礦物摻和料對(duì)混凝土早期收縮開(kāi)裂性能的影響

趙晨陽(yáng)，陳征征，李志偉

宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000

0 前言

在大量工程實(shí)踐中，混凝土早期開(kāi)裂一直是科研人員關(guān)注的重點(diǎn)以及難點(diǎn)，它不僅有對(duì)項(xiàng)目后期經(jīng)濟(jì)方面的影響更對(duì)建筑物使用壽命造成巨大的沖擊。對(duì)此，海內(nèi)外專(zhuān)家做了許多的研究。趙聯(lián)楨［1］研究了多種礦物摻和料對(duì)混凝土早齡期收縮、開(kāi)裂性及其力學(xué)性能等影響并自制了一套自收縮的裝置以供研究。喬艷靜［2］經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷礦物摻和料對(duì)混凝土收縮開(kāi)裂性能的影響，得出的試驗(yàn)結(jié)果能夠證明礦物摻和料對(duì)混凝土早期收縮開(kāi)裂有很大的提升，隨著摻合料的增加效果有明顯上升的趨勢(shì)。許國(guó)東［3］主要研究了在不同因素環(huán)境耦合下大摻量礦物對(duì)混凝土早期開(kāi)裂行為的影響，包括早期水化歷程和早期抗力等?？偹苤?，粉煤灰和礦渣是大宗量的工業(yè)廢渣，如果不能良好加以利用會(huì)造成大量資源浪費(fèi)以及經(jīng)濟(jì)損失。但礦物摻和料對(duì)混凝土早期開(kāi)裂性能影響十分復(fù)雜，此前的研究結(jié)果應(yīng)無(wú)法統(tǒng)一，所以正確評(píng)價(jià)估計(jì)礦物摻和料對(duì)未來(lái)代膠材料發(fā)展有很明顯推進(jìn)作用。

1 混凝土早期收縮與開(kāi)裂的關(guān)系

1.1 混凝土收縮的類(lèi)型

混凝土的收縮是由于其在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了凝結(jié)固化以及在早期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)或水份流失變化和內(nèi)外溫度差等所造成的體積減小的現(xiàn)象。根據(jù)形成收縮的因素類(lèi)型一般可以分為自收縮、塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮、碳化收縮和化學(xué)收縮等情況。

表1 各類(lèi)收縮類(lèi)型以及定義

由表一可以大致了解各類(lèi)收縮的定義，關(guān)于自收縮定義仍沒(méi)有較為統(tǒng)一的說(shuō)法，其中較為嚴(yán)謹(jǐn)為日本混凝土協(xié)會(huì)（Japanese Concrete Institute，JCI）解釋的自收縮定義：在初始凝固之后在水泥水化過(guò)程中發(fā)生的表觀(guān)體積減小不包括由物質(zhì)本身的增加或減少，溫度變化，外部載荷或約束引起的體積變化。自收縮可以表示為體積減少的百分?jǐn)?shù)即“自收縮率”，或表示為長(zhǎng)度的一維變化即“自收縮應(yīng)變”［1］。其詮釋的定義不但強(qiáng)調(diào)了自身收縮還強(qiáng)調(diào)了收縮時(shí)間的局限。目前對(duì)于自收縮的測(cè)量大都從養(yǎng)護(hù)后1d 開(kāi)始但自收縮從水化開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)再進(jìn)行中，所以規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)是十分有必要的。對(duì)于大體積混凝土來(lái)說(shuō)溫度收縮最需注意，一般來(lái)說(shuō)高強(qiáng)度混凝土中水化熱容易在工程結(jié)構(gòu)中聚集并且不易發(fā)散，從而產(chǎn)生的溫度梯度進(jìn)而產(chǎn)生熱膨脹導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

1.2 混凝土早期收縮與開(kāi)裂的關(guān)系

混凝土在早期養(yǎng)護(hù)硬化，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生劇烈的變化包活水泥基材料的水化反應(yīng)以及相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，隨著時(shí)間的變化，反應(yīng)速率會(huì)降低，所以針對(duì)其收縮開(kāi)裂的研究大致在混凝土養(yǎng)護(hù)的第一周至第二周的期間最易。而在混凝土早期水凝硬化時(shí)其自身重量以及外界施加的荷載大都作用在支撐結(jié)構(gòu)上并不會(huì)對(duì)整體造成主要的裂縫，在早期混凝土塑性較強(qiáng)所以說(shuō)大部分的早期裂縫是由于收縮變形而產(chǎn)生的不良結(jié)果。而后期產(chǎn)生的對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害性的裂縫大都是因?yàn)樵缜捌诹芽p在外界荷載作用下發(fā)展而成繼而發(fā)展成貫通性裂縫。所以說(shuō)對(duì)于防治早期開(kāi)裂的問(wèn)題是十分有必要的。

2 混凝土收縮開(kāi)裂試驗(yàn)方法

在工程實(shí)踐中，混凝土開(kāi)裂一般與混凝土自身固有屬性和結(jié)構(gòu)幾何外觀(guān)以及外界約束情況這兩方面有關(guān)，現(xiàn)基本采用平板法、圓環(huán)法、棱柱體法。

2.1 平板法

此種方法由美國(guó)的美國(guó)密西根州立大學(xué)Parviz Soroushian的研究小組［4］提出的隆起鋼板約束的平板式實(shí)驗(yàn)裝備由下圖1所示。此裝置用于560mm×365mm×114mm 的試件，裝置的工作原理是由薄鋼板彎起波浪形提供約束，其可以研究混凝土與砂漿塑性收縮和干燥收縮造成的開(kāi)裂，需在相對(duì)濕度 40%，溫度37℃，并且需連續(xù) 3 小時(shí)，觀(guān)察并記錄裂縫的寬度和長(zhǎng)度。

2.2 圓環(huán)法

此類(lèi)方法最初由美國(guó)麻省理工學(xué)院所提議的由下圖2 所示，此裝備依據(jù)應(yīng)變突變來(lái)確定混凝土圓環(huán)的開(kāi)裂時(shí)間。按照測(cè)量裂縫的長(zhǎng)度與寬度，混凝土的抗裂性能用裂縫的開(kāi)裂面積（或?qū)挾龋﹣?lái)表示。和平板法相比，圓環(huán)法能夠給試塊供應(yīng)一個(gè)均勻的約束，符合在工程實(shí)踐約束下混凝土試塊收縮與應(yīng)力松弛的復(fù)合作用影響圓形試塊的抗裂性能，可以有效地評(píng)定其抗開(kāi)裂性能。

2.3 棱柱體法

最初由德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)所提出后經(jīng)各國(guó)試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新此類(lèi)方法用于混凝土試塊至澆注后的早齡期階段自身的水化熱導(dǎo)致溫升、熱膨脹系數(shù)、力學(xué)性能等不同的參數(shù)隨時(shí)間而產(chǎn)生的變化情況，及其對(duì)其初齡期開(kāi)裂敏感度等綜合測(cè)試。通過(guò)測(cè)量試件在不同溫度變化的情況下和不同約束程度下（0—100%）產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變及其發(fā)展全過(guò)程以致斷裂時(shí)的溫度、應(yīng)力等參數(shù)，評(píng)價(jià)混凝土的抗開(kāi)裂性能。

圖1 平板式試驗(yàn)裝置

圖2 圓環(huán)法式試驗(yàn)裝置

圖3 棱柱體法試驗(yàn)裝置

3 粉煤灰、礦渣對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響

在粉煤灰、礦渣作為礦物摻和料等量取代水泥材料方面，前人已作出了大量的研究，綜合前人研究來(lái)看礦物摻和料對(duì)混凝土影響規(guī)律復(fù)雜，正負(fù)效應(yīng)摻雜，對(duì)同一種材料研究都可能出現(xiàn)不同甚至相反的結(jié)論。粉煤灰顆粒的特殊構(gòu)造在后期發(fā)揮了微集料效益［5］會(huì)在砂漿中起到潤(rùn)滑作用填補(bǔ)骨料中的孔隙而且由于粉煤灰成分與水泥主要成分相似，反應(yīng)活性主要來(lái)自活性玻璃體SiO2、Al2O3的水化作用在一定堿性條件下生成具有水印膠凝性質(zhì)的化合物，不同摻量下的粉煤灰對(duì)的混凝土的自收縮都會(huì)隨時(shí)間的增加而增加，其原因是粉煤灰先不與水發(fā)生反應(yīng)其水化速度較慢。根據(jù)這一特點(diǎn)可為工程實(shí)踐中采取必要的措施控制自收縮提供了時(shí)間。礦渣在早期與粉煤灰相似也是先不與水反應(yīng)在后期才會(huì)出現(xiàn)所謂“火山灰效應(yīng)”，但因?yàn)榈V渣的幾何外形與研磨有關(guān)因此礦渣性能發(fā)揮不穩(wěn)定，其二者混合則會(huì)出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)物盡其用的效果。

4 小結(jié)

綜上所述粉煤灰、礦渣等對(duì)混凝土試塊其各種收縮的影響仍然存在大量的爭(zhēng)議，其原因在于試驗(yàn)所用的材料及檢測(cè)儀器的不同而影響試驗(yàn)結(jié)果。因此需早日規(guī)范試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)一步完善研究。