混凝土刀口約束早期開裂試驗裝置設備

摘要：將礦粉、粉煤灰、垃圾焚燒飛灰、垃圾焚燒底渣以單摻或1:1二元復摻替代部分水泥后，配制摻合料混凝土，測定其力學強度和拉壓比，并利用平板法研究比較各摻合料混凝土的早期抗開裂性能。研究表明，粉煤灰具有適當降低混凝土的脆性和抑制早期開裂的性能，而礦粉的作用與其相反；飛灰對混凝土的早期開裂性能極為不利，在飛灰中復合部分粉煤灰或礦粉，可大大改善混凝土的早期抗裂性能；底渣混凝土因強度太低早期未出現(xiàn)明顯的開裂，但在底渣中引入部分礦粉或粉煤灰后，混凝土的抗壓強度能比單摻底渣混凝土明顯提高，同時該底渣基復合摻合料混凝土的抗裂性能優(yōu)異。

關鍵詞：摻合料；力學強度；脆性；早期開裂

0前言

將固體廢棄物作為混凝土礦物摻合料使用，不僅可以減緩工業(yè)固體廢棄物的堆存壓力和減小對環(huán)境的污染，而且還可以降低混凝土的生產成本并改善混凝土的某些性能[1-4]。然而，雖然各種礦物摻合料混凝土的應用已經取得了不錯的發(fā)展，但其早期開裂卻頻繁發(fā)生[5-6]。為此，本研究采用平板法模擬實際工程中受約束混凝土的開裂，同時，為了排除水分蒸發(fā)而導致的失水收縮對混凝土塑性開裂的影響，結合混凝土水分蒸發(fā)試驗，比較了各組礦物摻合料對混凝土塑性開裂的影響，并對各組摻合料混凝土的抗壓強度及其拉壓比進行了測定和比較。試驗結果可為這些礦物摻合料在混凝土中的復合使用提供一定的依據(jù)。

1原材料

水泥：P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積為320m3/kg，密度為2.864g/cm3。

粉煤灰：Ⅱ級灰，比表面積為405m3/kg，密度為2.179g/cm3。

礦粉：S95級礦粉，比表面積為425m3/kg，密度為2.694g/cm3。

垃圾焚燒飛灰：淡灰色干燥粒狀粉末。

垃圾焚燒底渣：淡黑色干燥塊狀物體，本研究中所用均為球磨0.5h后的底渣，磨細后底渣的比表面積為528m3/kg，密度為2.550g/cm3。

砂：贛江砂，細度模數(shù)Mx=2.46，屬于Ⅱ區(qū)中砂。

石：花崗巖碎石，粒徑5~25mm，連續(xù)級配。

2試驗方法

試驗方案基于實際工地所用的C30混凝土配合比進行設計，具體配合比見表1。其中，礦物摻合料占膠凝材料的比例為30%；本試驗將摻合料摻量為0的混凝土作為基準混凝土，進而將粉煤灰、礦粉、飛灰、底渣以單摻或1:1兩兩復摻來替代部分水泥，配制各摻合料混凝土，具體配合比及試件編號如表2所示。

使用聚羧酸高效減水劑調節(jié)各摻合料混凝土的流動度，坍落度控制在（150±30）mm范圍內。按GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規(guī)定的方法進行混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度測試。

混凝土24h開裂性能試驗采用平板法進行[7-8]，試驗時間從混凝土攪拌加水開始計算，在（24±0.5）h時測讀裂縫。用棉線沿裂縫走向測量裂縫的長度，再用鋼尺測量棉線的長度值L。當一個刀口上有兩條裂縫時，可將兩條裂縫的長度相加，折算成一條裂縫。裂縫寬度采用放大倍數(shù)為40倍的讀數(shù)顯微鏡測量，并應測量每條裂縫的最大寬度D。根據(jù)24h的開裂情況，計算三個參數(shù)：①裂縫的平均裂開面積a，mm2/根；②單位面積開裂裂縫數(shù)b，根/m2；③單位面積上的總裂開面積c，mm2/m2。三個參數(shù)的計算公式如下：

在開裂性能試驗的同時，利用混凝土失水后質量變化的原理測定混凝土的早期水分蒸發(fā)情況。

3試驗結果與分析

3.1礦物摻合料對混凝土強度及脆性的影響

混凝土是一種脆性材料，高的抗壓強度及相對較低的抗拉強度會造成混凝土在實際承載時發(fā)生脆性斷裂。因此，本試驗在檢測各種摻合料混凝土抗壓強度的同時，對其劈裂抗拉強度也進行了測定，并以拉壓比來比較所選礦物摻合料對混凝土脆性的影響。各配比混凝土強度試驗結果及拉壓比見表3。

由表3可知，單摻礦物摻合料時，礦粉混凝土的28d抗壓強度高于基準混凝土；粉煤灰混凝土的28d抗壓強度接近30MPa。單摻垃圾焚燒飛灰、垃圾焚燒底渣的混凝土28d抗壓強度遠低于基準混凝土，尤其是底渣混凝土28d抗壓強度僅為基準混凝土強度的0.54，但其劈裂抗拉強度高于飛灰混凝土，這可能是因為雖然底渣的活性較弱，在水泥水化過程中起的作用很小，但可填充水泥水化膠結結構的孔隙，故使底渣混凝土的劈裂抗拉性能較好[9]。摻加底渣、粉煤灰的混凝土，其拉壓比總體高于基準混凝土，而礦粉混凝土、飛灰混凝土的拉壓比則低于基準混凝土。底渣混凝土的拉壓比為基準混凝土的1.28倍；粉煤灰混凝土的拉壓比為基準混凝土的1.10倍；礦粉混凝土的拉壓比為基準混凝土的0.85倍；飛灰混凝土的拉壓比僅為基準混凝土的0.62倍。這說明底渣的摻入對降低混凝土的脆性最為有利，其次是粉煤灰，而礦粉混凝土、飛灰混凝土在抗壓強度較高時，其抗拉強度卻不能同步增加，混凝土的脆性增加。底渣混凝土拉壓比較高的原因，就是底渣的“填充效應”減少了結構的孔隙，同時，由于其抗壓強度的絕對值相對較小，因而拉壓比較大。粉煤灰具有很好的微集料效應，粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑相當于未水化的水泥顆粒，極細小的微珠相當于活潑的納米材料，能明顯提高混凝土的勻質性和致密性，使抗壓強度和劈裂抗拉強度的發(fā)展較為同步，其拉壓比也僅次于底渣混凝土。礦粉具有較強的水硬性，能夠等量取代水泥，在水泥水化的同時，礦粉也開始進行水化，因此，礦粉混凝土的致密程度不及粉煤灰混凝土，拉壓比也低于粉煤灰混凝土，與基準混凝土相當。飛灰的活性不高，也不能像底渣那樣起到填充作用，因此，飛灰混凝土的拉壓比最低[10]。

當各礦物摻合料進行1:1復摻時，基于礦粉的二元摻合料混凝土強度普遍較高；飛灰、底渣復摻的混凝土強度則比基準混凝土大幅度降低。雖然底渣和飛灰單一作用時活性較低，但若與高活性的礦粉、粉煤灰復摻則對混凝土具有明顯的增強效果，尤其是礦粉與飛灰復摻的效果最佳。這可能是水化過程中礦粉和飛灰相互調節(jié)，誘導對方水解反應加速，從而使整個體系的水化進程加快，宏觀上表現(xiàn)出較高的強度。含底渣二元摻合料混凝土的拉壓比要顯著高于其他礦物摻合料混凝土，其中，底渣與飛灰復摻后的混凝土拉壓比最大，可達基準混凝土的1.34倍，主要原因仍然是其抗壓強度絕對值較小。礦粉和底渣復摻的混凝土體系中，一方面，礦粉自身水化較完全，另一方面，底渣很好地填充了水泥和礦粉膠凝結構的空隙，使抗拉強度能很好地發(fā)展，故其拉壓比較高，僅次于飛灰和底渣復摻的混凝土。

3.2礦物摻合料對混凝土早期開裂的影響

為更好模擬夏季施工現(xiàn)場條件，本次平板試驗選擇晴天進行。試件成型后放在太陽下暴曬，加快試樣中的水分蒸發(fā)速率，使裂縫出現(xiàn)的時間提前。選擇溫度相差不大的2天完成混凝土平板開裂試驗，最高氣溫在30℃以上，具體氣溫紀錄見表4。為更好說明混凝土的開裂性能，在進行混凝土早期開裂試驗的同時，對試件2h、4h、6h、8h、10h、24h齡期的失水情況進行了測試，計算出的失水率結果列于表5。根據(jù)觀察到的裂縫長度和最大裂縫寬度計算出混凝土開裂的各項參數(shù)，見表6。各摻合料混凝土的早期開裂示意圖見圖1～圖9。

表6表明，各配比混凝土試件的失水率隨齡期的增加都有一定程度的增加，失水率幅度較大的集中在前6h左右；10h時，失水率基本保持恒定。單摻時，礦粉混凝土的失水率最大，為基準混凝土的1.06倍，隨后是飛灰混凝土、粉煤灰混凝土，底渣混凝土的失水率最小，為基準混凝土的0.82。復摻時，礦粉和底渣復摻混凝土的失水率最?。环勖夯?、礦粉復摻混凝土和礦粉、飛灰復摻混凝土的失水率基本保持一致；飛灰、底渣復摻混凝土的失水率最大，粉煤灰、飛灰復摻混凝土次之。綜合比較可發(fā)現(xiàn)，摻入飛灰的混凝土失水率總體偏大，這是由于飛灰具有較小的比表面使得保持水分的能力較差造成的；而摻入底渣的混凝土卻有相對較低的失水率，這可能是由于底渣具有較大的比表面，將水分團結在底渣周圍，使自由水減少而造成的。

由圖1～圖4可知，單摻30%的粉煤灰會使混凝土出現(xiàn)第一條裂縫的時間比基準混凝土出現(xiàn)第一條裂縫的時間推遲，且裂縫的面積和數(shù)量都小于基準混凝土，其裂縫總面積和單位裂開面積均降低了25%。試驗結果表明，粉煤灰對混凝土的早期塑性開裂可起到較好的抑制作用，推遲出現(xiàn)塑性裂縫的初始時間，減小裂縫總面積，使混凝土塑性開裂敏感性降低。這是因為粉煤灰本身的活性需要在水泥水化產物的激發(fā)下才能進行，因此，粉煤灰替代水泥后，整個體系的早期水化程度降低，塑性階段膠凝材料水化而產生的化學收縮降低，且粉煤灰的密度低于水泥，當其取代水泥后，混凝土的密度明顯降低，使早期以塑性沉降為主的塑性收縮減小，對混凝土的早期開裂起到了一定的抑制作用[11]。

單摻30%的礦粉會使混凝土第一條裂縫出現(xiàn)的時間提前，且裂縫的數(shù)量和面積都有很大程度的增加。盡管礦粉摻入后同樣使整個體系的早期水化程度降低，但由于礦粉密度與水泥密度相差不大，因此，以塑性沉降為主的塑性收縮的減小程度不如粉煤灰混凝土體系。同時，根據(jù)成型時礦粉混凝土凝結減慢可推測，礦粉混凝土早期抗拉強度發(fā)展速度減慢，由水分蒸發(fā)產生的塑性收縮應力無明顯降低，所以，礦粉具有增大混凝土塑性開裂的風險[5]。

單摻30%的飛灰不僅將混凝土的第一條裂縫出現(xiàn)時間提前了20min，還使飛灰混凝土的裂縫面積大大增加，說明飛灰對于混凝土的早期開裂極為不利。這是因為飛灰本身的比表面積遠小于水泥，致使混凝土中出現(xiàn)大量的自由水，這點在水分蒸發(fā)試驗結果中可以看出，飛灰混凝土的早期失水率高于其它各種配比混凝土；同時，飛灰中含有氯鹽，使水泥的水化進程更加迅速，加劇了混凝土的早期化學減縮，對混凝土的早期抗裂性能極為不利[10]。

單摻30%底渣的混凝土沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，這主要是因為：①底渣的活性較弱，在混凝土中起著微集料的作用，填充了水泥水化時形成的孔隙，增強了混凝土的密實度；②底渣的比表面積較大，可吸附大量的自由水，使混凝土因早期失水產生的塑性收縮降低，從而提高了混凝土抗裂性能。

觀察全部試驗過程發(fā)現(xiàn)，粉煤灰和底渣復摻的混凝土在24h齡期內未出現(xiàn)開裂，其他復摻的混凝土在成型后3~4h開始出現(xiàn)裂縫，其中，礦粉、飛灰復摻混凝土最先出現(xiàn)裂縫，飛灰、底渣混凝土體系最晚出現(xiàn)裂縫。結合圖5～圖9來看，粉煤灰、礦粉復摻混凝土的裂縫數(shù)目最多，礦粉、底渣復摻混凝土的裂縫數(shù)目最少。粉煤灰、礦粉復摻對混凝土的早期開裂不利，24h齡期內，開裂面積為96.87mm2，較基準混凝土增加了13%。就裂縫面積而言，礦粉或粉煤灰與飛灰復摻的混凝土，其裂縫面積較其它復摻混凝土更大，其中，礦粉、飛灰復摻混凝土的早期開裂面積無論是總面積還是平均面積都是最大的，裂縫總面積達183.84mm2，為基準混凝土的124%。這是由于礦粉和水泥體系雖然水化進程比其它體系完全，但其水化過程中存在的孔隙不能被飛灰有效填充。但與單摻飛灰的混凝土相比，飛灰與礦粉或粉煤灰復摻的混凝土，其裂縫面積明顯減小，尤其是引入粉煤灰后，可將單摻飛灰時的高開裂現(xiàn)象降低至與基準混凝土和粉煤灰混凝土早期開裂相當?shù)乃?，說明在飛灰中引入適量礦粉或粉煤灰后時，兩者的協(xié)同效應對二次水化過程起到了良性調節(jié)作用，不但減緩了裂縫出現(xiàn)的時間，還使收縮裂縫的情況得到改善。與單摻底渣混凝土相比，在底渣中引入礦粉或粉煤灰后，粉煤灰底渣混凝土在24h內仍觀察不到開裂現(xiàn)象；礦粉底渣混凝土的開裂現(xiàn)象遠低于基準混凝土。

4結論

（1）摻入粉煤灰能提高混凝土的拉壓比，降低混凝土的脆性；28d齡期時，摻30%粉煤灰的混凝土，其抗壓強度可達基準混凝土的0.85；粉煤灰的摻入還能抑制混凝土的早期塑性開裂，延緩第一條裂縫出現(xiàn)的時間，24h齡期內裂縫總面積較基準混凝土降低了25%。礦粉可降低混凝土的拉壓比，增加混凝土的脆性，加劇混凝土的早期開裂，使混凝土第一條裂縫出現(xiàn)的時間提前。飛灰混凝土的劈裂抗拉強度與抗壓強度不能同步發(fā)展，拉壓比較小，對混凝土的開裂極為不利。底渣的活性最弱，30%摻量下，底渣混凝土的28d抗壓強度僅為基準混凝土的0.56，但底渣混凝土的低抗壓強度使其拉壓比較大，降低了該混凝土的脆性；同時，由于低活性底渣造成的早期水化程度較低，使得該摻合料混凝土在24h齡期內未出現(xiàn)塑性開裂現(xiàn)象。

（2）各摻合料兩兩復摻后的混凝土體系中，礦粉基二元復合摻合料混凝土的抗壓強度均較高；粉煤灰底渣混凝土、粉煤灰飛灰混凝土的28d抗壓強度也可達25MPa左右，只有底渣飛灰混凝土的抗壓強度比基準混凝土大幅度降低。飛灰、底渣中引入高活性礦粉后，混凝土的脆性較大；礦粉飛灰混凝土早期開裂現(xiàn)象比單摻飛灰混凝土明顯降低，而礦粉底渣混凝土的早期開裂比單摻底渣混凝土提高得不多。飛灰、底渣中引入粉煤灰后，相應復摻混凝土的脆性有所改善，飛灰粉煤灰混凝土的早期開裂現(xiàn)象比單摻飛灰混凝土大大降低，底渣粉煤灰混凝土在24h內未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

（3）對垃圾焚燒飛灰、垃圾焚燒底渣而言，將其作為單一摻合料用于水泥混凝土中，無論力學性能還是抗開裂性能均不理想，但將其與高活性礦粉或粉煤灰進行復合使用，所得混凝土的力學性能可與普通水泥混凝土相當，尤其是和粉煤灰復摻，在強度滿足要求的前提下還能改善混凝土的抗裂性能。因此，在使用礦粉或粉煤灰作混凝土摻合料時，適當摻入垃圾焚燒飛灰或垃圾焚燒底渣是切實可行的工業(yè)廢固利用途徑。

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（《混凝土與水泥制品》2017年第06期）