矿物掺合料和钢纤维对水工混凝土性能影响研究

刘元刚

(庄河市水务行政执法队，辽宁 庄河 116400)

大体积混凝土在港口码头、地铁隧道、铁路桥梁及水利工程建设中的应用越来越广泛，在实际应用时无法避免地会出现混凝土裂缝问题，水工结构带裂缝服役的现象普遍存在[1]。水工混凝土结构和组成较为复杂，很多原因都会引起裂缝的形成，一般只要内部的拉应力大于其极限抗拉强度就会出现裂缝[2-3]。目前，为提高混凝土抗裂性能工程上大多选用调整配合比的方式，加入橡胶、外加剂、纤维和矿物掺合料可以有效降低其早期收缩，在一定程度上改善早期抗裂性能[4]。矿物掺合料和纤维作为重要组成材料，对于混凝土韧性和抗裂性能的改善作用非常明显，但是两者对提升抗裂性能的作用机理存在一定差异[5-7]。鉴于此，本文利用室内试验探讨了水工混凝土断裂性能、力学性能和工作性受不同钢纤维掺量、粉煤灰及硅粉掺量的影响，以期为高性能水工混凝土推广应用提供一定支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用中国葛洲坝集团生产的P·O 42.5级水泥，比表面积350 m2/kg，标准稠度27.0%，3 d、28 d抗压强度28.7 MPa和49.5 MPa；黑龙江火电公司提供的磨细Ⅰ级粉煤灰，需水量比96.7%，细度(45 μm)9.5%，烧失率1.2%；试验所用硅粉比表面积24 000 m2/kg，粒径95nm；外加剂用PCA®-Ⅰ聚羧酸高效减水剂，减水率28.5%，拌和水为当地自来水；市场上购买的多锚点钢纤维，抗拉强度≥1000 MPa，弹性模量220～240 GPa，等效直径500 μm，长度25 mm，断裂伸长率15%，密度7.6 g/cm3；骨料选用粒径5～25 mm的石灰岩碎石及浑河中砂，砂的含泥量1.0%，细度模数2.81。

1.2 配合比设计

根据水利工程结构特征和试验目的设计混凝土强度等级C60，减水剂掺量1.5%，砂率32%，钢纤维掺量0、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%，粉煤灰掺量10%、20%、30%，硅粉掺量0%、2%、4%、6%、8%，并结合实践经验确定配合比如表1。

表1 单方混凝土配合比设计 kg

1.3 试验方法

根据《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)和《纤维混凝土试验方法》(CECS 13—2009)进行各组试件弯拉与抗压强度、弯曲性能以及断裂性能测试，其中弯拉强度成型尺寸550 mm×150 mm×150 mm，抗压强度成型尺寸150 mm×150 mm×150 mm，弯曲韧性和断裂性能成型尺寸均为400 mm×100 mm×100 m，采用直接拉伸法进行断裂性能测试。

2 结果与分析

2.1 拌合物工作性能

新拌混凝土坍落度受10%、20%、30%粉煤灰和2%、4%、6%、8%硅粉以及0.6%、1.2%、1.8%、2.4%钢纤维掺量的影响如图1。由图1(a)可知，固定硅粉掺量不变时，新拌混凝土坍落度随粉煤灰掺量的增加呈现上升趋势，这是因为粉煤灰较水泥的需水量少，将其等量替代水泥后有利于改善拌合物和易性，使其保水性与黏聚性更好。另外，表面光滑的球状玻璃体粉煤灰颗粒具有润滑作用，在一定程度上会增大坍落度[8]。

图1 新拌混凝土坍落度

从图1(b)可以看出，在混凝土中掺入比表面积更大的硅粉能够在一定程度上降低拌合物流动性。从图1(c)可以看出，在混凝土中掺入钢纤维会降低拌合物工作性，究其原因是交错搭接的钢纤维会降低拌合物流动性。

2.2 混凝土力学性能

(1) 抗压强度。试件7 d和28 d龄期抗压强度受10%、20%、30%粉煤灰掺量的影响如图2。从图2可以看出，固定硅粉掺量2%不变时，增加粉煤灰掺量试件的7 d、28 d抗压强度均表现出增大趋势；掺4%、6%硅粉条件下，增加粉煤灰掺量试件的7 d、28 d抗压强度均表现出先上升后下降的变化趋势。这是因为粉煤灰中的Al2O3、SiO2成分可与水化产物反应形成硅酸钙凝胶，从而使得基体强度明显提高；进一步增大粉煤灰掺量导致水泥用量过少，参与水化的胶材较少使得抗压强度下降[9]。结合试验数据，研究认为掺20%粉煤灰时试件的抗压强度最优。

图2 不同粉煤灰掺量混凝土抗压强度

混凝土7 d、28 d抗压强度受2%、4%、6%、8%硅粉掺量的影响如图3。由图3可知，固定粉煤灰掺量20%不变时，增大硅粉掺量试件的7 d、28 d抗压强度均表现出先上升后下降的变化趋势，掺硅粉组明显高于未掺硅粉组的抗压强度。另外，掺4%硅粉条件下，试件的28 d抗压强度最高达到75.8 MPa，这是因为硅粉的填充和活性效应可以对内部孔隙起到填充作用，硅粉中含有的活性物质可以与水化产物Ca(OH)2生成硅酸钙凝胶，从而增大混凝土的密实度和整体强度。进一步增大硅粉掺量会减少参与水化的水分，其表面吸水效应对水泥水化逐渐发挥抑制作用，故硅粉掺量过高会降低试件强度[10-11]。

图3 不同硅粉掺量混凝土抗压强度

混凝土7 d、28 d抗压强度受0.6%、1.2%、1.8%、2.4%钢纤维掺量的影响如表2，结果表明增大钢纤维掺量试件的7 d、28 d抗压强度均表现出先上升后下降的变化趋势，掺1.8%钢纤维时的强度最高。这是因为混凝土基体与钢纤维之间具有较高的黏结强度，受压过程中混凝土受到钢纤维约束可在一定程度上减缓受压破坏进程，从而提高基体强度[12-13]。进一步增大钢纤维掺量超过1.8%情况下，交错搭接的钢纤维会导致内部缺陷的增多，使得基体强度有所下降。

表2 不同钢纤维掺量混凝土抗压强度

(2)弯拉强度。混凝土7 d、28 d弯拉强度受2%、4%、6%、8%硅粉和0.6%、1.2%、1.8%、2.4%钢纤维掺量的影响如图4。从图4(a)可以看出，混凝土弯拉强度随硅粉掺量的增加表现出先上升后下降的变化趋势，究其原因是掺入适量硅粉有利于改善内部孔隙结构，从而提高基体结构的密实度和弯拉强度。从图4(b)可以看出，掺入钢纤维能够在一定程度上提高试件的弯拉性能，其弯拉强度随钢纤维掺量的提高表现出先上升后下降的变化特征，这是因为掺入过多的钢纤维会增大内部缺陷，从而降低基体的弯拉强度。

图4 不同硅粉、钢纤维掺量混凝土抗压强度

2.3 弯曲韧性与断裂性能

表3 不同钢纤维掺量的混凝土弯曲韧性和断裂性能

由表3可知，在混凝土中掺入钢纤维能够显著提高试件的最大断裂荷载，掺1.8%钢纤维时混凝土的最大断裂荷载最高达到5342N，相比于未掺钢纤维组的3746N增大了42.61%。另外，在混凝土中掺入钢纤维可以显著增强其失稳和起裂断裂韧度，说明掺入钢纤维显著增强了基体的断裂性能。

3 结 论

本文通过试验探讨了水工混凝土断裂性能、力学性能和工作性受不同钢纤维掺量、粉煤灰及硅粉掺量的影响作用，结果发现钢纤维的最优掺量为1.8%，硅粉和粉煤灰的最优掺量为4%和20%，由此配制的水工混凝土具有较好的断裂性能和弯曲韧性，可以为水工混凝土裂缝控制和高性能纤维增强混凝土研究提供一定支持。