早期强度对混凝土抗裂性能的影响研究

廖鸿清

（泉州市建邦混凝土开发有限公司， 福建 泉州 362011）

1 试验原材料及方法

1.1 试验材料

本次实验中，总共探究了三种添加物对混凝土强度和抗裂性能的影响。这三种添加物分别为粉煤灰（F类Ⅱ级）、硅粉（微硅粉）和矿渣粉（S95级）。同时，用于实验的水泥为普通硅酸盐水泥，其型号为P·O42.5。他们的物理性质如下表1到表4所示。为了使实验数据更加便于观测，还使用了减水率在35%以上的高性能减水剂和葡萄糖酸钠型缓凝剂。

表 1 水泥物理性质

表 2 粉煤灰品质指标

表 3 矿渣粉物理性质

表 4 硅粉的品质指标

1.2 试验方法

本次实验大致上可以分为四个模块，每一个模块的实验进行所参照的依据不同，使用的方法各异。具体如下。（1）探究混凝土抗裂性能以及强度增长速率。在该模块中，笔者主要是参照了普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（2009）》，以此为依据开展相关实验。并详细记录了实验过程中的相关数据。（2）确定添加物最佳添加比例。本模块主要使用了限制圆环开裂方法并辅以正交实验法。（3）水泥水化硬化进程模拟。《水泥水化热测定方法》中有明确的实验方法和步骤以及对应的注意事项。（4）通过实验步骤（1）和（3）的对比来推断早期强度对混凝土抗裂性能的影响。

2 试验结果及分析

2.1 单掺掺合料对混凝土开裂及强度影响

如下表5所示，表示基于不同配合比下各种添加物不同时间节点下混凝土立方体抗压强度及规律以及单位中开裂面积，其中粉煤灰浓度为 25%、20%、15%、10%分别对应F4、F3、F2、F1；单掺矿渣粉40%、30%、20%、10%分别代表K4、K3、K2、K1；单掺硅粉10%、7%、4%、0%分别代表G4、G3、G2、G1。实验结果见表5：

表 5 不同粉煤灰、矿渣和硅粉掺量混凝土开裂及强度情况

通过上述试验可知：

（1）掺量范围在 10%到 40%时，粉煤灰和矿渣粉的掺量越大那么总开裂面积整体上呈现出减小的趋势。而当硅粉的掺量范围为 0%到 10%时，硅粉掺量越大总开裂面积越大。

（2）在3d时，添加矿渣粉、粉煤灰的混凝土强度显著低一些，达到7d后强度比较适中。在3d时，添加硅粉的混凝土强度比较适中，然而达到7d后强度较高。通过分析，主要是由于矿渣粉的潜在水硬性和粉煤灰的火山灰性，在水泥水化硬化早期，矿渣粉和粉煤灰几乎不会参加水化反应；硅粉比表面积大，是非结晶球形结构，具有较强的火山灰活性。

（3）在其他条件保持一致的前提下，如若矿渣粉和粉煤灰的掺量相同，则矿渣粉混凝土的强度要强一些，造成这种差异的原因在于两种掺合料的生产工艺有所不同，导致矿渣粉的活性比粉煤灰高。

（4）对各种材料不同掺量的开裂面积极差分析，结果见表6。表中数据反映，在不同掺量影响下，混凝土抗裂性主次顺序为：硅灰→粉煤灰→矿渣粉。同时，粉煤灰和矿渣粉接近，硅灰影响极大。

表 6 各种材料不同掺量开裂面积极差分析

（5）混凝土开裂面积小对应早期强度也较低。为了提升混凝土的抗裂能力，需要对混凝土早期强度增长速率加以有效的控制。其原理不外乎是水泥水化硬化。混凝土在硬化过程中，塑性失水、干燥、降温等原因都会使其收缩，而如果收缩速率过快或者收缩量过大，超出了材料本身能够承受的极限，则出现裂缝。在水泥水硬化反应中，混凝土由塑性材料逐渐向脆性材料进行转变。在前期阶段，混凝土接受变形能力大、弹性模量低；在后期阶段，混凝土接受变形能力小、弹性模量高。

2.2 复掺掺合料对抗裂性能影响

硅粉选择10%、7%、4%、0%，粉煤灰选择20%、15%、10%、0%、矿渣粉选择30%、20%、10%、0%进行5因素4水平限制性抗裂圆环试验。实验结果如表7所示：

表 7 水泥净浆圆环正交抗裂试验结果

9 15 0 7 390 75 0 35 125 1（55） 0 0 55 10 15 10 10 325 75 50 50 125 1（36） 1（39） 0 11 11 15 20 0 325 75 100 0 125 1（48） 0 0 48 12 15 30 4 255 75 150 20 125 1（37） 1（41） 0 14 13 20 0 10 350 100 0 50 125 1（15） 0 0 15 14 20 10 7 315 100 50 35 125 1（22） 1（24） 0 -18 15 20 20 4 280 100 100 30 125 1（32） 1（36） 0 4 16 20 30 0 250 100 150 0 125 1（64） 0 0 64

由上表可知，如若只考虑混凝土的抗裂性能，则相应的选择硅灰 0%、粉煤灰20%和矿渣30%的混合比例；如若需要将抗裂性能和强度同时考虑进来，则设置硅灰为7%、粉煤灰为15%和矿渣为0%的比例。

2.3 掺合料对混凝土强度及水化放热影响

分析上一个章节的试验结果，复掺30%矿渣和20%粉煤灰，对水泥净浆圆环抗裂效果最佳，复掺 7%硅灰和 15%粉煤灰的效果次之。为了深入对混凝土不同龄期强度规律和抗裂性能进行探讨，增加基准配合比、7%硅灰和15%矿渣复掺、单掺7%硅灰、单掺15%粉煤灰和单掺15%矿渣，对3d、7d、28d的水泥基材料的水化热、混凝土龄期强度和限制性圆环收缩开裂时间进行测试。为了对混凝土早期强度增长速率对混凝土抗裂性能的影响进行分析，通过掺加 0.05%葡萄糖酸钠缓凝剂，对早期强度增长速率进行调控，以此来提升混凝土抗裂水平。针对不同龄期强度的混凝土，采取对应的抗压强度方法进行测试。采取限制性圆环收缩开裂方法测试开裂时间，使用水泥基材料净浆试验。以序号9为例，胶凝材料500g，其中水125g、水泥390g、缓凝剂0.25g、粉煤灰75g和硅粉35g。试验结果如以下几点：

（1）设置硅灰为7%、粉煤灰为15%、矿渣为0%的比例，限制性圆环抗裂敏感性开裂时间 55h，掺加 0.05%葡萄糖酸钠缓凝剂，对混凝土早期强度增长速率进行控制，对水泥水化进程进行延缓，将限制性圆环抗裂敏感性开裂时间提升至78h。

（2）单掺 7%硅灰的限制性圆环收缩开裂时间为 8h，基于单掺硅灰为7%，另外掺加粉煤灰15%，对早期强度增长速率进行控制，将限制性圆环开裂的时间延长至55h。

（3）对比分析水泥基材料的水化快慢规律一致、限制性圆环开裂时间早晚和混凝土龄期强度速率大小。因此，通过对混凝土早期强度增长速率进行控制，可以对水泥水化放热波峰进行削弱，促进水泥水化的进程，将限制圆环开裂的时间延缓，有效提升混凝土的抗裂水平。

（4）通过控制混凝土早期强度增长速率，可以对水泥水化的过程进行延缓，降低过程中的放热峰值，防止放热过快导致的温度过高。均匀放热有助于维持内部温度。降低由温度应力导致的温度应力。同时，如果水化速率过快，那么在短时间内混凝土内部的湿度也将大幅降低，随之出现的干燥变形对于混凝土的强度也有所影响。因此，为了防止混凝土开裂，应该对其加以控制。

3 结论

（1）通过单掺 10%硅粉，可以对混凝土工艺性能进行改善，将单位总开裂面积提升至715mm2/m2；通过单掺40%矿渣，可以对混凝土工艺性能进行改善，将单位总开裂面积降低至29mm2/m2；通过单掺25%粉煤灰，可以对混凝土工艺性能进行改善，将单位总开裂面积降低至18mm2/m2。

（2）按本文粉煤灰掺量、矿渣掺量与硅灰掺量对混凝土抗裂性影响主次顺序为：硅灰→粉煤灰→矿渣。同时，粉煤灰和矿渣粉接近，硅灰影响极大。

（3）通过复掺7%硅灰、15%粉煤灰和0%矿渣，导致混凝土抗裂敏感性达到最差，降到55h，通过参加0.5%葡萄糖酸钠缓凝剂，对混凝土早期强度增长速率进行延缓，可以提升混凝土抗裂敏感性至78h。

（4）通过单掺7%硅灰，可以对混凝土的力学性能进行改善，混凝土28d抗压强度从51.1MPa升至62.8MPa，但限制性圆环开裂时间只有8h。在单掺7%硅灰的基础上，掺加15%粉煤灰控制早期强度增长速率，延长限制性圆环开裂时间从8h升至55h。