單摻鋼渣粉混凝土早期抗裂性能研究

劉 攀，侍克斌，努爾開力·依孜特羅甫，吳福飛

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

單摻鋼渣粉混凝土早期抗裂性能研究

劉 攀，侍克斌，努爾開力·依孜特羅甫，吳福飛

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

采用刀口法進行試驗，研究分析不同水膠比和不同鋼渣粉摻量對混凝土早期抗裂性的影響。結(jié)果表明，在水膠比小于等于0.40時，水膠比對混凝土抗裂性能的影響較為明顯；在相同的水膠比下，摻鋼渣粉的混凝土與對照組比較，前者由于摻加了鋼渣粉，延長了混凝土的初裂時間，隨著摻量的增加，混凝土的抗裂性越突出。

鋼渣粉；混凝土；刀口法；早期抗裂試驗

近幾年，高性能混凝土［1－7］在工程中應(yīng)用越來越多，但在很多實際工程中較為普遍地出現(xiàn)了各種裂縫，由此引發(fā)的高性能混凝土裂縫問題也越來越受到人們的關(guān)注。這主要是因為混凝土工程中裂縫不僅僅是影響工程的美觀主要是影響混凝土工程的結(jié)構(gòu)耐久性，進而影響混凝土工程的使用壽命。若能將實際工程的使用壽命增加30年，這樣就會節(jié)約大量的原材料。另外要增加混凝土結(jié)構(gòu)安全性和延長建筑物的使用壽命，就必須選擇使用耐久性優(yōu)異和符合節(jié)約資源要求的混凝土，現(xiàn)今，國內(nèi)外許多學(xué)者在混凝土里摻加粉煤灰、鋰渣等優(yōu)質(zhì)工業(yè)廢渣方面做了大量的研究，也取得了大量的研究成果［8－12］。

本文選取鋼渣粉取代混凝土中部分膠凝材料，采用刀口法對摻有不同比例的鋼渣粉混凝土的早期抗裂性作了測試與比較，著重討論了不同水膠比、不同鋼渣粉摻量對混凝土早期抗裂性的影響。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

（1）水泥：新疆天山水泥廠生產(chǎn)的42.5R型普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成見表1，其性能指標(biāo)符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB175—1999）要求。

（2）粗集料：粗集料采用烏拉泊水庫上游烏魯木齊河中的河卵石，粒徑5 mm～25 mm連續(xù)級配，含泥量0.21%。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 單位：%

（3）細(xì)集料：細(xì)集料選用烏拉泊水庫上游烏魯木齊河中的水洗砂，細(xì)度模數(shù)μ＝2.8（Ⅱ區(qū)）中砂，含泥量0.34%，表觀密度為2 610 kg／m3。

（4）鋼渣粉：鋼渣粉是產(chǎn)自新疆八一鋼鐵廠已除鐵的鋼渣，先經(jīng)過DM－Ⅱ型數(shù)顯洛杉磯磨耗試驗機粗磨30 min，然后用ND7－10L球磨機細(xì)磨30 min所得粒徑小于0.63 mm部分，細(xì)磨鋼渣粉的主要化學(xué)成分見表1。

（5）減水劑：減水劑是新疆格輝科技有限公司生產(chǎn)的FDN高效減水劑。

（6）拌合水：試驗室中自來水。

1.2 試驗方案

1.2.1 配合比設(shè)計

（1）高性能混凝土配合比參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55－2011）和《高強高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工指南》來設(shè)計，坍落度范圍18 cm～20 cm，具體配合比如表2。

表2 混凝土配合比 單位：kg／m3

（2）在高性能混凝土設(shè)計中鋼渣粉按照膠凝材料的質(zhì)量百分比進行等量取代，試驗摻量分別為0%、10%、20%、45%等。

（3）根據(jù)水泥和FDN高效減水劑適應(yīng)性試驗，確定FDN高效減水劑最佳摻量；水膠比0.30、0.35、 0.40減水劑的最佳摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的1.1%、0.9%、0.8%。

1.2.2 早期抗裂性試驗方法

刀口法試驗按照中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)實施的《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50082－2009）中具體規(guī)定進行。本實驗中采用尺寸為800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型鋼制模具，模具的四邊采用槽鋼焊接而成，側(cè)板厚度不應(yīng)小于5 mm，模具四邊和地板通過螺栓固定在一起。模具內(nèi)設(shè)有7根裂縫誘導(dǎo)器，并平行于模具短邊。

試件成型30min后移至溫度為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%的環(huán)境中，立即調(diào)節(jié)風(fēng)扇位置和風(fēng)速，使試件表面中心正上方100mm處風(fēng)速（5±0.5）m／s，并使風(fēng)向平行于試件表面和裂縫誘導(dǎo)器。試驗時間從混凝土加水時開始計算，經(jīng)24 h后，用最小刻度為1mm的直尺測量裂縫兩端直線距離為裂縫長度，用放大倍數(shù)為100倍讀數(shù)顯微鏡測量每條裂縫的最大寬度。本試驗中主要記錄每個混凝土板開裂時間、裂縫條數(shù)、裂縫長度、最大裂縫寬度等。

2 開裂試驗結(jié)果與分析

將表2不同配合比的混凝土，分別澆入模具中，振實、抹平后，將試件移至溫度為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%的環(huán)境中，立即調(diào)節(jié)風(fēng)扇位置和風(fēng)速，使試件表面中心正上方100mm處風(fēng)速（5±0.5）m／s，并使風(fēng)向平行于試件表面和裂縫誘導(dǎo)器。試驗時間從混凝土加水時開始計算，經(jīng)24 h后，觀測并記錄開裂時間、裂縫長度和最大裂縫寬度，不同配合比高性能混凝土抗裂性能試驗結(jié)果匯總?cè)绫?。

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50082－2009）中具體規(guī)定結(jié)合本試驗，在定量分析混凝土的裂縫開展可以通過4個參數(shù)來描述：單位面積上的總開裂面積、最大裂縫寬度、總開裂長度、開裂時間。其中單位面積上的總開裂面積按照下列方法計算。

考慮裂縫的特征，裂縫的面積應(yīng)是其最大寬度與其長度乘積的一半，那么每條裂縫的平均開裂面積a可按下式計算：

表3 混凝土的早期開裂試驗結(jié)果

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度（mm），精確到0.01mm；Li為第i條裂縫的長度（mm），精確到1 mm；單位面積上的總開裂面積c就是每條裂縫的平均開裂面積a乘以單位面積上的裂縫數(shù)，即：

式中：a為每條裂縫的平均開裂面積（mm2／條），精確到1mm；N為總裂縫數(shù)目（條）；A為平板的面積（m2），精確到小數(shù)點后兩位。

試驗時間從混凝土加水時開始計算，24 h后，混凝土的單位面積上的總開裂面積、總開裂長度和最大裂縫寬度與不同水膠比及不同鋼渣粉摻量的關(guān)系，分別如圖1～圖5所示。

圖1 單位面積上總開裂面積與鋼渣粉摻量的關(guān)系

試驗結(jié)果分析如下：

（1）在相同的水膠比下，鋼渣粉摻量對混凝土抗裂性能的影響較為明顯，隨著鋼渣粉摻量增加，總體上混凝土的最大裂縫寬度變小，裂縫總長度減小，單位總開裂面積減小，并且在水膠比為0.40時，鋼渣粉摻量達到45%時，混凝土板最終無裂縫出現(xiàn)。因為鋼渣粉摻量增加，混凝土中水泥所占的比例在下降，那么水泥水化所需要的水就相對減少，混凝土中自由水相對越多。這樣以來，由混凝土內(nèi)部向表面遷移用以補充表面蒸發(fā)散失的自由水量就比較充足，從而使混凝土表面開裂減弱。

圖2 裂縫總長度與鋼渣粉摻量的關(guān)系

圖3 裂縫寬度與鋼渣粉摻量的關(guān)系

（2）在相同的水膠比下，摻鋼渣粉的試件與未摻的試件比較，發(fā)現(xiàn)前者由于摻加了鋼渣粉，延長了混凝土的初裂時間，混凝土裂縫的總長度、平均開裂面積、單位面積上的總開裂面積都比未摻鋼渣粉的試件小。

圖4 平均開裂面積與鋼渣粉摻量的關(guān)系

圖5 混凝土初裂時間與鋼渣粉摻量的關(guān)系

（3）在不同水膠比下，相同鋼渣粉摻量時，隨著水膠比的增大，混凝土板開裂時間在相應(yīng)推遲；而在鋼渣粉摻量10%時，混凝土最大裂縫寬度、平均開裂面積、單位面積上總開裂面積均隨著水膠比的增加而變??；而在摻量達到45%時，水膠比為0.40的試件，在裂縫的總長度、最大裂縫寬度、平均開裂面積、單位面積上的總開裂面積均是最小。

3 混凝土裂縫分形評價

為了更進一步闡述鋼渣混凝土裂縫的開裂程度，對鋼渣混凝土借助分維數(shù)對其進行定量描述。首先將跟蹤記錄的裂縫照片進行處理，生成分形解析圖和網(wǎng)格覆蓋圖，采用盒維數(shù)法計算出分維數(shù)。圖6所示為不同混凝土裂縫分維數(shù)與鋼渣粉摻量的關(guān)系。

圖6 混凝土裂縫分維數(shù)與鋼渣粉摻量關(guān)系

從圖6可以看出，混凝土隨著鋼渣粉摻量的增加，裂縫的分維數(shù)降低，這說明隨著鋼渣粉摻量增加，混凝土開裂趨于簡單化，混凝土抗裂性能得到改善。

4 結(jié) 論

基于本次試驗研究，對于高性能混凝土的收縮開裂問題得出如下結(jié)論：

（1）摻入鋼渣粉對混凝土的開裂時間影響顯著，水膠比越大，鋼渣粉摻量增加，高性能混凝土的開裂時間出現(xiàn)相應(yīng)推遲。

（2）在水膠比小于等于0.40時，水膠比對混凝土抗裂性能的影響較為明顯，并且水膠比越大，高性能混凝土抗裂性越強。

（3）摻入鋼渣粉能夠增強混凝土抗裂性能，而且其摻量在10%～45%之間時，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土的抗裂性能增強。

（4）對于鋼渣混凝土采用分形評價也是可行的，并且隨著鋼渣粉摻量增加，混凝土分維數(shù)逐漸減小，混凝土抗裂性能提高。

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Study on Early Crack Resistance of Concrete M ixed w ith Single Steel Slag Powder

LIU Pan，SHIKe-bin，Nuerkaili·Yiziteliopu，WU Fu-fei
（College ofWater Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052，China）

The knife-edge test is used here to research and analyze the impact of differentwater-cement ration and steel slag powder content on the early crack-resistance of concrete.The results show thatwhen thewater-cement ration is less than or equal to 0.40，its impacton the crack resistance of concrete ismore obvious；under the samewater-cement ration and compared with the control group，the concretemixed with steel slag powder extends the time of early cracking，and with the increase ofmixed dosage，the concrete’s crack resistance ismore prominent.

steel slag powder；concrete；knife-edgemethod；early crack experiment

TU528.2

A

1672—1144（2014）01—0096—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.020

2013-07-05

2013-08-09

新疆科技支撐計劃項目（201233132）；國家高等學(xué)校博士點專項科研基金（20106504110005）；新疆水利水電工程重點學(xué)科基金資助項目（XJzdxk－2010－02－12）

劉 攀（1987—），男，安徽太和人，碩士研究生，研究方向為水工材料應(yīng)用。

侍克斌（1957—），男，甘肅民勤人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水利水電工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。