潘竟盛，劉建忠，張倩倩

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210008）

0　引言

高強混凝土具有強度高、負荷能力大，資源和能源消耗少以及耐久性優(yōu)異等特點，能滿足土木與建筑工程輕量化、高層化、大跨化、重載化以及耐久化等諸多方面的要求，在眾多工程中已得到大規(guī)模應用。然而，近年來一些工程應用實踐表明，高強混凝土結(jié)構(gòu)物開裂問題，尤其是早期開裂問題十分突出。混凝土在新拌狀態(tài)下，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時，毛細管中產(chǎn)生負壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮，進而導致開裂。高強混凝土低水膠比、高膠凝材料用量以及大摻量超細活性摻合料的制備特點，導致混凝土早期收縮變形與普通混凝土存在較大差異。因此，本文采用平板約束法定量研究大摻量礦物摻合料對低水膠比水泥基材料塑性開裂的影響，為提出低水膠比水泥基復合材料變形與開裂抑制的措施提供依據(jù)。

1　原材料與試驗方法

1.1　原材料

試驗用水泥為小野田52.5P·II水泥，密度為3.17 g/cm3，比表面積為388 m2/kg；粉煤灰為I級粉煤灰，密度為2.33 g/cm3，比表面積為415 m2/kg；礦粉為S95級磨細礦渣，密度為2.84 g/cm3，比表面積為 404 m2/kg；硅灰密度為2.09 g/cm3，比表面積22 000 m2/kg；膠凝材料化學成分見表1所示。潔凈的中砂，細度模數(shù)為2.6。減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，固含量為20%。

1.2　配合比

本試驗固定砂漿水膠比為0.2、砂膠比為1.2。考察粉煤灰和礦粉摻量為10%、30%、50%，硅灰摻量為10%、20%、30%對低水膠比砂漿塑性開裂的影響?？紤]到硅灰摻量較高時砂漿澆筑密實性較差，因此硅灰摻量影響試驗提高了減水劑用量，具體試驗配合比見表2。

1.3　試驗方法

（1）塑性開裂試驗

采用平板約束法測試低水膠比水泥基材料的塑性開裂性能，將攪拌后的漿體澆筑在模具中成型，位于1 000 W碘鎢燈下方，立即開啟風扇，風速保持在3～3.1 m/s。砂漿表面水分在熱、風的作用下逐漸蒸發(fā)，當水分蒸發(fā)速度大于泌水速度時，水泥中的毛細管失水產(chǎn)生塑性收縮應力，從而引起塑性開裂。觀察并記錄初始開裂時間，及測試6 h后裂縫總面積及寬度分布。

表1　膠凝材料的化學組成單位：%

表2　試驗配合比

（2）裂縫寬度的定量表征

對裂縫進行圖像采集，再利用圖像分析軟件對圖像進行處理及分析。采用WEIBULL分布函數(shù)來分析裂寬度分布。修正后的WEIBULL寬度分布見表達式：

式中：Pcrock為裂縫潛在系數(shù)；w為裂縫的寬度值，mm；α為分布圖形的形狀參數(shù)；β為尺度參數(shù)。

α、β和Pcrock三因數(shù)是裂縫特征及其分布的重要指標。裂縫潛在系數(shù)Pcrock直接影響裂縫出現(xiàn)的幾率，Pcrock降低，裂縫寬度分布曲線的初始值向下移；分布圖形的形狀參數(shù)α影響分布曲線的形狀，α值降低，曲線變得扁平，裂縫寬度分布范圍變大；尺度參數(shù)β直接影響到平均裂寬，β值降低，裂縫寬度分布曲線向左移，裂縫平均寬度減小。

裂縫潛在系數(shù)Pcrock和尺度參數(shù)β對裂縫寬度分布影響較大，可作為評價裂縫寬度分布的主要指標，而形狀參數(shù)α影響相對較小，可作為評價裂縫寬度分布的輔助指標。

2　試驗結(jié)果與分析

研究了粉煤灰摻量 （0、10%、30%和50%）、礦渣摻量（0、10%、30%和 50%）和硅灰摻量（0、10%、20%和30%）對低水膠比砂漿塑性開裂的裂縫平均寬度以及裂縫總面積的影響，結(jié)果見圖1和圖2。同時，給出了各礦物摻合料摻量情況下砂漿塑性裂縫寬度分布及其特征參數(shù)，結(jié)果見圖3和表3。

圖1　粉煤灰和磨細礦渣摻量對裂縫平均寬度和裂縫總面積的影響

圖2　硅灰摻量對裂縫平均寬度和裂縫總面積的影響

圖3　摻合料對塑性裂紋寬度分布的影響

表3　砂漿塑性裂縫寬度分布的特征參數(shù)

圖3和表3中結(jié)果表明：粉煤灰摻量較低時（10%）略微增加了塑性開裂程度，裂縫平均寬度和總面積分別從0.28 mm和47.7 mm2增加到0.31 mm和49.3 mm2。然而隨著摻量的提高，粉煤灰表現(xiàn)出優(yōu)異的抗塑性開裂效果，當摻量增加到30%和50%時，低水膠比砂漿在塑性階段均未開裂。摻入粉煤灰后，裂縫潛在系數(shù)Pcrack和尺寸參數(shù)β降低，裂縫出現(xiàn)的幾率減小，裂縫寬度減小，說明試件的抗塑性開裂能力增強；形狀參數(shù)α降低，說明裂縫寬度分布范圍變窄。當水分蒸發(fā)速度大于泌水速度時，毛細管失水產(chǎn)生塑性收縮應力從而引起塑性開裂。摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰后水分蒸發(fā)速率減小，且摻量越高效果越顯著，因此可有效抑制了混凝土早期的塑性收縮，降低塑性開裂風險。

摻入礦渣可降低塑性開裂程度，裂縫平均寬度和總面積均減小，且礦渣摻量越高作用效果越顯著。礦渣摻量為10%、30%、50%時，裂縫平均寬度從0.28 mm 分別減小到 0.15 mm、0.11 mm、0.11 mm，裂縫總面積也分別降低了53.5%、58.3%和78.6%。隨著礦渣摻量的增加，裂縫潛在系數(shù)Pcrack和尺寸參數(shù)β逐漸降低，裂縫出現(xiàn)的幾率減小，裂縫寬度減小，試件的抗塑性開裂能力增強；隨著礦渣摻量的增加，形狀參數(shù)α降低，說明裂縫寬度分布范圍變窄。摻入礦渣使水分蒸發(fā)速率隨之增大，但同時摻入礦渣后會增加混凝土的泌水量，應及時補充水分，降低開裂風險。

摻入硅灰后增加了開裂程度，裂縫平均寬度和總面積均增大。硅灰摻量10%、20%、30%時，裂縫總面積分別增大了63.5%、154.7%、87.4%，裂縫平均寬度也從 0.28 mm分別增大到 0.48 mm、0.72 mm、0.64 mm。摻量30%硅灰時的開裂程度低于20%的原因主要是，硅灰摻量較高時，砂漿工作性能差較難密實成型且表面難以抹平，這些原因?qū)е铝四＞邇啥说匿摻罡浇a(chǎn)生裂縫，而這些裂縫不在有效區(qū)，數(shù)據(jù)處理時作為無效處理，因此導致了有效區(qū)裂縫寬度和裂縫總面積偏低。摻入硅灰后，裂縫潛在系數(shù)Pcrock均為100，尺寸參數(shù)β大幅度增大，裂縫寬度減小，試件的抗塑性開裂能力變差；形狀參數(shù)α增大，說明了摻入硅灰后裂縫寬度分布范圍變寬。硅灰顆粒較小，可顯著增加漿體基體的密實性，細化孔徑，僅此增加毛細孔負壓，導致混凝土塑性收縮增大；此外，硅灰比表面積加大，對水親和力較好，可顯著降低混凝土的泌水率，因此摻入硅灰將顯著增大塑性開裂風險。

低水泥基材料中硅灰摻量普遍較高，當在高溫、低濕和高風速環(huán)境下應用時需關(guān)注其塑性開裂問題。可通過復配粉煤灰和礦粉，以及薄膜養(yǎng)護、二次抹面等減小表面水分蒸發(fā)的措施來降低開裂風險。

3　結(jié)論

（1）低水膠比水泥基材料中粉煤灰摻量較低時對抗裂性能無明顯的提升作用；而隨著摻量的提高，粉煤灰表現(xiàn)出優(yōu)異的抗塑性開裂效果，摻量增加到30%和50%時，低水膠比砂漿在塑性階段均未開裂。

（2）低水膠比水泥基材料中摻入礦渣可降低塑性開裂程度，裂縫平均寬度和總面積均減小，且礦渣摻量越高作用效果越顯著，但礦渣的作用效果次于粉煤灰。

（3）摻入硅灰后增加了塑性開裂程度，裂縫平均寬度和總面積均增大。

[1]Tam C M,Tamb V W Y,Ng K M.Assessing drying shrinkage and water permeability of reactive powder concrete produced in Hong Kong[J].Construction and Building Materials,2012 26(1):79-89.

[2]劉建忠,孫偉,繆昌文,等.礦物摻合料對低水膠比混凝土干縮和自收縮的影響 [J].東南大學學報(自然科學版),2009,39(3):580-585.

[3]Victor Y G,Lawrence F K,Kimberly E K.Short-term tensile creep and shrinkage of ultra-high performance concrete [J].Cement and Concrete Composites,2009,31(3):147-152.

[4]Collepardi M,Borsoi A,CollepardiS,et al.Effects of shrinkage reducing admixture in shrinkage compensating concrete under nonwet curing conditions[J].Cement and Concrete Research,2005,27(6):704-708.