矿渣和粉煤灰混凝土的抗裂性能研究.pdf

第 6期 2 0 1 2年 6月 广东水利水电 GUANGD0NG W ATER RES0URCES AND HYDROPOW ER No 6 J u n 2 0 1 2 矿渣和粉煤灰混凝土的抗裂性能研究 术 王立华 ，陈理达 ，刘 佳 ，陈锡容 ( 广 东省水利水电科 学研 究院，广东省水利重点科研基地 ，广 东 广州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要 ：矿渣作 为掺合料在 混凝土 中的应 用 日益普及 ，掺 量也不断提 高 ，尤其在硫酸 盐、氯 离子和海水侵蚀 环境 的混凝 土 中，矿渣粉和粉煤灰 是不可或缺的重要组分 。研 究发现 ，掺入 矿渣粉和粉煤灰使水泥胶砂 的脆性 系数 明显减 小，而且 随着掺量增 大 ，脆性 系数 具有减 小的趋势 ，有利 于降低胶砂 和混凝土的开裂倾向 。从 长期 来看 ，矿渣 混凝土抗裂性优 于 空 白混凝土 ，而粉煤灰 混凝 土与空 白混凝土 大致相 当，或稍优 。延长养护时间 ，可减 小混 凝土的脆性 系数 ，提 高极 限拉 仲 值 。 关键词 ：矿渣 ；粉 煤灰 ；混凝土抗裂性 中图分类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 2 9 0 3 为了改善混凝 土的性能和利废等 目的 ，矿渣和粉 煤灰作为掺合料在混凝土 中的应用 日益普及 ，掺量也 不断提高，尤其在硫酸盐 、氯离子和海水侵蚀环境 的 混凝土中，掺合料是不可或缺的重要组分 。与水泥 熟料相 比，矿渣和粉煤灰等掺合料 的水化速度要慢得 多，因此对养护的敏感性也会更强 ，在大掺量时更是 如此 。如果不能得到恰 当的养护 ，大掺量掺合料混 凝 土的胶凝材料不能充分水化 ，也会 产生显著 的干缩 变形 ，甚至导致开裂，从而显著降低混凝土抗海水侵 蚀 、抗碳化等耐久性能 ，可 见，混凝土的抗裂性对混 凝土结构 的耐久性是非 常重要的 。本文就大掺量粉 煤灰和矿渣混凝土的抗裂性能进行 了系统的研究 。 1 混凝 土抗 裂 性能评 价 方法 1 1 极限拉伸值( ) 混凝土轴心拉伸时 ，断裂前最 大拉长应变称为极 限拉伸值 。混凝土极限拉伸是混凝 土临近断裂时 的相 对伸长。 混凝土重力坝设 计规范 (D L 5 1 0 81 9 9 9 ) 规定 ，为防止大坝裂缝 ，温控设计 中必须提 出混凝土 抗裂性指标 ，一般采用 中心受拉的极限拉伸值 。在其 他条件相 同时 ，混凝土极限拉伸值越大，抗裂性越强。 但是 ，只用极 限拉伸值 评定混凝 土的抗 裂性能 ， 而不考虑混凝土的干缩变形是不全面 的，干缩变形对 混凝土抗裂性能影 响很大 ，尤其是非大体积混凝土结 构易受干缩影响而开裂 。如砂浆的极 限拉伸值 比混凝 土 的大( 约为混凝土的 1 4倍 ) ，但十缩变形远大于混 凝土 ，其抗裂性小于混凝土 。通常混凝土 的抗拉强度 越高 、胶凝材料用量越 多，其极 限拉伸值也越大。但 水泥 量的增加势必带来水化热温升等 问题 ( 尤其是 大体积混凝土 ) ，反而对混凝土的抗裂性不利。 1 2 脆性系数( b ) E R i n g o t 等认为改善混凝土的抗 裂性最重要的是 降低其脆性 。脆性系数一般定义为混凝土的抗压强度 与抗拉强度 ( 或抗折强度 、或劈拉强度 ) 之 比，其值越 小 ，混凝土的脆性越小 、韧性越大 、抗裂性越好。 1 3弹强 比 弹强比是混凝土 的弹性模量与其抗压 强度 之 比。 弹强 比越小 ，相同强度下的弹性模量更低 ，混凝土 的 抗裂能力也越好 。弹强 比是至今为止对混凝土抗裂评 价使用最为广泛 的指标 ，在_T程实践中较易得到。 1 4 抗裂能力指数( ， ) 抗裂能力指数是混凝 土的止裂力与起 裂力之 比， 用式( 1 ) 计算 ： ，= 式 中 为 n天龄期 时混凝土 的干缩率 ( 膨胀时取负 号) ；K( n ，t ) 为 n天龄期时混凝土的松弛系数；其他 符号意义同前 。 抗裂能力指数越大 ，则混凝土的抗裂能力越强。 抗裂能力指数基本上包括了混凝土抗裂性的各种 因素在 内，比较全面。抗裂能力指数将混凝土开裂原 因视为起裂力与止裂力相互作用 的结果，而对大坝混 凝土 ，认为所有能引起混凝土收缩 的潜在作用力就是 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 31 6 ；修 回 日期 ：2 0 1 20 4 0 6 作 者简介 ：王立华 ( 1 9 7 2一) ，男 ，硕士 ，高级T程师 ，从事 水T材料 技术研究 。 基金项 目：广东省水利厅立项 资助项 目，项 日编 号 2 0 0 61 0 # 。 29 2 0 1 2年 6月 第 6期 王立华 ，等 ：矿渣和粉煤灰 混凝土的抗裂性能研 究 N o 6 J u n 2 0 1 2 其 自身发热量所引起 的温度收缩应力与水分蒸发所 引 起 的干缩应力。这 2种力叠加后乘 以松弛系数为起裂 力 ，而止裂力就是抗 拉强度。这两者 的比值可以全面 衡量混凝土抗裂能力 的尺度 。 1 5 抗裂性指数( ) 抗裂性指数用式( 2 ) 计算 ： I 叼 ( 2 ) 式 中R为约束系数 ；s 为 n天龄期时混凝 土的 自生 体积变形 ( 膨胀取负) 。 抗裂性指数越大 ，混凝 土的抗裂性 能越好 。抗 裂 性指数既考虑了混凝士的变形性 能之 间的关 系，又考 虑 了混凝 土 强度 。 1 6 理想化抗裂评价指标 理想化抗裂评价指标应该考虑混凝土各个方面性 能对混凝土抗裂性能的影 响，包括抗拉强度 、极 限拉 伸值 、弹性模量 、温度收缩 、干缩 、自生体积变形及 徐变。由此建立的评价指标用式( 3 ) 计算 一 r 一 E， ( R AT+ ， ， 一 C) 一 式( 3 ) 以止裂力 与起 裂力的 比值为系数乘极 限拉 伸值作为评价指标 。该评价指标考虑的因素全 面，这 是它的优点 ，但 同时也是它的缺点 ，因为试验和实际 工程 ( 特别是中小型工程) 中很少能得出全部数据 。 2试 验用 原材 料 采用广东省梅州市塔牌集 团有限公司生产的 P I I 型硅酸盐水 泥( 转 窑) ，强度等级为 4 2 5 R，物理力学 性能见表 1 ，化学成份见表 2 ；石英质河砂 ，物理性能 见表 3 ；5 2 0 n l n l 和 2 0 4 0 ram 2种 规格花 岗石碎石 ， 物理性能见表 4；减水剂为 T L一 4 0 0高效缓凝减水 剂； 黄埔 电厂 级 粉煤灰 ，物理性能见表 5 ；韶钢嘉 羊公 司生产的 $ 9 5级矿渣粉 ，物理性能见表 6 。 表 1 水 泥物 理性 能检验结果 L o s s Si O2 A1 2 O 3 F e 2 03 Ca O Mg O S O3 K2 O Na 2 0 2 0 2 O 7 8 6 5 5 1 5 5 2 3 2 7l 2 5 4 0 7 0 0 2 8 表 4 灰岩碎 石检验结果 1 6 0 0 3 0 0 1 0 0 4 1 3 2 9 0 0 4 8 3 8 O ! 1 3试验配合比设计 粗细集料按风干状态为基准 ，矿渣掺量为 3 0 和 6 0 ，粉煤灰掺量为 1 5 和 3 0 ，均等量取代水泥 。 粗骨料组成 ：2 0 4 0 m m和 2 0 4 0 ra m两种规格碎石的 质量百分 数分别 为 4 0 和 6 0 。混凝土 配合 比见 表 7，其中0 配合比为不掺掺合料的基准混凝土，K组掺 矿渣粉 ，F组掺 粉煤 灰。水胶 比均 为 0 4 6 ，砂 率 为 3 4 ，坍落度为 5 7 c m，水 、胶凝材料及砂 、碎石的 质量同定 ，通过调整外加剂的掺量控制混凝土的坍落 度。试验按照国家行业标准 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土 试验规程 中的有关规定进行 。 表 7混凝 土配合 比 3 0 2 0 1 2年 6月 第 6期 广东水利水 电 4 试 验 结果及 分 析 4 1 水泥胶砂脆性系数 水泥胶砂配合 比为胶凝材料 4 5 0 g 、标准砂1 3 5 、 水 2 2 5 mL ，其 中胶凝材料 由水 泥和矿渣粉或粉煤灰按 比例组 成 。 由图 l 和图 2可见，与不掺矿渣 的水泥胶砂相 比， 掺人 6 0 矿 渣 3 d和 2 8 d龄期 的脆 性 系数 分 别减 小 3 0 8 和 1 4 8 ；掺人 3 0 粉煤灰 3 d和 2 8 d龄期的 脆性系数分别减小 1 3 5 和 5 6 。掺人 矿渣粉和粉 煤灰使水泥胶砂的脆性 系数明显减小 ，而且随着掺量 增大 ，脆性系数具有减小 的趋势 ，有利于降低胶砂和 混凝土的开裂倾向。 2 0 4 0 6 0 8 O 矿渣粉掺量 卜3 d一 2 8 d 图 1 掺矿渣 的水泥胶砂脆性 系数一掺量 关系 4 2 混凝土脆性 系数和极限拉伸 为保证不同养护方式的试件在试验时的含水量相 E l O 20 30 4 0 粉煤 灰掺量 3 d-_ 28 d 图 2 掺粉煤灰的水泥胶砂脆性 系数一掺量关 系 同( 处于干燥状态 ) ，设定试验龄期为 4 5 d ，养护制度 分为 如下 4种 ，A：标 准养 护 2 8 d 、干 缩室 1 7 d ；B： 标准养护 】 4 d 、干缩室 3 1 d ；C：标准养护 3 d 、干缩室 4 2 d ；D：标准养护 0 d 、干缩室 4 5 d 。标准养护温度为 2 02 ，湿 度不 小 于 9 5 ；干缩 室 温度 为 2 02 c ( = ， 湿度为 6 05 。干燥状态 的混凝土试件从干缩室取 出直接进行试验 。 由表 8可知 ，养护时间 由 2 8 d缩短为 1 4 d和 3 d ， 混凝土 的脆性系数均具有增大 的趋势，极限拉伸值减 小。采用养护制度 D时，由于混凝土的抗压强度显著 下降，导致其脆性系数减小 ，但这并不能表示混凝土 的抗裂性下降，反而 由于其抗拉强度和极限拉伸值减 小 ，收缩值增大而更容易开裂。总体上说 ，延长养护 时间可改善混凝土的抗裂性。 表 8 混凝土 的脆 性系数和极限拉伸值试验结 果 4 3 混凝土弹强 比、抗裂能力指数和抗裂性指数 由表 9可知 ，养护 2 8 d时 ，弹强 比由大 到小 的顺 序 ：粉煤灰混凝土 矿渣粉混凝土 空 白混凝土 ，弹 强 比越大 ，抗裂性越差 ； 养护 2 8 d时，抗裂能力指数( ， ) 和抗裂性指数 ( 7 7 ) 由大到小的顺序 ：矿渣粉混凝 土 空 白混凝 土 粉煤 灰混凝土 ，抗裂能力指数越大 ，抗裂性越好。 由于粉煤灰和矿渣具有二次水化反应 ，后期性能 大幅提高 ，抗拉强度和极限拉伸具有较大幅度 的提高 ， 从而改善混凝土的抗裂性 J ，因此从长期来看 ，矿渣 混凝土抗裂性优于空 白混凝 土，而粉煤灰混凝 土与空 白混凝土大致相当 ，或稍优。 表 9 混凝土弹强 比、抗裂能 力指数和抗裂性指数试验结果 5结论 掺入矿渣粉和粉煤灰使水泥胶砂的脆性 系数明显 减小 ，而且随着掺量增大 ，脆性系数具有减小的趋势 ， 有利于降低胶砂和混凝土的开裂倾向。 ( 下转第 3 9页) 31 6 4 2 O 龌 2 0 1 2年 6月 第 6期 广 东水 利水电 N o 6 J u n 2 0 1 2 混凝土抗气体渗透能力提高，抗碳化性能将会提高。 总体上看 ，掺人矿渣和粉煤灰增大混凝土碳化深 度 ，降低其抗碳化能力。 5 减 少混 凝 土碳化 的措 施 在正常的非侵蚀大气 巾，混凝土 的碳化会使其碱 度降低 ，使之失去对钢筋的保 护作 用 ，从而影响其结 构 的耐久性。在混凝土碳化影响因素的讨论 中，还可 清楚地 了解到 ，周 同介质 、施工 条件和原材料等因素 都对混凝土碳化有 明显影 响。但 归根结 蒂，若混凝土 具有较好 的密实性 ，则可 能获得 较好 的抗 碳化性能 。 因此 ，为了减少混凝土的碳化一般可采取如下措施 ： 1 )合理设计混凝土配合比。选择抗碳化性能较好 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 ，并有足够的水泥用 量 ( 一般不少于 3 0 0 k g m ) ；同时应尽量降低水灰 比或 掺入减水剂 ，尽可能在满足施工和易性要求的前提下 ， 降低其用水量 ，在必要掺入合乎 国标要求的优质粉煤 灰时 ，采用超量取代法设计混凝土配合 比。 2 )在混凝土施工时，应采用机械震捣 ，以保证混 凝土的密实性。同时 ，应尽可能避免采用加热养护以 加速混凝土硬化 ，l当采用 自然养护时 ，应按有关规程 的要求 ，经常喷水养护 ，使混凝土表面保持潮湿状态 ， 或覆盖塑料薄膜 ，或喷涂养护液 ，以减少水 份蒸发和 表 面裂 缝 。 3 )采用表面涂层或表面覆盖层的方法 ，隔绝混凝 土与大气的直接接触 ，对减少或 防止混凝土的碳 化有 明显效 果 。 实践表 明，无机或有机的各 种外墙涂料 ，各种砂 浆抹灰层都会不 同程度地减少混凝土 的碳化深度。若 采用抗 渗 性能 良好 的防水 水 泥砂 浆抹 面 层 ( 约 1 1 5 c m) ，可以完全隔绝 C 0 2的渗透 ，保护混凝土表面 不受碳化。 若采用低分子聚乙烯或石蜡浸渍混凝土表面 ，可 完全隔绝 C 0 2渗透的毛细管孑 L 道 ，使混凝土不遭受碳 化 。 4 )考虑钢筋混凝土结构有足够的保护层厚度 ，这 是最常用的保护钢筋不遭锈蚀 的一种方法。在一般情 况下 ，虽然混凝土遭受碳化 、但尚未透过保护层厚度， 对钢筋仍有很好的保护作用。但若周 同介质的相对湿 度较大 ，或是共他酸性气体含量较高时，特别是氯气 的含量较高时 ，则可能效果较差 。 6 结论 1 )延长养护时间减小混凝土碳化深度，可提高混 凝土的抗碳化能力。 2 )掺人矿渣和粉煤灰增大混凝土碳化深度 ，可降 低其抗碳化能力。 参考文献 ： 1 王建强地铁隧道衬砌结构 钢筋锈蚀 及耐 久性研究 D 两安 ：长安大学 ， 2 0 0 9 2 冯乃谦高性能混凝土 M 北京：中国建筑T业 版 礼 ，1 9 9 6 3 王立华 ，陈理 达 ，刘佳 矿 渣 和粉煤灰 对胶 砂力学 性能 的影响研究 J 广 东水利水 电 ，2 0 1 2 ，( 3 ) ：l 9 2 2 4 杨 医博 ，梁 松 ，莫海 虹 ，等抗 氯盐高 性能 混凝土 技术 手册 M 北京 ：中国水利水电 版社 ，2 0 0 6 5 工立华 ，陈理 达 ，李 红彦 ，等 养 护制 度及掺 合料掺 量 对混凝 土 力 学 性 能 的 影 响研 究 j 广 东 水 利 水 电 ， 2 0 1 1 ，( 1 1 )：3 53 8 6 S L 3 5 2 2 0 0 6水 工混 凝土试验规 程 S 北京 ：中国水利 水电 出版社 ，2 0 0 6 ( 本文责任编辑马克俊 ) 芾 尔 综 尔。 每 场 衣 蝽 匆 i 尔 尔 笨 尔 夺 尔 当 岛 j 譬 笔 尔 i 尔 皇 筇 场 i ( 上接第 3 1页) 从长期来看 ，矿渣混凝土抗裂性优于空白混凝土 ， 而粉煤灰混凝土与空 白混凝土大致相当 ，或稍优。 延长养护时 问，可减小混凝土 的脆性系数 ，提高 极 限拉伸值。 参考文献 ： 1 杨医博，梁松，莫海虹，等抗氯盐高性能混凝土技术 手册 M 北京 ：中围水利水 电f 版社 ，2 0 0 6 2 王立华 ，陈理 达 ，刘佳 矿渣 和粉 煤灰 对胶砂 力学 性能 的影响研究 J 广 东水利水 电，2 0 1 2 ，( 3 ) ：1 9 2 2 3 工立华 ，陈理 达 ，李 红彦 ，等养 护制度 及掺 合料掺 量 对混 凝 土 力 学 性 能 的 影 响 研 究 J 广 东 水 利 水 电， 2 01 1 ， ( 1 1 )：3 53 8 4 张 誉 ，蒋 利 学 ，张 伟 平 ，等 ，混凝 土 结 构 耐久 性 概论 M 海 ：上海科学技术 版社，2 0 0 3 5 沈旦申，张萌济粉煤灰效应的探讨 J 硅酸盐学报， 1 9 8 1 ，( 6 ) ： 5 8 6 3 ( 本文责任编辑马克俊) 3 9