礦物摻合料對(duì)水工混凝土早期抗裂性的影響分析

李金朋

(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 朝陽 122000)

一直以來,開裂始終是混凝土工程面臨的難題之一,裂縫的存在會(huì)縮短結(jié)構(gòu)的使用年限,降低結(jié)構(gòu)的耐久性能,早期的裂縫形式有溫度、收縮和塑性裂縫。近年來,隨著技術(shù)的發(fā)展高性能混凝土現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水利、橋梁、海工、房建等領(lǐng)域,許多學(xué)者大量研究了混凝土的抗裂性能,特別是測(cè)試和評(píng)價(jià)早期抗裂能力的較多[1-4]。目前,主要有圓環(huán)法和平板法測(cè)試混凝土抗裂性能,評(píng)價(jià)指標(biāo)可以分為單因素(如極限拉伸值、抗拉強(qiáng)度等)和多因素(如抗裂系數(shù)等)兩大類型。對(duì)于平板法,現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未全面考慮早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律、凝結(jié)時(shí)間受混凝土配合比差異的影響,一般要求入模2h后觀測(cè)混凝土表面在一定風(fēng)吹條件下的裂縫情況[5]。實(shí)際上,表面吹風(fēng)起始時(shí)間會(huì)顯著影響混凝土裂縫的形成與擴(kuò)展,在施工養(yǎng)護(hù)過程中必須嚴(yán)格控制吹風(fēng)起始時(shí)間。工程實(shí)踐表明,一定細(xì)度的粉煤灰、礦粉等摻合料能夠發(fā)揮微集料填充效應(yīng),優(yōu)化內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),改善混凝土工作性和其它性能[6]。因此,文章應(yīng)用平板法測(cè)試水工混凝土摻礦物摻合料的早期開裂性能,旨在通過使用高效減水劑和工業(yè)廢渣替代水泥配制出耐久性較好、強(qiáng)度較高、工作性良好的高性能水工混凝土,并為水利工程中高性能混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥:渤海P·I 52.5級(jí)水泥,比表面積246m2/kg,標(biāo)稠用水量25.2%,密度3.26g/cm3;礦物摻合料:S95級(jí)普通礦粉和粒徑6μm的P1000、粒徑10μm的P800超細(xì)礦粉,粉煤灰選用F類Ⅱ級(jí)灰,燒失量4.1%,比表面積428kg/m2,28d活性指數(shù)76%;外加劑:聚羧酸高效減水劑,減水率>26%,泌水率32%,液態(tài),拌合水用當(dāng)?shù)刈詠硭?集料:天然中砂和粒徑5～25mm的花崗巖碎石,砂的表觀密度2600kg/m3,微粒含量4.5%,石的表觀密度2650kg/m3,針片狀含量4.7%。

1.2 測(cè)試方法

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》確定膠材用量為360kg/m3、400kg/m3、440kg/m3、480kg/m3,統(tǒng)一砂率40%,控制拌合物坍落度處于180～220mm之間,以此調(diào)整減水劑摻量1.2%和相應(yīng)的用水量。

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定100mm×600mm×800mm平面薄板型試件的早期抗裂性能,試驗(yàn)?zāi)z材配比見表1。

表1 膠材配比

試驗(yàn)過程中,先將拌合物澆筑到試模內(nèi)并立即攤平,控制混凝土表面略高于模具邊框,然后移到振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)10s使拌合物密實(shí),并把表面浮漿抹去;靜置成型30min后,在相對(duì)濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn),調(diào)整風(fēng)扇位置使裂縫誘導(dǎo)器及試件表面與風(fēng)向相平行,打開風(fēng)扇控制混凝土正上方100mm處風(fēng)速為(5±0.5)m/s;最后,從加水?dāng)嚢枳鳛槠鹗紩r(shí)間,測(cè)定(24±0.5)h時(shí)試件表面的裂縫寬度、長度及平均開裂面積,試驗(yàn)儀器有鋼直尺、計(jì)時(shí)器和刻度放大鏡(最大倍數(shù)100倍)。

2 結(jié)果與分析

平板法測(cè)試各組混凝土最大裂縫寬度、長度和條數(shù)見表2,并進(jìn)一步計(jì)算單位開裂面積見表3。

表2 平板開裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 單位開裂面積

2.1 不同膠材用量試驗(yàn)

為了更加直觀地反映膠材對(duì)早期抗裂性能的影響作用,試驗(yàn)分析不同膠材用量各組試件的早期抗裂性變化趨勢(shì),見圖1。

(a)最大裂縫長度

由圖1可知,隨膠材用量的增加摻礦粉和粉煤灰混凝土的單位開裂面積不斷增大,并且較大膠材用量時(shí)的裂縫面積增長率較高,特別是摻礦粉組的裂縫面積增速更大,如摻440～480kg/m3膠材礦粉組約為360～440kg/m3組單位總開裂面積的2倍,膠材為360kg/m3和440kg/m3條件下,摻礦粉組與粉煤灰組的單位總開裂面積之比為1.71和1.81;另外,混凝土最大裂縫寬度隨著膠材用量的提高不斷增加,摻粉煤灰組與礦粉組之間的裂縫差距也不斷擴(kuò)大,如膠材為360kg/m3和440kg/m3條件下,摻礦粉組與粉煤灰組的最大裂縫寬度之比為1.17級(jí)1.50。因此,混凝土早期開裂性能受膠材用量的影響顯著,膠材用量越高混凝土抗裂性能越差,開裂面積越大。

混凝土單位開裂面積隨膠材用量的增加而增大的原因主要如下:①單位水泥用量增加使得水化所需水量增多,相應(yīng)的熱變形值和干縮變形值增大,當(dāng)超過一定界限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫;②水泥基體中膠材越多則其內(nèi)部自由水分越多,養(yǎng)護(hù)不好時(shí)很容易產(chǎn)生水分的散失,特別是受熱風(fēng)影響時(shí)會(huì)加劇混凝土收縮,因早期強(qiáng)度較低難以抵抗混凝土自身收縮而形成收縮裂縫。

2.2 單摻粉煤灰與礦粉試驗(yàn)

為了更加系統(tǒng)地反映礦物摻合料對(duì)早期抗裂性能的影響規(guī)律,試驗(yàn)分析單摻粉煤灰與礦粉時(shí)各組試件的早期抗裂性變化趨勢(shì),見圖2。

(a)最大裂縫寬度

由圖2可知,隨膠材用量的增加單摻礦粉和粉煤灰混凝土的開裂面積均不斷增大,兩者的變化趨勢(shì)基本一致,膠材用量超過440kg/m3條件下試件的開裂面積快速增大;膠材用量相同情況下,單摻礦粉相較于單摻粉煤灰試件的開裂面積明顯較高,如膠材為480kg/m3和360kg/m3條件下,單摻礦粉組與粉煤灰組的單位總開裂面積之比為2.2和4.4,單摻粉煤灰組約為單摻礦粉組最大裂縫寬度的2倍。單摻粉煤灰組明顯低于單摻礦粉組的裂縫條數(shù),粉煤灰組的裂縫條數(shù)最多為4條,而單摻礦粉組的裂縫條數(shù)均為5條,這說明摻粉煤灰優(yōu)于摻礦粉混凝土的抗裂性能。有研究表明,礦粉的摻入可以在一定程度上增大早期總收縮率,而早期總收縮受粉煤灰的影響較低,粉煤灰和礦粉的摻入均能有效控制混凝土早期開裂。

2.3 摻合料復(fù)摻試驗(yàn)

為了進(jìn)一步探討超細(xì)礦粉對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響作用,試驗(yàn)分析礦粉、粉煤灰與超細(xì)礦粉復(fù)摻時(shí)各組試件的早期抗裂性變化趨勢(shì),見圖3、圖4。

(a)最大裂縫寬度

由圖3可知,從低到高各礦粉組試件的早期開裂面積整體排序:P800+S95礦粉

由圖4可知,復(fù)摻P1000超細(xì)礦粉與粉煤灰組的最大裂縫寬度及單位總開裂面積均較大,其次是復(fù)摻P800超細(xì)礦粉與粉煤灰組,兩組別的裂縫條數(shù)基本相當(dāng);單摻粉煤灰組試件的抗裂性能均優(yōu)于粉煤灰復(fù)摻P1000及P800超細(xì)礦粉組,如膠材用量為360kg/m3條件下,粉煤灰與P1000礦粉復(fù)摻組的單位總開裂面積、最大裂縫寬度分別為單摻粉煤灰組的3.7倍和2.7倍;膠材用量為440kg/m3條件下,粉煤灰與P1000礦粉復(fù)摻組的單位總開裂面積、最大裂縫寬度分別為單摻粉煤灰組的1.8倍和1.7倍。這是因?yàn)槌?xì)礦粉早期消耗水分較多,早期水化釋放的熱量也較多,水泥基體內(nèi)部溫升使得水分散失加快,在外界風(fēng)吹條件下內(nèi)外溫差過大而形成裂縫,所以摻超細(xì)礦粉組的抗裂性能較差。

2.4 成型養(yǎng)護(hù)方式試驗(yàn)

考慮到實(shí)際工程中混凝土需要帶模養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期才能拆模,拆模后通常還要再養(yǎng)護(hù)7～14d,所以利用平板法測(cè)試的早期抗裂性能,對(duì)模鑄混凝土的適用性較差。為探究模鑄混凝土開裂受不同養(yǎng)護(hù)方式的影響規(guī)律,試驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)吹24h+24h、風(fēng)吹24h+標(biāo)養(yǎng)24h、成型后風(fēng)吹24h三種養(yǎng)護(hù)制度。結(jié)果表明,風(fēng)吹24h+自養(yǎng)24h、風(fēng)吹24h+標(biāo)養(yǎng)24h條件下的混凝土均未開裂,而成型后風(fēng)吹24h混凝土出現(xiàn)明顯開裂。成型8d后將混凝土烘24h(烘干溫度60℃),冷卻后發(fā)現(xiàn)烘干后的混凝土表面未開裂。因此,本研究認(rèn)為由于裂縫誘導(dǎo)器間距過小使得混凝土處于類似密集配筋的工作狀態(tài)下,從而使得早期并未發(fā)生開裂。

因此,考慮將3根裂縫誘導(dǎo)器切割掉以改變模具間距,誘導(dǎo)器的其它間距不變。試驗(yàn)選用膠材480kg/m3的配合比再次配制成型混凝土試件,在相對(duì)濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃、無風(fēng)吹日曬的環(huán)境中觀察24h內(nèi)裂縫發(fā)展?fàn)顩r,然后風(fēng)吹24h觀察裂縫情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),除P1000超細(xì)礦粉與粉煤灰復(fù)摻組外,其它組試件成型24h時(shí)均未開裂,風(fēng)吹24h后各組混凝土裂縫也為進(jìn)一步發(fā)展。

研究表明,成型后應(yīng)最大程度地降低混凝土受風(fēng)吹日曬等自然因素的不利影響,從而有效防止早期裂縫的形成,早期抗裂性能受養(yǎng)護(hù)方式的影響較大,特別是在水工混凝土澆筑時(shí)要進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù),特別是大風(fēng)和高溫天氣時(shí),為了防止水分過快蒸發(fā)應(yīng)采取擋風(fēng)和設(shè)遮陽棚等措施。

3 結(jié) 論

1)研究表明,混凝土單位總開裂面積及其增長率隨膠材用量的增加而增大;單摻礦粉或粉煤灰時(shí),隨膠材用量的增加混凝土單位開裂面積逐漸增大,摻礦粉與粉煤灰組的變化趨勢(shì)相同,膠材用量超過440kg/m3時(shí)試件的單位總開裂面積快速增大;膠材用量相同情況下,單摻粉煤灰明顯優(yōu)于單摻礦粉組的抗裂性能。

2)摻粉煤灰和礦粉混凝土的早期抗裂性能受養(yǎng)護(hù)方式的影響較大,成型后應(yīng)最大程度地降低混凝土受風(fēng)吹日曬等自然因素的不利影響,有效防止早期裂縫的形成,在水工混凝土澆筑時(shí)要進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù),特別是大風(fēng)和高溫天氣時(shí),為了防止水分過快蒸發(fā)應(yīng)采取擋風(fēng)和設(shè)遮陽棚等措施。