胶凝材料性能对面板混凝土抗裂性能的影响研究

张永伟 王成祥 李双喜

摘要：混凝土面板是典型的薄、长条板状结构，非常容易出现裂缝与断裂现象。进一步提升混凝土面板抗裂性能成为研究者们亟待解决的问题。因此本文通过限制性圆环抗裂试验和干缩试验，研究水泥品种、粉煤灰掺量和水胶比对混凝土抗裂性能影响。

关键词：胶凝材料;性能;面板混凝土;抗裂性能;影响

1.引言

为提高面板混凝土抗裂性能，从混凝土开裂机理出发，研究混凝土断裂、裂缝成因，通过限制性圆环收缩开裂和正交试验方法，研究水泥种类、粉煤灰掺量和水胶比对混凝土面板抗裂性能影响，并结合混凝土的收缩性能、电镜扫描（SEM）分析水化产物，分析、阐释混凝土面板抗裂性能的机理。

2.原材料及试验方法

2.1原材料

水泥：采用新疆全荣建材有限公司生产的42.5 P.O、42.5 P.MSR和42.5P.HSR。

粉煤灰：采用新疆克拉玛依电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，物理性能指标见表。

2.2试验方法

本文通过限制性圆环收缩开裂和干缩试验方法，进行水泥混凝土强度、收缩性及抗裂性试验，研究水泥品种、粉煤灰掺量和水胶比对混凝土抗裂性能影响。

限制性圆环收缩开裂试验依据CCES 01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。

干缩试验依据JC/T 603-2004中胶砂干缩试验方法进行。

采用RH.BOGUE方法，计算不同胶凝材料中的C3A与C3S含量;同时，研究C3A与C3S含量对混凝土抗裂性能的影响，并结合扫描电子显微镜（SEM）分析胶凝材料水化形貌图，阐释混凝土面板抗裂性能的机理。

3.试验方案及结果分析

3.1限制性圆环抗裂试验

试验方案及结果见表1。

通过表1可知，当水胶比在0.33～0.39范围时，随着水灰比的增大，混凝土面板的抗裂效果越好;当粉煤灰掺量在25%～35%范围时，粉煤灰掺量越高，混凝土面板抗裂性越好。

通过极差和方差分析可知，水胶比和粉煤灰对混凝土面板抗裂效果显著。对混凝土面板抗裂性能影响排序为：水胶比（w/c）最大，粉煤灰掺量影响次之，水泥的类型影响最小。适度高水胶比会改善混凝土塑形失水收缩变形，混凝土内部水分通过渗水通道补充表面塑形失水并降低塑形变形;低水胶比必然导致混凝土内部湿度降低，增大混凝土自生干燥收缩变形。因此，水胶比在0.33～0.39范围内，水胶比越高水泥净浆抗裂效果越好。

3.2水泥胶砂干缩试验

4.机理分析

基于以上性能试验结果，进行电镜扫描的微观测试，观测粉煤灰在混凝土中的水化微结构，进而对混凝土抗裂性能宏观结果的验证可知，粉煤灰在早期龄期时无水化物质生成，延缓了混凝土早期强度的增长速率，使得发生在混凝土水化硬化前期阶段的塑性失水收缩、自生干燥收缩和温度收缩等得到了一定的延缓，改善了混凝土的抗裂性能。随着龄期的延长，混凝土中的粉煤灰开始水化，混凝土强度持续增强，抵抗变形能力增强，抗裂性能逐步提高。

水泥中的C3S和C3A影响着混凝土的力学性能和收缩性能，随着C3S和C3A含量的增加，水泥的水化进程加快，使得强度快速增长，但收缩变形也快速增大，由此增加了混凝土的开裂风险。对不同粉煤灰掺量和不同水泥品种配制的混凝土中C3S和C3A含量展开定量分析，以此揭示水胶比、粉煤灰、水泥品种对混凝土抗裂性能的影响机理，定量计算结果见表4。

由表4和图1、图2分析发现，粉煤灰的掺量对混凝土干缩变形影响较大，具体表现为：粉煤灰掺量越大，水泥混凝土中的C3S和C3A含量就越低，混凝土抗干缩性能越好。当水泥混凝土中粉煤灰掺量越小，C3S和C3A的含量越高，抗干燥收缩变形能力增强。这是因为（1）水泥基胶凝材料中的C3S和C3A的会影响水化速率，含量越高混凝土中的水份消耗越快，水化速度越快，混凝土内部的湿度随之降低，产生裂缝;（2）混凝土水化过程过快，易导致内部水分往表面的迁移的通道被堵塞，混凝土表面得不到水分养护产生收缩变形，进而由内到外形成微裂缝，当水泥混凝土继续收缩变形，微裂缝易出现应力集中，当超过了的承载能力混凝土面板断裂。

5.结论

（1）通过限制性圆环收缩开裂试验和正交试验方法研究发现，水胶比和粉煤灰对混凝土面板抗裂效果显著，对混凝土面板抗裂性能影响排序为：水胶比最大，粉煤灰掺量影响次之，水泥的类型影响最小。当水胶比在0.33～0.39范围时，随着水灰比的增大，混凝土面板的抗裂效果越好;当粉煤灰掺量在25%～35%范围时，粉煤灰掺量越高，混凝土面板抗裂性越好。

（2）使用普通硅酸盐水泥配制的混凝土掺入30%的粉煤灰时干缩率最小;使用高抗硫硅酸盐水泥配制的混凝土掺入35%的粉煤灰时干缩率最小。相同粉煤灰掺量下，高抗水泥混凝土干缩率比普硅水泥混凝土干缩率小。

（3）粉煤灰在早期龄期时无水化物质生成，粉煤灰延缓了混凝土早期强度的增长速率，改善了混凝土的抗裂性能。但随着龄期的延长，混凝土中的粉煤灰开始水化，混凝土强度持续增强，抵抗变形能力增强，抗裂性能逐步提高。

（4）混凝土中粉煤灰掺量越大，胶凝材料中的C3S和C3A含量越低，水泥胶砂的干缩变形越小。

参考文献：

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