膠凝材料性能對(duì)面板混凝土抗裂性能的影響研究

張永偉 王成祥 李雙喜

摘要：混凝土面板是典型的薄、長(zhǎng)條板狀結(jié)構(gòu)，非常容易出現(xiàn)裂縫與斷裂現(xiàn)象。進(jìn)一步提升混凝土面板抗裂性能成為研究者們亟待解決的問(wèn)題。因此本文通過(guò)限制性圓環(huán)抗裂試驗(yàn)和干縮試驗(yàn)，研究水泥品種、粉煤灰摻量和水膠比對(duì)混凝土抗裂性能影響。

關(guān)鍵詞：膠凝材料;性能;面板混凝土;抗裂性能;影響

1.引言

為提高面板混凝土抗裂性能，從混凝土開(kāi)裂機(jī)理出發(fā)，研究混凝土斷裂、裂縫成因，通過(guò)限制性圓環(huán)收縮開(kāi)裂和正交試驗(yàn)方法，研究水泥種類、粉煤灰摻量和水膠比對(duì)混凝土面板抗裂性能影響，并結(jié)合混凝土的收縮性能、電鏡掃描（SEM）分析水化產(chǎn)物，分析、闡釋混凝土面板抗裂性能的機(jī)理。

2.原材料及試驗(yàn)方法

2.1原材料

水泥：采用新疆全榮建材有限公司生產(chǎn)的42.5 P.O、42.5 P.MSR和42.5P.HSR。

粉煤灰：采用新疆克拉瑪依電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表。

2.2試驗(yàn)方法

本文通過(guò)限制性圓環(huán)收縮開(kāi)裂和干縮試驗(yàn)方法，進(jìn)行水泥混凝土強(qiáng)度、收縮性及抗裂性試驗(yàn)，研究水泥品種、粉煤灰摻量和水膠比對(duì)混凝土抗裂性能影響。

限制性圓環(huán)收縮開(kāi)裂試驗(yàn)依據(jù)CCES 01-2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》。

干縮試驗(yàn)依據(jù)JC/T 603-2004中膠砂干縮試驗(yàn)方法進(jìn)行。

采用RH.BOGUE方法，計(jì)算不同膠凝材料中的C3A與C3S含量;同時(shí)，研究C3A與C3S含量對(duì)混凝土抗裂性能的影響，并結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）分析膠凝材料水化形貌圖，闡釋混凝土面板抗裂性能的機(jī)理。

3.試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.1限制性圓環(huán)抗裂試驗(yàn)

試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可知，當(dāng)水膠比在0.33～0.39范圍時(shí)，隨著水灰比的增大，混凝土面板的抗裂效果越好;當(dāng)粉煤灰摻量在25%～35%范圍時(shí)，粉煤灰摻量越高，混凝土面板抗裂性越好。

通過(guò)極差和方差分析可知，水膠比和粉煤灰對(duì)混凝土面板抗裂效果顯著。對(duì)混凝土面板抗裂性能影響排序?yàn)椋核z比（w/c）最大，粉煤灰摻量影響次之，水泥的類型影響最小。適度高水膠比會(huì)改善混凝土塑形失水收縮變形，混凝土內(nèi)部水分通過(guò)滲水通道補(bǔ)充表面塑形失水并降低塑形變形;低水膠比必然導(dǎo)致混凝土內(nèi)部濕度降低，增大混凝土自生干燥收縮變形。因此，水膠比在0.33～0.39范圍內(nèi)，水膠比越高水泥凈漿抗裂效果越好。

3.2水泥膠砂干縮試驗(yàn)

4.機(jī)理分析

基于以上性能試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行電鏡掃描的微觀測(cè)試，觀測(cè)粉煤灰在混凝土中的水化微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)混凝土抗裂性能宏觀結(jié)果的驗(yàn)證可知，粉煤灰在早期齡期時(shí)無(wú)水化物質(zhì)生成，延緩了混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率，使得發(fā)生在混凝土水化硬化前期階段的塑性失水收縮、自生干燥收縮和溫度收縮等得到了一定的延緩，改善了混凝土的抗裂性能。隨著齡期的延長(zhǎng)，混凝土中的粉煤灰開(kāi)始水化，混凝土強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，抵抗變形能力增強(qiáng)，抗裂性能逐步提高。

水泥中的C3S和C3A影響著混凝土的力學(xué)性能和收縮性能，隨著C3S和C3A含量的增加，水泥的水化進(jìn)程加快，使得強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，但收縮變形也快速增大，由此增加了混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)不同粉煤灰摻量和不同水泥品種配制的混凝土中C3S和C3A含量展開(kāi)定量分析，以此揭示水膠比、粉煤灰、水泥品種對(duì)混凝土抗裂性能的影響機(jī)理，定量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4和圖1、圖2分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的摻量對(duì)混凝土干縮變形影響較大，具體表現(xiàn)為：粉煤灰摻量越大，水泥混凝土中的C3S和C3A含量就越低，混凝土抗干縮性能越好。當(dāng)水泥混凝土中粉煤灰摻量越小，C3S和C3A的含量越高，抗干燥收縮變形能力增強(qiáng)。這是因?yàn)椋?）水泥基膠凝材料中的C3S和C3A的會(huì)影響水化速率，含量越高混凝土中的水份消耗越快，水化速度越快，混凝土內(nèi)部的濕度隨之降低，產(chǎn)生裂縫;（2）混凝土水化過(guò)程過(guò)快，易導(dǎo)致內(nèi)部水分往表面的遷移的通道被堵塞，混凝土表面得不到水分養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生收縮變形，進(jìn)而由內(nèi)到外形成微裂縫，當(dāng)水泥混凝土繼續(xù)收縮變形，微裂縫易出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)超過(guò)了的承載能力混凝土面板斷裂。

5.結(jié)論

（1）通過(guò)限制性圓環(huán)收縮開(kāi)裂試驗(yàn)和正交試驗(yàn)方法研究發(fā)現(xiàn)，水膠比和粉煤灰對(duì)混凝土面板抗裂效果顯著，對(duì)混凝土面板抗裂性能影響排序?yàn)椋核z比最大，粉煤灰摻量影響次之，水泥的類型影響最小。當(dāng)水膠比在0.33～0.39范圍時(shí)，隨著水灰比的增大，混凝土面板的抗裂效果越好;當(dāng)粉煤灰摻量在25%～35%范圍時(shí)，粉煤灰摻量越高，混凝土面板抗裂性越好。

（2）使用普通硅酸鹽水泥配制的混凝土摻入30%的粉煤灰時(shí)干縮率最小;使用高抗硫硅酸鹽水泥配制的混凝土摻入35%的粉煤灰時(shí)干縮率最小。相同粉煤灰摻量下，高抗水泥混凝土干縮率比普硅水泥混凝土干縮率小。

（3）粉煤灰在早期齡期時(shí)無(wú)水化物質(zhì)生成，粉煤灰延緩了混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率，改善了混凝土的抗裂性能。但隨著齡期的延長(zhǎng)，混凝土中的粉煤灰開(kāi)始水化，混凝土強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，抵抗變形能力增強(qiáng)，抗裂性能逐步提高。

（4）混凝土中粉煤灰摻量越大，膠凝材料中的C3S和C3A含量越低，水泥膠砂的干縮變形越小。

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