不利环境下水工混凝土抗裂性试验研究

张成哲

（营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000）

中国东北地区具有干燥少雨、受盐渍土侵蚀、昼夜温差大等特点，这种不利环境对水工构筑物耐久性能构成严重影响。混凝土水化放热引起的内部温度场变化以及所处环境的昼夜温差极易导致混凝土收缩开裂，加之东北沿海地区土壤含有大量等侵蚀性离子，水工构筑物长期处于盐渍土环境下，其内部缺陷或裂缝会加速有害离子的侵蚀，使得混凝土耐久性明显下降[1-3]。因此，有必要深入探讨盐渍土大温差不利环境下的混凝土耐久性能。

有研究表明，掺入适量的矿物掺合料有利于促进水泥水化，在一定程度上降低混凝土的收缩开裂风险[4-8]。周白林等[9]通过对比试验探讨了矿物掺合料的影响作用，结果显示复掺5%硅灰+30%矿渣+15%粉煤灰的抗侵蚀能力最优；魏亚等[10]试验探讨内养护和普通混凝土的性能差异，结果表明内养护技术难以有效改善混凝土的抗裂性；王洪生等[11]以10%、20%、30%粉煤灰定量替代水泥，通过开裂试验发现粉煤灰掺量越高则混凝土的抗裂性能越好；陈有亮等[12]认为混凝土的弹性模量、峰值应力、力学性能均随着高温循环次数的增多和温度的升高而降低；田帅等[13]研究认为适量的矿粉和粉煤灰可以显著改善混凝土抗氯离子侵蚀性能，但会降低其抗冻性能。通过分析现有文献资料，综合考虑盐渍土、大温差不利环境下水工混凝土抗裂性能的研究还鲜有报道。因此，文章应用环境试验箱模拟盐渍土侵蚀及大温差不利环境，探讨不同矿粉和粉煤灰掺量各龄期混凝土力学性能、抗裂性能和微观结构变化特征，旨在为北方严寒及其它不利环境下矿物掺合料水工混凝土的应用提供一定参考。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

1）水泥：山东山水水泥集团有限公司生产的P·O42.5 级水泥，比表面积375m2/kg，初、终凝时间195min 和248min，3d、28d 抗压强度32MPa和56MPa，抗折强度6.6MPa 和8.9MPa。

2）矿物掺合料：绥中电厂生产的F 类Ⅰ级粉煤灰，细度5.7%，需水量比98%，比表面积286m2/kg，密度2.30g/cm3，含水量0.50%，烧失量1.2%；大连亚泰科技新材料股份有限公司生产的S95 级矿粉，比表面积429m2/kg，密度3.10g/cm3，含水量0.25%，烧失量4.6%，7d、28d 活性指数85% 和108%，各项性能指标均符合现行规范要求。

3）粗细骨料：粒径5～20mm 的天然碎石，表观密度2770kg/m3，坚固性1.0%，压碎指标7.5%，细度模数2.5 的天然河砂，表观密度2650kg/m3，石粉含量忽略不计。

4）外加剂：苏博特PCA®-Ⅰ聚羧酸高效减水剂，经检测减水率28%。

5）拌合水：当地自来水。

1.2 配合比

依据试验目的和《水工混凝土配合比设计规程》初步设计出4 种不同矿物掺合料掺量的混凝土，设计水胶比0.42，用矿粉和粉煤灰等量替代水泥。水工混凝土配合比，见表1。

表1 水工混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1）试验条件。水工混凝土试件的制备严格按照《水工混凝土试验规程》执行，具体流程如下：将预先称量好的原材料倒入SJD-60 搅拌机内，干拌120s 加入减水剂，再混合搅拌120s 倒出装入试模，机械振捣以保证内部密实性，为防止试模表面水分散失用塑料薄膜覆盖，并编号标记。24h 成型后拆模，然后将混凝土试件置于环境模拟试验箱。控制试验箱内的温度为-5～40℃，湿度40%，一个循环周期内包括5h 低温(-5℃)、6h 高温(40 ℃) 恒温段和8h 升温(-5～40 ℃)、5h 降温(40～-5℃)变温段，循环周期24h，配制5%Na2SO4+3%NaCl 复合溶液，为模拟盐渍土侵蚀环境试验选用喷雾洒水的方式。环境模拟试验箱内部结构，见图1。

图1 环境模拟试验箱内部结构

2）测试方法。水工混凝土的抗压与抗折强度测试方法参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》，抗压试件为100mm×100mm×100mm 立方体，采用WHY-2000 微机控制压力试验机测试各组试件的抗压强度；抗折试件为400mm×100mm×100mm棱柱体，利用相同试验机按“四点加载法”测试各组试件破坏时的峰值荷载，并计算确定其抗折强度。混凝土的断裂性能测试方法参考《水工混凝土断裂试验规程》，断裂性能测试试件为515mm×100mm×100mm 棱柱体，按照三点弯曲加载试验法利用WAW-1000 型万能试验机进行测试，详细流程为：试验之前先测量混凝土试件的预制裂缝长度、质量、形状尺寸等参数，试验时采用夹式引伸计、位移传感器和荷载传感器测量试件的裂缝张开口位移值、跨中挠度及断裂荷载，结合测量数据利用下式计算出断裂能

式中：m、g、δ0为加载垫块与试件总质量，kg；重力加速度以及试件断裂时的变形值，g取9.81m2/s；A、W0为断裂带横截面积，m2；挠度与荷载曲线围成的面积，N/m。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下各组混凝土不同龄期抗压强度，不利环境下混凝土抗压强度，见图2。结果显示，龄期3d 时A0 组混凝土抗压强度最高36.1MPa，A3 组混凝土抗压强度最低29.3MPa，3～14d 期间A3 组混凝土抗压强度增速最快，强度增长率较A0 组提高164.7%；14～28d 期间A3 组混凝土强度增速逐渐放缓，而其它组增速较快；A1、A2、A3 组试件28d 抗压强度达到A0 组的86.46%、90.97%、88.89%，均小于未掺矿物掺合料的A0 组，这表明在盐渍土侵蚀和大温差环境下矿物掺合料的掺入会降低抗压强度，但降幅不大。

图2 不利环境下混凝土抗压强度

模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下各组混凝土不同龄期抗折强度，不利环境下混凝土抗折强度，见图3。结果显示，随着龄期的增大混凝土抗折强度逐渐增加，龄期3～14d 时A0 基准混凝土抗折强度均高于掺矿物掺合料组，A1、A2、A3 组试件28d 抗折强度达到A0 组的95.74%、102.13%、104.26%，掺矿物掺合料组总体高于基准混凝土的抗折强度增长率，约为基准组的2 倍。

图3 不利环境下混凝土抗折强度

2.2 抗裂性能

模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下龄期28d 时各组混凝土裂缝张开口位移—荷载关系线，裂缝张开口位移-28d 荷载关系线，见图4。结果显示，掺矿物掺合料组的裂缝张开口位移—荷载关系线上升段斜率低于A0 组，下降段斜率相差不大并最终趋于平稳，相比于其它掺矿物掺合料组A3 组的裂缝张开口位移—荷载关系线下降段更加平缓，但各组的关系曲线整体相差不明显，应结合SEM 微观结构、断裂能和荷载峰值进一步探讨混凝土的抗裂性能。

图4 裂缝张开口位移-28d 荷载关系线

模拟盐渍土侵蚀和大温差环境下各龄期混凝土断裂荷载峰值，混凝土断裂荷载峰值，见图4。结果显示，随着龄期的延长混凝土荷载峰值逐渐增大，这说明28d 内持续水化提高了混凝土的宏观抗裂性能和力学性能；随着龄期的延长荷载峰值之间的差距不断减小，究其原因是矿粉和粉煤灰中的活性Al2O3、SiO2参与二次水化，从而减小了内部孔隙率，改善了界面过渡区的粘结，促使抗裂性能具有较快的增长速率。另外，除A3 组28d 龄期略高于A0 组的断裂峰值荷载外，其余组各龄期的断裂荷载峰值均小于A0 基准组，究其原因是初期矿粉和粉煤灰活性较低，从而限制了早期抗裂性能和强度的发展。总体而言，在盐渍土侵蚀和大温差环境下虽然掺入矿物掺合料会在一定程度上限制早期混凝土抗裂性能的发展，但其提高后期抗裂性能的积极作用更为显著。

采用计算公式(1)确定不同龄期各组混凝土的断裂能GF，混凝土断裂荷载峰值，见图5。结果显示，初期A0 组混凝土的断裂能较高，随着龄期的延长其增速明显放缓，基准混凝土的断裂能增长速率均低于掺矿物掺合料组；基准混凝土龄期28d 时的断裂能均小于掺矿物掺合料组，具体而言A3 组的断裂能最高较基准混凝土高出50.74%，故盐渍土侵蚀和大温差环境下掺入适量矿物掺合料能够改善混凝土的抗裂性能。究其原因，矿物掺合料的掺入相当于减少了水泥用量，这在一定程度上降低了水化放热以及大温差循环下的温差应力，从而降低了内部缺陷和开裂风险；另外，矿粉与粉煤灰的二次水化有利于减少内部孔隙或缺陷，从而提高了混凝土密实度和抗裂性能。混凝土断裂荷载峰值，见图6。

图5 混凝土断裂荷载峰值

图6 混凝土断裂荷载峰值

2.3 微观结构

通过SEM 扫描电镜观测A0 组和A3 组混凝土微观结构，结果发现A0 组混凝土含大量裂缝、孔隙和水化产物团簇，而A3 组发现少量钙矾石，这是由于矿粉和粉煤灰的微集料效应可以填充混凝土内部孔隙，使得结构整体更加密实；A0 组混凝土具有较高的孔隙率，这使得水化产物与更多的反应生成钙矾石晶体。通过观察发现水化产物、水泥及粉煤灰颗粒呈黏结状态，由此认为矿物掺合料的掺入可以减少内部孔隙，从而改善混凝土抗裂性。龄期3d 时骨料与水泥浆体之间发现宽度明显的裂缝，而水化28d 时宽度减小，说明富集于界面过渡区的Ca(OH)2发生反映省了石膏、钙矾石等膨胀性物质，从而改善了界面过渡区性能和混凝土的抗裂性能[15-19]。

3 结论

1）掺矿粉、粉煤灰组的28d 抗压强度为基准对照组的86.46%～90.97%，前14d 基准混凝土抗折强度整体高于掺矿物掺合料组，但3～28d 期间掺矿物掺合料组总体高于基准混凝土的抗折强度增长率，约为基准组的2 倍。

2）在盐渍土侵蚀和大温差环境下虽然掺入矿物掺合料会在一定程度上限制早期混凝土抗裂性能的发展，但其提高后期抗裂性能的积极作用更为显著。随着龄期的延长混凝土断裂荷载峰值和断裂能均逐渐增大，掺20%矿粉+15%粉煤灰组的抗裂性能最高。

3）结合SEM 扫描电镜观测结果，随着龄期的延长水化产物逐渐转变成稳定层状结构，矿物掺合料的掺入可以明显减小28d 界面过渡区裂缝宽度。