掺合料种类对混凝土脆性的影响

文摘 2024-12-30 07:03 河南

0　引　言

脆性破坏是指结构在没有明显变形的情况下突然发生的破坏。这种破坏通常是由于材料内部缺陷、结构设计不合理、施工质量控制不严格等因素造成的。在混凝土结构中，脆性破坏通常表现为预制构件的断裂、破碎或脱落。混凝土自身脆性是造成混凝土预制构件产生脆性破坏的主要原因。从原材料出发是减小混凝土预制构件脆性的关键。

混凝土预制构件产生脆性破坏的原因分为3种。

第一种为预制构件局部发生单侧碰撞造成剪力，导致预制构件产生破坏。在混凝土结构中，预制构件通常是由混凝土和钢筋等材料组成的。这些预制构件在拼装完成后，会形成一个完整的结构。然而，当这些预制构件局部发生单侧碰撞时，它们可能会受到剪力，从而导致脆性破坏。

第二种为预制构件发生撞击，局部受到挤压力产生破坏。这种破坏形式通常发生在预制构件的薄弱部位，如连接处或支撑结构中。由于预制构件的材料和设计不同，这种破坏的形式和程度也会有所不同。

第三种为预制构件在拼装完成后受到结构内部拉力而导致构件产生破坏。当预制构件拼装完成后，它们可能会受到各种力的作用，包括结构内部的拉力。如果这些拉力超过了预制构件的承载能力，就可能导致脆性破坏的发生。

本文主要针对第一种原因导致的脆性破坏进行论述。

1　试验方法

为了更准确地模拟预制构件在受到外力作用下的脆性破坏情况，本次试验依据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，通过混凝土抗折试验模拟预制构件受到外力作用下由于剪力发生的脆性破坏，以混凝土抗折强度与抗压强度比作为反应混凝土脆性系数（折压比）的指标。采用P·O42.5型水泥的配比作为基准配比，通过调整减水剂掺量使混凝土坍落度为（140±5）mm的前提下，逐一替换调整配合比中各项原材料。掺合料在总胶材中掺量为20%，粗骨料为全部替换。

2　试验准备

2.1　试验材料

准备适量的水泥（P·O42.5普通硅酸盐水泥）、砂（河砂，Ⅱ区中砂，细度模数为2.55）、碎石（5～25mm连续级配碎石和5～20mm连续级配碎石）、聚羧酸高性能减水剂、水，以及掺合料（F类Ⅱ级粉煤灰、S95级矿粉）。

2.2　混凝土制备

将水泥、砂、石、水以及不同种类的掺合料按照预设的比例混合，搅拌均匀。具体用量如表1所示。

3　试验过程

3.1　试验流程

将制备好的混凝土分成若干份，依据各试验配合比制作边长为150mm×150mm×550mm的棱柱体试验件1组（3块）、150mm×150mm×150mm抗压试验件1组（3块），并放置在标准养护室中水养护28d。抗折试验装置示意如图1所示。双点加荷的钢制加荷头应使两个相等的荷载同时垂直作用在试件跨度的两个三分点处，与试件接触的两个支座头和两个加荷头采用直径为30mm、长度为160mm的硬钢圆柱，支座立脚点为固定铰支，其他3个为滚动支点。

折试验装置，使用300t压力机对试件进行加压，加荷速度为0.08～0.10MPa/s，直至试件破坏。试件断裂破位置处于两个集中荷载作用线之间。

抗折强度计算公式为：

150mm×150mm×150mm抗压试验件采用300t压力机进行抗压试验，加荷速度为0.8～1.0MPa/s。抗压强度计算公式为：

采用冲击试验方法测试混凝土试样的脆性，记录冲击能量值。

3.2　试验过程计算分析

对比不同掺合料混凝土试样的冲击能量值，分析掺合料种类对混凝土脆性的影响。

本次试验采用混凝土28d抗折强度与抗压强度比值代表混凝土脆性，折压比值越大，混凝土脆性越小。试验结果如表2所示。

试验中，使用不同的掺合料来配制混凝土，设计了纯水泥基准配合比试验件（1号）、单掺20%F类Ⅱ级粉煤灰配合比试验件（2号）、单掺20%S95级矿粉配合比试验件（3号）、降低粗骨料最大粒径（将混凝土中5～25mm连续级配碎石替换为5～20mm连续级配碎石）的试验件（4号），同时记录各个配合比的数据。通过对比各组试验件的试验数据，发现适量地掺入掺合料以及调整骨料的粒径能够部分减小混凝土的脆性，优化混凝土性能，降低预制构件局部发生单侧碰撞后脆性破坏的概率。

4　试验结果分析

1号基准试验件，由表2可知混凝土抗压强度及抗折强度均较高。考虑到此次试验试件采用标准水养方式养护28d，试件表面未出现收缩裂缝，故28d折压强度比较高；但在实际生产过程中，考虑到纯水泥混凝土配合比水化热较高，在养护措施不到位的情况容易出现不均匀收缩裂缝，最终导致抗折强度下降影响折压比，造成混凝土发生脆性破坏。

2号试验件，由于粉煤灰本身在水泥水化的过程中参与度较小，掺入20%粉煤灰对混凝土早期及最终强度造成了影响。2号试验件28d抗压强度为55.4MPa，明显低于1号基准试验件，但由于在混凝土中填充了粉煤灰，将混凝土内部水泥水化后存在的空隙进行了进一步填充，增加了混凝土内部的密实度。考虑到粉煤灰在水泥的水化过程中的参与度很小，在掺入20%粉煤灰后，降低了混凝土配合比中的水泥用量，同时也降低了水泥水化热反应的峰值，减少了混凝土的不均匀收缩裂缝的产生，故对混凝土的28d抗折强度影响较小，28d抗折强度为4.51MPa，28d折压比达到了0.0814。

相较于1号试验件，2号试验件的28d抗压强度下降明显，28d折压比提高，混凝土脆性显著降低，一定程度优化了混凝土性能，降低了发生混凝土脆性破坏的可能性。

3号试验件，水泥在水化过程中会产生水化硅酸钙和氢氧化钙，水化硅酸钙为一种胶凝物质，在混凝土中起黏结作用并产生有效强度，而氢氧化钙本身不会产生强度。在混凝土中掺入矿粉后，矿粉虽然在混凝土中不直接参与水化反应，但矿粉与水泥第一次水化热反应后产生的氢氧化钙及水产生了第二次水化热反应，继续产生更多的水化硅酸钙，从而提高了混凝土强度。矿粉产生的第二次水化热反应，避免了1号试验件中水泥水化热峰值较高的情况，降低了水化热峰值，使混凝土在水化过程中一直趋于平稳状态，从而减少了混凝土的不均匀收缩裂缝的产生。

从微观层面出发，混凝土中掺入矿粉能有效填充水泥颗粒的间隙，增加混凝土的密实度，从而提高混凝土抗折强度。由表2的试验结果可以看出，在配合比中掺入矿粉后，2号试验件混凝土的28d抗折强度相较于1号试验件提高明显，28d抗压强度相较于1号试验件有一定程度降低，28d折压比达到了0.0818，为本次试验中最高，使用该配合比的预制构件脆性最低，混凝土发生脆性破坏的概率最小。

4号试验件将混凝土中5～20mm连续级配碎石替换为5～20mm连续级配碎石，减小了粗骨料最大粒径。由表2可知，相较于1号试验件，4号试验件虽然混凝土的28d抗压强度仅下降了0.8MPa，但碎石粒径的减小增加了碎石与混凝土浆体之间的结合面，而碎石与混凝土浆体之间的结合面为混凝土强度的薄弱点，在外力作用下混凝土在此部分更容易出现应力集中，产生剪切破坏。故4号试验件混凝土的28d抗折强度仅为3.79MPa，28d折压比仅为0.0645。在4种配合比试验件的试验结果中，4号试验件混凝土的28d抗折强度最低，28d折压比最低，混凝土脆性最高。经过对比试验可见：混凝土中单掺入一定量的粉煤灰，虽能减少混凝土水化热产生的收缩裂缝，减小混凝土脆性，但粉煤灰本身在水化热过程中参与度较小，替换了一部分水泥后，混凝土中产生的有效水化硅酸钙含量也同步减少，对混凝土抗压强度产生较大的负面影响；单掺入矿粉对减小混凝土脆性有显著的效果，通过二次水化热反应，可提高混凝土强度，有效减少混凝土不均匀收缩裂缝，并提高混凝土密实度。

5　结　语

本研究以纯水泥基混凝土为基础，通过掺和不同掺合料配制成不同混凝土，进行对比试验，探讨掺合料种类对混凝土脆性的影响。试验结果表明，通过调整混凝土的原材料和配合比，可以有效改善混凝土的脆性，提高混凝土的抗折强度。此外，减少预制构件的脆性，应从各方面综合考虑：在施工条件允许的情况下，适当提高混凝土中粉煤灰、矿粉等掺合料的用量；在满足设计要求及标准、规范要求的情况下，应适当提高混凝土中粗骨料碎石的粒径。该项试验对提高混凝土预制构件的质量和安全性具有重要的意义，为优化混凝土性能提供了参考。

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