魏洪鋼,臧斌浩,張 睿,馬文斌,王章夫

(1.杭州錢新華威建材有限公司,浙江 杭州 310018; 2.浙江華威混凝土有限公司，浙江 杭州 310018)

混凝土是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的建筑材料,但其抗拉能力差,容易開裂。裂縫的存在對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性有不利影響。調(diào)查研究表明,混凝土早齡期的體積變形是造成混凝土開裂的主要原因,由體積變形引起的裂縫可占所有裂縫的80%以上[1]。因此,針對混凝土早齡期抗裂性能的研究一直是混凝土材料科學(xué)研究的熱點。

近十幾年來,隨著礦物摻合料在混凝土中的推廣應(yīng)用,對于摻合料對混凝土早齡期抗裂性能影響的相關(guān)研究已積累了一定成果[2-6]。其中,粉煤灰作為最為常見的礦物摻合料之一,能夠有效地降低混凝土的早齡期放熱、降低早齡期自收縮和干燥收縮,有益于混凝土抗裂性能的提升[2,4]。但是,粉煤灰的摻入同時也會降低混凝土早齡期力學(xué)性能,降低其抵抗開裂的能力。由于混凝土早齡期收縮是混凝土開裂主要的驅(qū)動力,因此已有研究對于粉煤灰混凝土收縮性能的關(guān)注較多[5-6],而對粉煤灰混凝土早齡期拉伸性能的研究較少。并且,已有研究多是在同水膠比下研究粉煤灰摻量對混凝土抗裂相關(guān)性能的影響[7],這與實際工程中按照混凝土強度等級進行配合比設(shè)計存在較大差別,因此研究成果無法指導(dǎo)工程實際。在等強度條件下,研究粉煤灰摻量對混凝土早齡期拉伸特性和收縮性能的研究較為少見[8]。

本文擬通過實驗研究,考察等強度條件下粉煤灰摻量為30%和40%的混凝土的早齡期拉伸特性(包含拉伸強度、拉伸彈性模量和極限拉伸應(yīng)變)和干燥收縮性能,分析等強度條件下粉煤灰摻量對混凝土早齡期抗裂性能的影響。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料及配合比

本文用到的膠凝材料有：P·O42.5普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級粉煤灰,其化學(xué)組成和物理性能見表1、表2。選用的粗集料為碎石,粒徑范圍為5～31.5 mm；細(xì)集料由機制砂和天然砂組成,機制砂細(xì)度模數(shù)為3.3,天然砂細(xì)度模數(shù)為0.8。為保證混凝土具有相近的流動性,在配制混凝土過程中摻加了科之杰Point-400型萘系減水劑,其減水率為22.0%,固含量為31.8%。拌和用水為杭州自來水。兩種混凝土的配合比見表3。

表1 水泥與粉煤灰化學(xué)成分

表2 水泥與粉煤灰物理性能

表3 混凝土配合比

注：FA30-0.46和FA40-0.42分別代表粉煤灰摻量30%與40%。

1.2 力學(xué)性能測試

力學(xué)性能測試包括抗壓強度和劈裂抗拉強度,測試按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》進行?？箟簭姸仍嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm,測試齡期為3、7、28、60 d。劈裂抗拉強度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,由于混凝土劈裂抗拉強度與其早齡期抗裂性能密切相關(guān),因此其測試齡期從早齡期開始,具體為： 0.83、1、1.25、1.5、1.75、2、3、7、28、60 d。養(yǎng)護條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，即溫度(20±2) ℃,濕度95%以上。

1.3 早齡期拉伸特性

本文測試的混凝土早齡期拉伸特性包括拉伸強度、拉伸彈性模量和極限拉伸應(yīng)變。測試方法采用楊楊等設(shè)計的混凝土軸向拉伸測試裝置,該裝置的組成及測試原理見文獻[9]。 本文采用拉伸特性測試試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。通過千斤頂施加拉伸應(yīng)力,采用荷載傳感器測試荷載變化,采用PI型變位計測試試件在荷載作用下的變形。荷載與變形的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀采集,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線可計算彈性模量。拉伸特性測試也在早齡期進行,具體為：24、30、36、42、48、72 h。其中,72 h時混凝土強度已較高,當(dāng)達到極限荷載后會發(fā)生突然破壞,PI型變位計無法及時記錄其破壞時的應(yīng)變變化,因此,72 h時未測試混凝土試件的極限拉伸應(yīng)變和拉伸彈性模量。

1.4 干燥收縮

干燥收縮的測試方法參照文獻[10]進行。測試所用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體,測試環(huán)境的溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(60±5)%?；炷猎嚰仓?立即用塑料薄膜密封表面,以防水分散失。試件養(yǎng)護至終凝時拆模,終凝時間測試方法按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50080—2016)》規(guī)定進行。拆模后,混凝土試件直接暴露在空氣中,并置于鐵板上,試件底部墊有特氟龍片,以降低混凝土試件與鐵板之間的摩擦。收縮變形通過位移傳感器測得,起測時間為混凝土終凝后0.5 h,變形數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀收集與記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰混凝土抗壓強度和劈裂強度

兩種粉煤灰混凝土的抗壓強度經(jīng)時變化見圖1。由圖1可知,從3 d齡期開始,FA30-0.46和FA40-0.42的抗壓強度發(fā)展趨勢相近,但FA40-0.42的抗壓強度在不同齡期均略高于FA30-0.46。雖然FA40-0.42粉煤灰摻量較高,會降低混凝土的早齡期抗壓強度,但是其水膠比較低,因此FA40-0.42的抗壓強度反而略高于FA30-0.46。齡期為60 d時,FA30-0.46和FA40-0.42的抗壓強度分別為53.5 MPa和56.8 MPa,兩者抗壓強度十分接近。同樣,在早齡期,特別是3 d時,FA30-0.46和FA40-0.42的抗壓強度分別為24.6 MPa和26.7 MPa, 兩者更為接近。因此可以認(rèn)為,FA30-0.46和FA40-0.42大致符合等強度的要求。

圖1 粉煤灰混凝土抗壓強度經(jīng)時變化

圖2為粉煤灰混凝土劈裂強度的經(jīng)時變化。由圖2可知,雖然FA30-0.46和FA40-0.42后期抗壓強度相近,但是FA40-0.42的后期劈裂強度遠高于FA30-0.46。隨著齡期的增加,粉煤灰的火山灰效應(yīng)不斷發(fā)揮,能有效地改善混凝土中界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu),增強界面過渡區(qū)粘結(jié)強度。這一效應(yīng)宏觀上能有效地提高混凝土的抗壓強度和劈裂強度。其中,劈裂強度受界面過渡區(qū)粘結(jié)強度影響較抗壓強度大,因此粉煤灰的火山灰效應(yīng)對劈裂強度的增強效應(yīng)更為顯著。另一方面,FA40-0.42的水膠比更低,因此其劈裂強度也更高?；炷恋脑琮g期抗裂性能與其早齡期的力學(xué)性能直接相關(guān)。圖3為粉煤灰混凝土在早齡期(<7 d)時劈裂強度的經(jīng)時發(fā)展。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),24 h時,由于FA40-0.42的粉煤灰摻量較高,因此其劈裂強度低于FA30-0.46,但是24 h后,由于水膠比較低,FA40-0.42的劈裂強度已高于FA30-0.46。劈裂強度越高,表明混凝土早齡期抗裂能力越強。

圖2 粉煤灰混凝土長齡期劈裂強度經(jīng)時變化

圖3 粉煤灰混凝土早齡期劈裂強度經(jīng)時變化

2.2 粉煤灰早齡期拉伸特性

粉煤灰混凝土拉伸特性測試的結(jié)果見圖4～6。FA30-0.46和FA40-0.42的早齡期拉伸強度的經(jīng)時變化見圖4。軸向拉伸強度測試結(jié)果與劈裂強度測試結(jié)果略有不同。在極早齡期(<48 h),由于粉煤灰摻量高,FA40-0.42的軸向拉伸強度均低于FA30-0.46；48 h齡期之后,兩者軸向拉伸強度基本相同。劈裂強度則是24 h后FA40-0.42已高于FA30-0.46。這一差別應(yīng)與測試方法的不同有關(guān),但是總體而言,兩種拉伸強度共同的趨勢為：在極早齡期,FA40-0.42拉伸強度低于FA30-0.46,但是隨著齡期的增長,FA40-0.42拉伸強度與FA30-0.46相近或比FA30-0.46略高。這一臨界齡期在24～48 h之間。因此,從拉伸強度角度而言,極早齡期(<48 h),FA40-0.42的抗裂能力低于FA30-0.46,而后隨著水化的進行,FA40-0.42的抗裂能力優(yōu)于或相近于FA30-0.46。

圖4 粉煤灰混凝土早齡期拉伸強度經(jīng)時變化

混凝土的早齡期抗裂能力除了與拉伸強度有關(guān)以外,與混凝土本身極限拉伸應(yīng)變也直接相關(guān)。圖5為FA30-0.46和FA40-0.42的早齡期極限拉伸應(yīng)變。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),24 h時,FA30-0.46的極限拉伸應(yīng)變遠高于FA40-0.42,而后兩者極限拉伸應(yīng)變較為接近,但是仍是FA30-0.46略高于FA40-0.42。因此,假設(shè)在同等受拉條件下,FA30-0.46的變形能力較FA40-0.42高,其抗裂能力也優(yōu)于FA40-0.42。

圖5 粉煤灰混凝土早齡期極限拉伸應(yīng)變經(jīng)時變化

混凝土早齡期的彈性模量直接決定了混凝土內(nèi)部拉伸應(yīng)力發(fā)展,因此也對混凝土的早齡期抗裂性能有重要影響。FA30-0.46和FA40-0.42的早齡期拉伸彈性模量發(fā)展見圖6。由圖6可知,在早齡期(<48 h),FA30-0.46的拉伸彈性模量高于FA40-0.42,即在同樣應(yīng)變的情況下,FA30-0.46中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力將高于FA40-0.42。因此從這一角度分析,FA30-0.46較高的拉伸彈性模量是對其抗裂性能不利的。

2.3 粉煤灰混凝土干燥收縮性能

由于混凝土在早齡期水化發(fā)展快,且含水率高,因此在早齡期,混凝土干燥收縮發(fā)展最為迅速。這是導(dǎo)致混凝土早齡期開裂的主要驅(qū)動力之一。FA30-0.46和FA40-0.42的干燥收縮發(fā)展歷程見圖7。由圖7可知,混凝土干燥收縮早期發(fā)展極快,后期發(fā)展速率減緩,但仍在不斷增長。對比而言,FA30-0.46的干燥收縮大于FA40-0.42。由此可見,等強度條件下,摻加粉煤灰有助于降低混凝土的干燥收縮。粉煤灰本身力學(xué)性能較高,因此在混凝土中可以發(fā)揮微集料效應(yīng),從而降低混凝土的收縮。從抗裂角度而言,FA40-0.42干燥收縮低,因此同等條件下其開裂風(fēng)險應(yīng)低于FA30-0.46。

圖7 粉煤灰混凝土干燥收縮發(fā)展

2.4 等強度粉煤灰混凝土抗裂性能分析

實際工程中,混凝土抗裂性能并非由單一因素或單一指標(biāo)就可以確定,而是需要考慮混凝土力學(xué)性能、熱學(xué)性能和變形性能等因素的交互影響。本文測試了等強度粉煤灰混凝土FA30-0.46和FA40-0.42的基本力學(xué)性能(抗壓強度、劈裂強度)、早齡期拉伸特性(拉伸強度、極限拉伸應(yīng)變和拉伸彈性模量)和干燥收縮性能等與混凝土抗裂性能直接相關(guān)的關(guān)鍵材料性能,以期綜合分析等強度條件下粉煤灰混凝土的抗裂性能。

混凝土早齡期干燥收縮是其發(fā)生開裂的驅(qū)動力,相較而言,FA40-0.42的干燥收縮小于FA30-0.46。因此,等強度條件下,粉煤灰摻量的增加降低了混凝土早齡期開裂的驅(qū)動力,有利于提高混凝土的抗裂能力。另一方面,混凝土的拉伸強度和極限拉伸應(yīng)變表征了混凝土抵抗開裂的能力?？傮w而言,在極早齡期(<48 h)時,FA30-0.46的拉伸強度和極限拉伸應(yīng)變均高于FA40-0.42,因此極早齡期時,FA30-0.46抵抗開裂的能力高于FA40-0.42。48 h后FA30-0.46和FA40-0.42的拉伸強度基本相同,此時兩者抗裂能力相近。此外,由測試結(jié)果可知,FA30-0.46的拉伸彈性模量高于FA40-0.42,這對其抗裂性能是不利的。綜合而言,相較于FA40-0.42,FA30-0.46的拉伸強度和極限拉伸應(yīng)變較高,但是其拉伸彈性模量和干燥收縮也較大。因此,等強度條件下,FA30-0.46和FA40-0.42抗裂性能應(yīng)相近,進一步的對比需結(jié)合混凝土實際服役條件進行分析。

3 結(jié) 語

粉煤灰混凝土已廣泛應(yīng)用于各類基礎(chǔ)工程中。本文研究對比了摻量分別為30%和40%的等強度粉煤灰混凝土的早齡期拉伸特性和干燥收縮性能,并對其抗裂性能進行了分析。結(jié)果如下：FA30-0.46和FA40-0.42抗壓強度發(fā)展趨勢相近,FA40-0.42抗壓強度略高于FA30-0.46；24 h時,FA40-0.42的劈裂強度略低于FA30-0.46,但是后期,FA40-0.42的劈裂強度高于FA30-0.46；在極早齡期(<48 h)時,FA30-0.46的拉伸強度、極限拉伸應(yīng)變和彈性模量均高于FA40-0.42,48 h后FA30-0.46和FA40-0.42的拉伸強度基本相同； FA30-0.46的早齡期干燥收縮高于FA40-0.42。綜合分析,等強度條件下粉煤灰摻量30%和40%的混凝土，F(xiàn)A30-0.46和FA40-0.42的早齡期抗裂性能應(yīng)相近。