矿物掺和料对混凝土早期收缩开裂性能的影响

赵晨阳，陈征征，李志伟

宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000

0 前言

在大量工程实践中，混凝土早期开裂一直是科研人员关注的重点以及难点，它不仅有对项目后期经济方面的影响更对建筑物使用寿命造成巨大的冲击。对此，海内外专家做了许多的研究。赵联桢［1］研究了多种矿物掺和料对混凝土早龄期收缩、开裂性及其力学性能等影响并自制了一套自收缩的装置以供研究。乔艳静［2］经过一系列实验来判断矿物掺和料对混凝土收缩开裂性能的影响，得出的试验结果能够证明矿物掺和料对混凝土早期收缩开裂有很大的提升，随着掺合料的增加效果有明显上升的趋势。许国东［3］主要研究了在不同因素环境耦合下大掺量矿物对混凝土早期开裂行为的影响，包括早期水化历程和早期抗力等。总所周知，粉煤灰和矿渣是大宗量的工业废渣，如果不能良好加以利用会造成大量资源浪费以及经济损失。但矿物掺和料对混凝土早期开裂性能影响十分复杂，此前的研究结果应无法统一，所以正确评价估计矿物掺和料对未来代胶材料发展有很明显推进作用。

1 混凝土早期收缩与开裂的关系

1.1 混凝土收缩的类型

混凝土的收缩是由于其在混凝土内部出现了凝结固化以及在早期养护过程中发生的化学反应或水份流失变化和内外温度差等所造成的体积减小的现象。根据形成收缩的因素类型一般可以分为自收缩、塑性收缩、干燥收缩、温度收缩、碳化收缩和化学收缩等情况。

表1 各类收缩类型以及定义

由表一可以大致了解各类收缩的定义，关于自收缩定义仍没有较为统一的说法，其中较为严谨为日本混凝土协会（Japanese Concrete Institute，JCI）解释的自收缩定义：在初始凝固之后在水泥水化过程中发生的表观体积减小不包括由物质本身的增加或减少，温度变化，外部载荷或约束引起的体积变化。自收缩可以表示为体积减少的百分数即“自收缩率”，或表示为长度的一维变化即“自收缩应变”［1］。其诠释的定义不但强调了自身收缩还强调了收缩时间的局限。目前对于自收缩的测量大都从养护后1d 开始但自收缩从水化开始时就已经再进行中，所以规定时间节点是十分有必要的。对于大体积混凝土来说温度收缩最需注意，一般来说高强度混凝土中水化热容易在工程结构中聚集并且不易发散，从而产生的温度梯度进而产生热膨胀导致混凝土产生裂缝。

1.2 混凝土早期收缩与开裂的关系

混凝土在早期养护硬化，其内部会发生剧烈的变化包活水泥基材料的水化反应以及相关的化学反应，随着时间的变化，反应速率会降低，所以针对其收缩开裂的研究大致在混凝土养护的第一周至第二周的期间最易。而在混凝土早期水凝硬化时其自身重量以及外界施加的荷载大都作用在支撑结构上并不会对整体造成主要的裂缝，在早期混凝土塑性较强所以说大部分的早期裂缝是由于收缩变形而产生的不良结果。而后期产生的对结构造成危害性的裂缝大都是因为早前期裂缝在外界荷载作用下发展而成继而发展成贯通性裂缝。所以说对于防治早期开裂的问题是十分有必要的。

2 混凝土收缩开裂试验方法

在工程实践中，混凝土开裂一般与混凝土自身固有属性和结构几何外观以及外界约束情况这两方面有关，现基本采用平板法、圆环法、棱柱体法。

2.1 平板法

此种方法由美国的美国密西根州立大学Parviz Soroushian的研究小组［4］提出的隆起钢板约束的平板式实验装备由下图1所示。此装置用于560mm×365mm×114mm 的试件，装置的工作原理是由薄钢板弯起波浪形提供约束，其可以研究混凝土与砂浆塑性收缩和干燥收缩造成的开裂，需在相对湿度 40%，温度37℃，并且需连续 3 小时，观察并记录裂缝的宽度和长度。

2.2 圆环法

此类方法最初由美国麻省理工学院所提议的由下图2 所示，此装备依据应变突变来确定混凝土圆环的开裂时间。按照测量裂缝的长度与宽度，混凝土的抗裂性能用裂缝的开裂面积（或宽度）来表示。和平板法相比，圆环法能够给试块供应一个均匀的约束，符合在工程实践约束下混凝土试块收缩与应力松弛的复合作用影响圆形试块的抗裂性能，可以有效地评定其抗开裂性能。

2.3 棱柱体法

最初由德国慕尼黑技术大学所提出后经各国试验团队不断创新此类方法用于混凝土试块至浇注后的早龄期阶段自身的水化热导致温升、热膨胀系数、力学性能等不同的参数随时间而产生的变化情况，及其对其初龄期开裂敏感度等综合测试。通过测量试件在不同温度变化的情况下和不同约束程度下（0—100%）产生的应力、应变及其发展全过程以致断裂时的温度、应力等参数，评价混凝土的抗开裂性能。

图1 平板式试验装置

图2 圆环法式试验装置

图3 棱柱体法试验装置

3 粉煤灰、矿渣对混凝土开裂的影响

在粉煤灰、矿渣作为矿物掺和料等量取代水泥材料方面，前人已作出了大量的研究，综合前人研究来看矿物掺和料对混凝土影响规律复杂，正负效应掺杂，对同一种材料研究都可能出现不同甚至相反的结论。粉煤灰颗粒的特殊构造在后期发挥了微集料效益［5］会在砂浆中起到润滑作用填补骨料中的孔隙而且由于粉煤灰成分与水泥主要成分相似，反应活性主要来自活性玻璃体SiO2、Al2O3的水化作用在一定碱性条件下生成具有水印胶凝性质的化合物，不同掺量下的粉煤灰对的混凝土的自收缩都会随时间的增加而增加，其原因是粉煤灰先不与水发生反应其水化速度较慢。根据这一特点可为工程实践中采取必要的措施控制自收缩提供了时间。矿渣在早期与粉煤灰相似也是先不与水反应在后期才会出现所谓“火山灰效应”，但因为矿渣的几何外形与研磨有关因此矿渣性能发挥不稳定，其二者混合则会出现优势互补物尽其用的效果。

4 小结

综上所述粉煤灰、矿渣等对混凝土试块其各种收缩的影响仍然存在大量的争议，其原因在于试验所用的材料及检测仪器的不同而影响试验结果。因此需早日规范试验仪器及试验方法来进一步完善研究。