用量不宜太多，同时为了满足混凝土保塑性、黏聚性、包裹性及和易性的要求，胶凝材料用量宜控制在较多量，以满足结构安全、耐久的要求[8]。因此，最终确定胶凝材料用量500kg/m3，水胶比为0.32，通过控制外加剂的量来使混凝土达到工作性要求。

考虑到粉煤灰掺量过大将会影响混凝土的颜色，也会影响混凝土的装饰性，同时粉煤灰掺量过大会使得混凝土早期力学性能降低过大，所以本研究粉煤灰掺量控制在15%～30%。

混凝土中纤维的掺入量决定了单位体积复合材料内纤维的根数和纤维的平均间距，要使纤维起到阻裂、提高抗拉强度等增强作用，就需要纤维的平均间距小于一定值，即要求纤维的掺入量不小于临界值。同时，若纤维掺入过多会导致纤维结团很难均匀的分散，水泥基不能充分包裹在纤维表面，致使混凝土中产生微裂隙等原生缺陷，混凝土的强度反而会降低。所以，纤维增强混凝土中的纤维掺量应控制在一定范围内。考虑其性能要求和经济效益，确定本研究的玄武岩纤维掺量分别为1.0kg/m3、1.2kg/m3、1.4kg/m3、1.6kg/m3。

1.3 自密实清水混凝土的制备与基本性能检测

1.3.1混凝土制备

对于自密实清水混凝土，因其本身对工作性能有较高要求，同时对于掺有纤维改善混凝土性能的混凝土，因在其中加入纤维，纤维是否能均匀地分布于混凝土中，会对纤维增强混凝土的质量和性能产生较大影响[9]，因此，其搅拌工艺和投料顺序的选择对于混凝土的制备尤为重要。自密实清水混凝土的制备过程如下：

(1)利用强制式搅拌机干拌砂和碎石30s；

(2)加入水泥和粉煤灰等胶凝材料干拌30s；

(3)加入玄武岩纤维干拌60s；

(4)加入水和减水剂搅拌120s。

(5)清理附着于搅拌机内壁的浆体及纤维,同时观察拌合物是否离析、纤维分布是否均匀、是否出现纤维结团现象,再搅拌60s～120s,然后立即进行工作性能测试。

1.3.2工作性检测

自密实清水混凝土的配制，除了要满足施工要求的流动性，应更注重混凝土的粘聚性和保水性，而且能自密实，能得到表面致密的混凝土，因此混凝土坍落扩展度是其重要的流动性指标。采用坍落度筒法测量两个指标，即混凝土的坍落度和坍落扩展度，辅以观察混凝土的粘聚性和保水性等特征，以评价新拌自密实清水混凝土的工作性，分析粉煤灰掺量及玄武岩纤维掺量对自密实清水混凝土工作性能的影响。

1.3.3力学性能检测

抗压强度是混凝土进行配合比设计的重要参数，也是评价混凝土质量的一个重要指标。而抗拉强度是研究混凝土抗裂性能的重要参数，它是结构设计中控制裂缝宽度和裂缝间距的重要指标。自密实清水混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)规定，试件均采用150mm×150mm×150mm，每组配合比制作共计6个试块，分2组，分别测试其28d龄期的抗压及劈裂抗拉强度。

以C40强度等级为设计指标，考虑粉煤灰掺量与纤维掺量变化为因素，自密实清水混凝土配合比及其工作性能和力学性能如表3所示。

表3 自密实清水混凝土配合比、工作性能及其力学性能

1.3.4早龄期抗裂性能试验

自密实清水混凝土的抗裂性能测试，采用 “水泥基材料抗裂性能测试诱导开裂法及其装置”[10]，如图2所示，选用单隔板模式，试件大小为600mm×600mm×50mm。

图2 诱导开裂平板法试验装置(单位：mm)①底板；②Φ6螺栓；③石蜡纸，特氟纶；④φ9螺栓；⑤钢板

试验步骤为：将拌和之后的自密实清水混凝土立即倒入矩形平板中并抹平，然后放入环境温度为(25±3)℃，相对湿度为(60±5) %的室内养护，每组配合比制作两个平板试件。用裂缝测宽仪观测裂缝的发展，在裂缝未出现前，每隔10min观测1次，裂缝出现后每隔20min观测1次，在隔板之间的混凝土裂缝贯穿后，每2h观测一次，直至12h，然后观测24h的裂缝。每次观测的内容包括：裂缝宽度、长度和条数。该测试方法以混凝土的开裂面积a为主要指标，以最大裂缝宽度和初裂时间为辅助指标。其中开裂面积a(mm2)按下式计算：

a=W1L1+W2L2+ …+WiLi+…+WNLN

式中：Wi为第i根裂缝的宽度(mm)；

Li为第i根裂缝的长度(mm)；

N为总裂缝数目(根)。

2 自密实纤维混凝土的力学性能

图3 粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响

图3为粉煤灰掺量对自密实清水混凝土28d抗压强度、劈拉强度的影响。由图3可知，在粉煤灰掺量不大于30%时，粉煤灰掺量的变化对自密实清水混凝土抗压强度的影响较小，随着粉煤灰掺量的增加，自密实清水混凝土的28d劈拉强度则有所降低，降低幅值在10%以内，而当粉煤灰掺量为30%时，其劈拉强度降低的程度有所减少，此时与基准组相比降低的幅值为4%。

图4是粉煤灰掺量在30%的情况下玄武岩纤维掺量对自密实清水混凝土28d抗压强度和劈拉强度的影响。由图4可知，纤维的掺入对于混凝土的抗压强度影响不大，但在纤维掺量为1kg/m3时，抗压强度有所降低，比未掺纤维的抗压强度降低6.3%。而对于劈拉强度，随着纤维掺量的增加而增加，在玄武岩纤维掺量为1.6 kg/m3时，其劈拉强度比未掺纤维的混凝土增加23.2%。

图4 玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响

3 自密实清水混凝土早龄期抗裂性能

自密实清水混凝土的开裂是一个复杂的过程，它是综合因素影响下产生的结果。自密实清水混凝土的早龄期开裂特征的试验结果数据，如表4所示。

表4 自密实清水混凝土的早龄期开裂试验数据

图5是粉煤灰掺量对自密实清水混凝土开裂时间与裂缝贯穿时间的影响。由图5可见，在掺量低于25%情况下，粉煤灰对于开裂时间的影响较小，与未掺粉煤灰组具有相近的开裂时间。而当粉煤灰掺量为30%，则有推迟开裂时间的作用，与未掺粉煤灰组相比，推迟了1h。而从裂缝贯穿时间曲线看，随粉煤灰掺量的增加，混凝土的裂缝贯穿时间延长。

图5 粉煤灰掺量与开裂时间和裂缝贯穿时间的关系

图6 粉煤灰掺量与开裂面积的关系

图6是粉煤灰掺量对自密实清水混凝土24h开裂面积的影响，从图中可知粉煤灰的掺入有抑制混凝土开裂的作用，但当粉煤灰掺量不超过20%，粉煤灰的影响有个平缓段，当超过20%后，随粉煤灰掺量的增加其降低混凝土开裂的作用越大。

图7和图8是粉煤灰掺量30%时，玄武岩纤维掺量对自密实清水混凝土抗裂性能的影响。

从图7可知，玄武岩纤维的掺入对自密实清水混凝土开裂时间的影响作用较小，随纤维掺量增加，其开裂时间略有提前，这可能是由于纤维掺入后增强混凝土抵抗离析、泌水的能力，但同时也阻碍了混凝土内部水分交换的通道，使得混凝土收缩较大，在受到约束情况下引起开裂。但从图7也可看出，玄武岩纤维的掺入对于抑制裂缝的扩展有较大作用，随玄武岩纤维掺量的增加，较未掺纤维的混凝土，其裂缝贯穿时间分别延迟了130min、130min、140min，甚至当纤维掺量为1.6kg/m3时，混凝土裂缝未贯穿。

图7 纤维掺量与开裂时间和裂缝贯穿时间的关系

从图8纤维掺量对混凝土开裂面积的影响也可知，玄武岩纤维的掺入能够有效抑制裂缝的开展，提高混凝土的抗裂性能，随纤维掺量的增加，其24h开裂面积分别是未掺纤维的30%粉煤灰掺量下的混凝土的77%、69.3%、64.9%、40.7%。

图8 纤维掺量与开裂面积的关系

4 结论

本文研究粉煤灰掺量(15%～30%)对自密实清水混凝土早龄期抗裂性能的影响，在此基础上通过掺入玄武岩纤维，研究改善自密实清水混凝土抗裂性能的玄武岩纤维的最优掺量。通过试验结果分析，得到以下4个结论：

(1)粉煤灰掺量对自密实清水混凝土的28d抗压强度的影响较小，仅稍有降低。但总体上随粉煤灰掺量的增加，自密实清水混凝土的28d劈拉强度降低；当粉煤灰掺量为30%，劈拉强度降低幅度有所减少。

(2)在掺量低于25%，粉煤灰的掺入对自密实清水混凝土的开裂时间影响较小，当掺量超过30%，则能推迟混凝土的开裂时间。总体上，自密实清水混凝土的裂缝贯穿时间随粉煤灰掺量的增加而推迟。在掺量低于30%时，随粉煤灰掺量的增加，自密实清水混凝土的抗裂性能越好。

(3)在掺量不超过1.6kg/m3时，玄武岩纤维的掺入对混凝土28d抗压强度的影响较小，但随纤维掺量增加，28d劈拉强度提高。

(4)在掺量不超过1.6kg/m3时，自密实清水混凝土受玄武岩纤维掺量的影响较小，但是却能有效抑制裂缝的扩展，推迟裂缝贯穿时间，在玄武岩纤维掺量为1.6kg/m3时，裂缝未贯穿。在该掺量范围内，随玄武岩纤维掺量的增加，自密实清水混凝土的抗裂性能越好。在玄武岩纤维掺量为1.6kg/m3时，其开裂面积仅为未掺的40.7%。

[1] JGJ 169-2009 清水混凝土应用技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 王建君.高性能自密实清水混凝土的研究与应用[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[3] 黄昌利.清水混凝土施工技术研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[4] 安明，房明.北方应用清水混凝土的质量控制[J].混凝土，2005(9)：89-91.

[5] 何锦华，王守合，杜建峰，等.超大面积清水混凝土结构清水混凝土配制及施工技术[J].混凝土，2006(6)：77-79.

[6] 代铮.装饰混凝土概述及其在景观工程中的应用[J].混凝土，2009(1)：122-144.

[7] 王圣贤.胶凝材料体系对自密实混凝土早龄期抗裂性能影响的试验研究[D].福州：福州大学，2015.

[8] 王国富，周立民，路林海，等.轨道交通清水混凝土应用技术研究[J].混凝土，2017(3)：146-149.

[9] 罗素蓉，李豪.纤维自密实混凝土力学性能及早期抗裂性能试验研究[J].广西大学学报，2010,6(35)：901-907.

[10] 郑建岚，罗素蓉，王雪芳，等.水泥基材料抗裂性能测试诱导开裂法及其装置[Z].2007.

EarlyAgeCrackingBehaviorofSelf-CompactingBareConcrete

WANGShengxian1WANGXuefang2

(1.FujianJiangxia University，Fuzhou 350108； 2.Fuzhou University，Fuzhou 350108)

Self-compacting bare concrete,which is a combination of advantages of self-compacting concrete and bare concrete,has a broad application prospects. However,due to the direct exposure to the environment,the cracks not only affect the decorative effect,but also cause the durability problem directly. By using the induced crack test,the cracking behavior of self-compacting bare concrete,based on the content of fly ash and basalt fiber,was tested. The results show that: Within the scope of 15%～30% of the fly ash,the cracking behavior of self-compacting bare concrete improved along with the increasing of the dosage of fly ash. The basalt fiber has little influence on the cracking time within the scope of 1.0～1.6kg/m3. However,with the increasing of the dosage of basalt fiber,the cracking behavior of self-compacting bare concrete improved,when the dosage of basalt fiber was 1.6kg/m3,its cracking area was only 40.7% of the no basalt fiber mixed.

Self-compacting concrete;Bare concrete; Early age cracking behavior; Induced crack test; Fly ash; Basalt fiber

王圣贤(1989.10- )，男，助教。

E-mail:938583938@qq.com

2017-09-03

TU528

A

1004-6135(2017)12-0083-05