基于高性能混凝土配合比力学性能及抗裂性能研究

文摘 2025-01-03 07:01 河南

1　概　述

高性能混凝土因其优异的长期性能、早强和工作性能，在建筑、路桥等领域有着广阔的发展前景。目前，我国高性能混凝土多用于大跨径及超高层结构，尽管高强、可靠度更高，但其抗裂能力不足也不可忽视。由于高性能混凝土成因复杂，其裂缝的防治难度较大，不仅会对其外形造成不良影响，还会缩短服役年限及耐久性。由于大体积混凝土在浇筑时会引起较高的温度和较高的干缩变形，若控制措施不得当，将会导致贯穿裂缝，直接影响建筑的质量安全。因此，如何有效抑制混凝土开裂是迫切需要解决的问题。

为此，许多学者进行了相关研究。许明纲研究了不同水胶比对混凝土抗裂性的影响，并结合试验数据，提出了有效保证抗裂性的最优配合比，为水工混凝土开裂控制及北方严寒地区水利工程的长效运行提供了技术支持。

胡萍研究了不同掺量粉煤灰对高性能混凝土的抗裂性能影响，结果表明，在掺量20%内，粉煤灰的掺入有利于改善高性能混凝土抗裂性能。改良试验条件后，再次开展平板试验，结果显示，高性能混凝土的开裂时间和最大裂缝宽度随着粉煤灰掺量的提升而得到改良，但开裂面积表现出不同发展趋势，其中最低点出现于掺量为20%。

张潇研究了养护方法对矿物掺合料混凝土早期抗裂性能的影响，结果表明，单掺粉煤灰试件裂缝最大宽度仅有0.27mm，裂缝条数最多为3条，均优于单掺矿粉组试件。

煤炭发电需要消耗大量的煤炭来提供电力，而过程中产生的飞灰被称作粉煤灰，这种粉煤灰集微观颗粒效应、火山灰效应和球形效应于一身，不仅可以极大地提高混凝土的工作特性，降低混凝土的水化放热速率，提高混凝土的抗开裂能力，还可以实现环保，达到降低成本和减少污染的目的。本文对不同比例的粉煤灰进行力学、热学及长期性能的对比研究，分析其对混凝土性能的影响，明确粉煤灰在工程上的最优用量。

2　试验配合比

基于前期基础试验研究，拟确定混凝土水胶比0.34，混凝土砂率42%，碎石占比分别为5～25mm占比80%，5～10mm占比20%。粉煤灰掺量范围不超过50%，从纯水泥体系开始，以10%掺量作为梯度，开展混凝土性能研究。

3　结果与讨论

3.1　高性能混凝土力学性能

3.1.1　高性能混凝土抗压强度

高性能混凝土不同龄期抗压强度随粉煤灰掺量增加的变化规律见图1。

由图1可知，混凝土早期抗压强度与粉煤灰掺量呈相反趋势，粉煤灰掺量越高，混凝土抗压强度越低，粉煤灰掺量低于30%，混凝土早期抗压强度下降幅度较小;当超过30%掺量后，混凝土早期抗压强度下降幅度较大。对比未掺加粉煤灰组，掺加粉煤灰量为50%时，混凝土7d抗压强度为未掺加强度的58.2%，下降41.8%;混凝土28d抗压强度为未掺加强度的76.3%，下降23.7%，下降幅度较大;粉煤灰掺量为10%～30%区间，混凝土60d抗压强度均超过未掺加粉煤灰组。当粉煤灰掺量为30%，混凝土60d抗压强度最佳，为63.9MPa。

研究表明，粉煤灰掺量增加，混凝土早期抗压强度损失加快，但60d抗压强度增幅较大。这主要是由于粉煤灰的水化反应需要激发条件，初期的掺入，粉煤灰主要是填充作用，水化较慢，导致混凝土早期抗压强度较低。但随着碱性环境的不断激发，粉煤灰反应形成的水化产物不断填充结构，补充空隙薄弱位置，混凝土抗压强度持续增加。

3.1.2　高性能混凝土劈裂抗拉强度

高性能混凝土不同龄期劈裂抗拉强度、拉压比(混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度的比值)随粉煤灰掺量增加的变化规律见图2、图3。

由图2可知，不同粉煤灰掺量下混凝土劈裂抗拉强度的变化规律和混凝土抗压强度相同。对比未掺加粉煤灰组，掺加粉煤灰量为50%时，混凝土7d劈裂抗拉强度为未掺加强度的69.0%，下降31.0%;混凝土28d劈裂抗拉强度为未掺加强度的78.1%，下降21.9%;混凝土60d劈裂抗拉强度为未掺加强度的82.8%，下降17.2%，下降幅度较大，且长龄期增长缓慢。粉煤灰掺量为10%～30%区间，混凝土60d劈裂抗拉强度均超过未掺加粉煤灰组。当粉煤灰掺量为30%，混凝土60d劈裂抗拉强度最佳，为3.7MPa。

由图3可知，随着粉煤灰掺量的增加，不同龄期混凝土拉压比呈上升趋势。混凝土拉压比越高，表明混凝土韧性越好，其抗裂性能越好。当粉煤灰掺量为20%、30%，混凝土28d拉压比分别为0.056、0.057，不低于混凝土7d拉压比;其他粉煤灰掺量下，混凝土28d拉压比均低于7d值，表明粉煤灰掺量在此区间混凝土韧性较好，其抗裂性能较佳。

3.1.3　高性能混凝土弹性模量

高性能混凝土不同龄期弹性模量随粉煤灰掺量增加的变化规律见图4。

由图4可知，粉煤灰掺量提升，混凝土早期弹性模量逐渐降低，后期弹性模量先升高后降低。对比未掺加粉煤灰组，掺加粉煤灰量为50%时，混凝土7d弹性模量为未掺加组的75.8%，下降24.2%;混凝土60d弹性模量为未掺加组的94.4%，下降5.6%。对比测试数据发现，弹性模量变化规律与抗压强度保持一致。粉煤灰掺量为10%～30%区间，混凝土60d弹性模量均超过未掺加粉煤灰组。弹性模量最高值出现在20%粉煤灰掺量时，为39.0GPa;次高值出现在30%粉煤灰掺量时，为37.0GPa。由于粉煤灰二次水化形成的水化硅酸钙凝胶，进一步紧密连接水化产物，混凝土体系更加密实，空隙率降低，混凝土韧性增强，抵抗开裂的能力进一步提升，因此混凝土抵抗变形能力提升。

3.2　高性能混凝土热学性能

胶凝材料体系不同龄期水化放热量随粉煤灰掺量增加的变化规律见图5。

由图5可知，随着水化龄期的不断增加，粉煤灰掺量越高，胶凝材料体系水化放热量逐渐降低，最大降低幅度出现在40%掺量。因此，水化热方面最佳粉煤灰掺量为30%，该掺量下1d、7d水化放热量分别为100、224J/g，较未掺加粉煤灰组分别降低25、62J/g，降低比例分别为20.0%、21.7%。可以发现，早期随着粉煤灰掺量的增加，水化放热量降低明显，表明粉煤灰的激发反应需要环境和时间，水化速率持续平稳。同时，按照等质量的替代方式，粉煤灰越多，则水泥水化越充分，而早期水化产物也随之增多，水化产物上附着没有参与水化的粉煤灰颗粒，在一定程度上影响了水泥的水化速率，避免水泥过多集中快速反应。因此，适当掺量的粉煤灰可以减缓体系的水化放热。

3.3　高性能混凝土抗裂性能

高性能混凝土不同龄期收缩率随粉煤灰掺量增加的变化规律见图6。

由图6可知，当配合比中水胶比保持不变，粉煤灰等量替代水泥后，混凝土收缩率呈下降趋势。当粉煤灰掺量为30%时，混凝土整体收缩率达到最小值。由于水的挥发，导致混凝土的干缩，特别是在初期阶段。粉煤灰的粒度及形貌各不相同，多数为玻璃珠，这种结构决定了粉煤灰的“形态效应”。粉煤灰的加入不仅会使浆体的流动性能发生变化，还会对其早龄期的水化过程产生一定影响。研究表明，由于粉煤灰中存在着一种较为平滑、分布较均匀的玻璃珠，这种玻璃珠有利于水泥基材料的增塑性和减水率。由于水化反应生成的氢氧化钙可以用来活化粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二铝，因此在水化初期，大量的粉煤灰只是起到填充效应，很难与之进行有效的化学反应。同时，超细致密的粉煤灰填充到水泥基材料的孔隙中，改善了材料的孔隙结构，降低了材料的水分损失，从而降低了水泥基材料的干缩。

由于混凝土搅拌过程中，其颗粒之间充斥着大量的水，随着混凝土的不断凝结，混凝土的表层将逐渐失去水分，而混凝土中的水分则不断地从混凝土的孔隙中渗透到混凝土的表层。当表层水分流失速度太快时，水分将持续进入表层，造成混凝土的脱水和收缩。在此过程中，由于存在着较大的应力，使其与骨料之间形成一种相对的“束缚”，使其在较大范围内发生较大的干缩，进而引起混凝土开裂。由于水化反应产生的热量与水分流失，导致了混凝土的早裂。粉煤灰不仅可以减小水化释放热量，还可以通过微小粒子替代孔内的水分，从而减小了水的挥发，提高了混凝土的抗裂性。

4　结　论

本文基于不同掺量的粉煤灰，从力学、热学、长期性能等方面进行了综合性能的对比研究，探讨了最佳性能的粉煤灰掺量。结论如下:

1)掺加不同比例的粉煤灰对水泥基材料的抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量均有类似的影响，均表现为初期减小，后期增加，并且随着掺量的增加，早期下降明显。当粉煤灰掺量为30%时，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量较佳。

2)固定水胶比不变，粉煤灰掺量增加，胶凝材料体系水化放热量逐渐降低，降低幅度最大掺量为40%。因此，就水化热方面，掺加粉煤灰后，体系水化反应速率平稳进行，避免早期水泥剧烈反应导致的温度过高，也防止高温应力导致的混凝土开裂。

3)固定水胶比不变，粉煤灰掺量增加，混凝土收缩率呈降低趋势。当粉煤灰掺量为30%时，混凝土抗裂性能较佳。

砼话

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