粉煤灰混凝土早龄期抗裂性能分析

魏洪钢,臧斌浩,张 睿,马文斌,王章夫

(1.杭州钱新华威建材有限公司,浙江 杭州 310018; 2.浙江华威混凝土有限公司，浙江 杭州 310018)

混凝土是现今应用最为广泛的建筑材料,但其抗拉能力差,容易开裂。裂缝的存在对混凝土结构的安全性和耐久性有不利影响。调查研究表明,混凝土早龄期的体积变形是造成混凝土开裂的主要原因,由体积变形引起的裂缝可占所有裂缝的80%以上[1]。因此,针对混凝土早龄期抗裂性能的研究一直是混凝土材料科学研究的热点。

近十几年来,随着矿物掺合料在混凝土中的推广应用,对于掺合料对混凝土早龄期抗裂性能影响的相关研究已积累了一定成果[2-6]。其中,粉煤灰作为最为常见的矿物掺合料之一,能够有效地降低混凝土的早龄期放热、降低早龄期自收缩和干燥收缩,有益于混凝土抗裂性能的提升[2,4]。但是,粉煤灰的掺入同时也会降低混凝土早龄期力学性能,降低其抵抗开裂的能力。由于混凝土早龄期收缩是混凝土开裂主要的驱动力,因此已有研究对于粉煤灰混凝土收缩性能的关注较多[5-6],而对粉煤灰混凝土早龄期拉伸性能的研究较少。并且,已有研究多是在同水胶比下研究粉煤灰掺量对混凝土抗裂相关性能的影响[7],这与实际工程中按照混凝土强度等级进行配合比设计存在较大差别,因此研究成果无法指导工程实际。在等强度条件下,研究粉煤灰掺量对混凝土早龄期拉伸特性和收缩性能的研究较为少见[8]。

本文拟通过实验研究,考察等强度条件下粉煤灰掺量为30%和40%的混凝土的早龄期拉伸特性(包含拉伸强度、拉伸弹性模量和极限拉伸应变)和干燥收缩性能,分析等强度条件下粉煤灰掺量对混凝土早龄期抗裂性能的影响。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料及配合比

本文用到的胶凝材料有：P·O42.5普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰,其化学组成和物理性能见表1、表2。选用的粗集料为碎石,粒径范围为5～31.5 mm；细集料由机制砂和天然砂组成,机制砂细度模数为3.3,天然砂细度模数为0.8。为保证混凝土具有相近的流动性,在配制混凝土过程中掺加了科之杰Point-400型萘系减水剂,其减水率为22.0%,固含量为31.8%。拌和用水为杭州自来水。两种混凝土的配合比见表3。

表1 水泥与粉煤灰化学成分

表2 水泥与粉煤灰物理性能

表3 混凝土配合比

注：FA30-0.46和FA40-0.42分别代表粉煤灰掺量30%与40%。

1.2 力学性能测试

力学性能测试包括抗压强度和劈裂抗拉强度,测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》进行。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,测试龄期为3、7、28、60 d。劈裂抗拉强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,由于混凝土劈裂抗拉强度与其早龄期抗裂性能密切相关,因此其测试龄期从早龄期开始,具体为： 0.83、1、1.25、1.5、1.75、2、3、7、28、60 d。养护条件为标准养护，即温度(20±2) ℃,湿度95%以上。

1.3 早龄期拉伸特性

本文测试的混凝土早龄期拉伸特性包括拉伸强度、拉伸弹性模量和极限拉伸应变。测试方法采用杨杨等设计的混凝土轴向拉伸测试装置,该装置的组成及测试原理见文献[9]。 本文采用拉伸特性测试试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。通过千斤顶施加拉伸应力,采用荷载传感器测试荷载变化,采用PI型变位计测试试件在荷载作用下的变形。荷载与变形的数据通过数据采集仪采集,根据应力应变曲线可计算弹性模量。拉伸特性测试也在早龄期进行,具体为：24、30、36、42、48、72 h。其中,72 h时混凝土强度已较高,当达到极限荷载后会发生突然破坏,PI型变位计无法及时记录其破坏时的应变变化,因此,72 h时未测试混凝土试件的极限拉伸应变和拉伸弹性模量。

1.4 干燥收缩

干燥收缩的测试方法参照文献[10]进行。测试所用试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体,测试环境的温度为(20±2) ℃,相对湿度为(60±5)%。混凝土试件浇筑后,立即用塑料薄膜密封表面,以防水分散失。试件养护至终凝时拆模,终凝时间测试方法按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T 50080—2016)》规定进行。拆模后,混凝土试件直接暴露在空气中,并置于铁板上,试件底部垫有特氟龙片,以降低混凝土试件与铁板之间的摩擦。收缩变形通过位移传感器测得,起测时间为混凝土终凝后0.5 h,变形数据通过数据采集仪收集与记录。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰混凝土抗压强度和劈裂强度

两种粉煤灰混凝土的抗压强度经时变化见图1。由图1可知,从3 d龄期开始,FA30-0.46和FA40-0.42的抗压强度发展趋势相近,但FA40-0.42的抗压强度在不同龄期均略高于FA30-0.46。虽然FA40-0.42粉煤灰掺量较高,会降低混凝土的早龄期抗压强度,但是其水胶比较低,因此FA40-0.42的抗压强度反而略高于FA30-0.46。龄期为60 d时,FA30-0.46和FA40-0.42的抗压强度分别为53.5 MPa和56.8 MPa,两者抗压强度十分接近。同样,在早龄期,特别是3 d时,FA30-0.46和FA40-0.42的抗压强度分别为24.6 MPa和26.7 MPa, 两者更为接近。因此可以认为,FA30-0.46和FA40-0.42大致符合等强度的要求。

图1 粉煤灰混凝土抗压强度经时变化

图2为粉煤灰混凝土劈裂强度的经时变化。由图2可知,虽然FA30-0.46和FA40-0.42后期抗压强度相近,但是FA40-0.42的后期劈裂强度远高于FA30-0.46。随着龄期的增加,粉煤灰的火山灰效应不断发挥,能有效地改善混凝土中界面过渡区微观结构,增强界面过渡区粘结强度。这一效应宏观上能有效地提高混凝土的抗压强度和劈裂强度。其中,劈裂强度受界面过渡区粘结强度影响较抗压强度大,因此粉煤灰的火山灰效应对劈裂强度的增强效应更为显著。另一方面,FA40-0.42的水胶比更低,因此其劈裂强度也更高。混凝土的早龄期抗裂性能与其早龄期的力学性能直接相关。图3为粉煤灰混凝土在早龄期(<7 d)时劈裂强度的经时发展。从图3中可以发现,24 h时,由于FA40-0.42的粉煤灰掺量较高,因此其劈裂强度低于FA30-0.46,但是24 h后,由于水胶比较低,FA40-0.42的劈裂强度已高于FA30-0.46。劈裂强度越高,表明混凝土早龄期抗裂能力越强。

图2 粉煤灰混凝土长龄期劈裂强度经时变化

图3 粉煤灰混凝土早龄期劈裂强度经时变化

2.2 粉煤灰早龄期拉伸特性

粉煤灰混凝土拉伸特性测试的结果见图4～6。FA30-0.46和FA40-0.42的早龄期拉伸强度的经时变化见图4。轴向拉伸强度测试结果与劈裂强度测试结果略有不同。在极早龄期(<48 h),由于粉煤灰掺量高,FA40-0.42的轴向拉伸强度均低于FA30-0.46；48 h龄期之后,两者轴向拉伸强度基本相同。劈裂强度则是24 h后FA40-0.42已高于FA30-0.46。这一差别应与测试方法的不同有关,但是总体而言,两种拉伸强度共同的趋势为：在极早龄期,FA40-0.42拉伸强度低于FA30-0.46,但是随着龄期的增长,FA40-0.42拉伸强度与FA30-0.46相近或比FA30-0.46略高。这一临界龄期在24～48 h之间。因此,从拉伸强度角度而言,极早龄期(<48 h),FA40-0.42的抗裂能力低于FA30-0.46,而后随着水化的进行,FA40-0.42的抗裂能力优于或相近于FA30-0.46。

图4 粉煤灰混凝土早龄期拉伸强度经时变化

混凝土的早龄期抗裂能力除了与拉伸强度有关以外,与混凝土本身极限拉伸应变也直接相关。图5为FA30-0.46和FA40-0.42的早龄期极限拉伸应变。从图5中可以发现,24 h时,FA30-0.46的极限拉伸应变远高于FA40-0.42,而后两者极限拉伸应变较为接近,但是仍是FA30-0.46略高于FA40-0.42。因此,假设在同等受拉条件下,FA30-0.46的变形能力较FA40-0.42高,其抗裂能力也优于FA40-0.42。

图5 粉煤灰混凝土早龄期极限拉伸应变经时变化

混凝土早龄期的弹性模量直接决定了混凝土内部拉伸应力发展,因此也对混凝土的早龄期抗裂性能有重要影响。FA30-0.46和FA40-0.42的早龄期拉伸弹性模量发展见图6。由图6可知,在早龄期(<48 h),FA30-0.46的拉伸弹性模量高于FA40-0.42,即在同样应变的情况下,FA30-0.46中产生的拉伸应力将高于FA40-0.42。因此从这一角度分析,FA30-0.46较高的拉伸弹性模量是对其抗裂性能不利的。

2.3 粉煤灰混凝土干燥收缩性能

由于混凝土在早龄期水化发展快,且含水率高,因此在早龄期,混凝土干燥收缩发展最为迅速。这是导致混凝土早龄期开裂的主要驱动力之一。FA30-0.46和FA40-0.42的干燥收缩发展历程见图7。由图7可知,混凝土干燥收缩早期发展极快,后期发展速率减缓,但仍在不断增长。对比而言,FA30-0.46的干燥收缩大于FA40-0.42。由此可见,等强度条件下,掺加粉煤灰有助于降低混凝土的干燥收缩。粉煤灰本身力学性能较高,因此在混凝土中可以发挥微集料效应,从而降低混凝土的收缩。从抗裂角度而言,FA40-0.42干燥收缩低,因此同等条件下其开裂风险应低于FA30-0.46。

图7 粉煤灰混凝土干燥收缩发展

2.4 等强度粉煤灰混凝土抗裂性能分析

实际工程中,混凝土抗裂性能并非由单一因素或单一指标就可以确定,而是需要考虑混凝土力学性能、热学性能和变形性能等因素的交互影响。本文测试了等强度粉煤灰混凝土FA30-0.46和FA40-0.42的基本力学性能(抗压强度、劈裂强度)、早龄期拉伸特性(拉伸强度、极限拉伸应变和拉伸弹性模量)和干燥收缩性能等与混凝土抗裂性能直接相关的关键材料性能,以期综合分析等强度条件下粉煤灰混凝土的抗裂性能。

混凝土早龄期干燥收缩是其发生开裂的驱动力,相较而言,FA40-0.42的干燥收缩小于FA30-0.46。因此,等强度条件下,粉煤灰掺量的增加降低了混凝土早龄期开裂的驱动力,有利于提高混凝土的抗裂能力。另一方面,混凝土的拉伸强度和极限拉伸应变表征了混凝土抵抗开裂的能力。总体而言,在极早龄期(<48 h)时,FA30-0.46的拉伸强度和极限拉伸应变均高于FA40-0.42,因此极早龄期时,FA30-0.46抵抗开裂的能力高于FA40-0.42。48 h后FA30-0.46和FA40-0.42的拉伸强度基本相同,此时两者抗裂能力相近。此外,由测试结果可知,FA30-0.46的拉伸弹性模量高于FA40-0.42,这对其抗裂性能是不利的。综合而言,相较于FA40-0.42,FA30-0.46的拉伸强度和极限拉伸应变较高,但是其拉伸弹性模量和干燥收缩也较大。因此,等强度条件下,FA30-0.46和FA40-0.42抗裂性能应相近,进一步的对比需结合混凝土实际服役条件进行分析。

3 结 语

粉煤灰混凝土已广泛应用于各类基础工程中。本文研究对比了掺量分别为30%和40%的等强度粉煤灰混凝土的早龄期拉伸特性和干燥收缩性能,并对其抗裂性能进行了分析。结果如下：FA30-0.46和FA40-0.42抗压强度发展趋势相近,FA40-0.42抗压强度略高于FA30-0.46；24 h时,FA40-0.42的劈裂强度略低于FA30-0.46,但是后期,FA40-0.42的劈裂强度高于FA30-0.46；在极早龄期(<48 h)时,FA30-0.46的拉伸强度、极限拉伸应变和弹性模量均高于FA40-0.42,48 h后FA30-0.46和FA40-0.42的拉伸强度基本相同； FA30-0.46的早龄期干燥收缩高于FA40-0.42。综合分析,等强度条件下粉煤灰掺量30%和40%的混凝土，FA30-0.46和FA40-0.42的早龄期抗裂性能应相近。