矿物掺和料对混凝土断裂性能的影响研究

林凯斌　李宇坤　王志琛　曾炜圣　张云帆　林欣宇

(福建江夏学院工程学院，福建 福州　350108)

0　引言

混凝土是一种典型的非均质多相复合材料，包括素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土，由混凝土组成的结构称为混凝土结构。混凝土因其有良好的耐久性和抗压能力，在土木工程领域中已经得到了广泛的应用。在混凝土中掺入矿物掺和料可提高混凝土的密实度，提高混凝土的各项性能指标有一定的促进作用，使得矿物掺和料的使用越来越广泛，因此对矿物掺和料混凝土的断裂性能研究是很有必要的。

1　混凝土断裂力学的产生和发展

断裂力学是近几十年来发展起来的学科，它主要研究带裂缝固体的强度和裂缝扩展、失稳、传播和止裂的规律，是固体力学的一个新型的重要分支，又称为“裂纹力学”。

英国物理学家格里菲斯于1920年在对玻璃的断裂研究中提出了断裂力学的基本概念[1]，他认为，实际固体中随机分布着许多初始微裂纹或缺陷，当受到外力作用时这些部位易产生应力集中，当应力增大到其理论强度时，裂纹就开始扩展形成裂缝，随着荷载的增大，裂缝开始不稳定扩展，相互贯通，最终导致了固体的断裂。

随着矿物掺和料在混凝土中的广泛使用，因此矿物掺和料对混凝土断裂性能的影响需要深入地进行试验研究。

2　矿物掺和料对混凝土断裂性能的影响研究

2.1　粉煤灰

粉煤灰在混凝土材料中是一种很常见的矿物掺和料，将粉煤灰加入混凝土中可以使混凝土水化过程中减少放热量，粉煤灰在混凝土中的“三大效应”[10]可以很好的改善混凝土的流动性和和易性等，这对混凝土的早期收缩开裂有一定的抑制作用，在一定程度上也可提高混凝土的强度和耐久性。

掺入粉煤灰对混凝土的断裂性能也有一定的影响，蒋梅玲[11]通过三点弯曲梁试验，计算双K断裂参数，得到结论：掺入30%的粉煤灰与普通混凝土的断裂韧度有一定程度的降低，失稳韧度降低的幅度较大，28 d龄期的掺粉煤灰混凝土比普通混凝土的失稳韧度降低了6.4%；而王宝媛[12]通过分别掺入20%,30%,40%和50%的粉煤灰，采用楔入劈拉法进行混凝土的断裂试验，试验结果掺入30%的粉煤灰对混凝土的断裂韧度有明显的提高，而且各项力学性能良好，表明粉煤灰对混凝土的断裂性能有一定的促进的作用。杨静等人[13]通过研究冻融环境下对粉煤灰混凝土断裂能的影响，得出结论掺粉煤灰混凝土经过冻融之后，较未掺粉煤灰混凝土的断裂能降低幅度较低，主要由于掺粉煤灰混凝土的后期强度增长，使得混凝土强度和韧度都有一定的提升，提高抗裂能力。罗素蓉等人[14]通过研究粉煤灰对自密实混凝土断裂性能的影响，得到结论当粉煤灰掺量为30%时，自密实混凝土的断裂性能最优，虽然其失稳韧度仍低于普通混凝土，然而其黏聚韧度较普通混凝土有较大的提升，这主要是由于粉煤灰的微集料效应和火山灰效应得到最大的发挥，使得自密实混凝土抗裂性能得到提升。

2.2　矿渣

矿渣全名超细高炉矿渣粉，是生产新型高强高性能混凝土不可或缺的一种矿物掺和料。从混凝土各项性能方面，掺入矿渣，可以提高混凝土的抗渗性、抗冻性、抗裂性以及耐腐蚀性等，从而提高混凝土的耐久性，延长混凝土的使用寿命[15]。矿渣通常情况下是与粉煤灰进行复掺，当二者复掺时，这二者会产生“叠加效应”，在水化过程中可以相互作用、相互促进，改善水泥浆体的孔隙，使混凝土的强度提高[16]。

施惠生等人[17]通过三点弯曲试验，研究矿渣和粉煤灰的掺入对混凝土断裂性能的影响，研究结果表明无论是单掺矿渣还是复掺粉煤灰矿渣均对混凝土的断裂韧度和断裂能有提高的作用。陈红莉[18]通过掺入不同的矿物掺和料得出结论，当掺入30%矿渣时混凝土的断裂能高于普通混凝土，甚至超过了掺15%粉煤灰混凝土和掺硅灰混凝土。王德辉[19]研究单掺矿渣对再生骨料混凝土的断裂性能影响结果表明，矿渣单掺掺量为20%时，再生骨料混凝土的28 d抗裂性能达到最优，韧性指数比普通混凝土提高了6.6%。文献[14]通过研究粉煤灰与矿渣的多组复掺对自密实混凝土断裂性能的影响，结果表明当复掺总量为30%，粉煤灰和矿渣掺入比例为3∶7时混凝土的断裂性能最优。

2.3　硅灰

硅灰的颗粒粒径很小，平均粒径为0.1 μm，是水泥粒径的1/100，这样的物理特性使得硅灰颗粒在混凝土中可以充分地填充于水泥及水泥水化颗粒之间，使得水化颗粒堆积得更加紧密，改善了水泥浆体与骨料之间过渡界面区的微观结构，增强了黏结强度，从而提高混凝土的密实度和强度，提高了混凝土的耐久性。

程多松等人[20]通过研究矿物掺和料的掺入对混凝土脆性的影响，发现粉煤灰和硅灰复掺时可对混凝土脆性有明显的改善，当硅灰和粉煤灰以1∶2掺入，总掺量为30%时最佳。文献[18]中的研究结果显示掺入10%硅灰的混凝土强度和双K断裂韧度虽然较高，但脆性较大，使得断裂能明显低于普通混凝土。文献[14]通过保持30%粉煤灰掺量不变，在自密实混凝土中分别掺入3%和5%的硅灰，结果表明硅灰的掺入可以提高自密实混凝土双K断裂韧度。张益杰等人[21]通过研究复掺硅灰和粉煤灰混凝土在冻融环境下的性能损失，研究表明复掺粉煤灰和硅灰的混凝土试块无论是抗冻性能还是抗裂性能、强度以及韧性都明显高于普通混凝土和单掺粉煤灰混凝土。

3　结语

本文简要介绍了集中常见矿物掺和料对混凝土断裂性能的影响，总体上掺入矿物掺和料的混凝土其抗裂性能得到了一定的提升，这将有利于提高混凝土结构整体的耐久性和稳定性，然而这些研究仍然存在较多问题尚待进一步的研究：

1)矿物掺和料对混凝土的收缩徐变性能也有一定的影响，如何平衡二者的关系也是进一步研究的方向；

2)研究在各种环境下，比如海洋盐雾环境、冻融环境、碳化等情况下，矿物掺和料的掺入对混凝土断裂性能的影响；

3)本文简要地介绍了粉煤灰、矿渣和硅灰对混凝土断裂性能的影响，对于其他矿物掺和料比如镍渣、钢渣等如今也渐渐地在混凝土中广泛使用，因此也需对镍渣、钢渣等矿物掺和料进行相应研究。