潘竟盛，刘建忠，张倩倩

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 210008）

0　引言

高强混凝土具有强度高、负荷能力大，资源和能源消耗少以及耐久性优异等特点，能满足土木与建筑工程轻量化、高层化、大跨化、重载化以及耐久化等诸多方面的要求，在众多工程中已得到大规模应用。然而，近年来一些工程应用实践表明，高强混凝土结构物开裂问题，尤其是早期开裂问题十分突出。混凝土在新拌状态下，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，毛细管中产生负压，使浆体产生塑性收缩，进而导致开裂。高强混凝土低水胶比、高胶凝材料用量以及大掺量超细活性掺合料的制备特点，导致混凝土早期收缩变形与普通混凝土存在较大差异。因此，本文采用平板约束法定量研究大掺量矿物掺合料对低水胶比水泥基材料塑性开裂的影响，为提出低水胶比水泥基复合材料变形与开裂抑制的措施提供依据。

1　原材料与试验方法

1.1　原材料

试验用水泥为小野田52.5P·II水泥，密度为3.17 g/cm3，比表面积为388 m2/kg；粉煤灰为I级粉煤灰，密度为2.33 g/cm3，比表面积为415 m2/kg；矿粉为S95级磨细矿渣，密度为2.84 g/cm3，比表面积为 404 m2/kg；硅灰密度为2.09 g/cm3，比表面积22 000 m2/kg；胶凝材料化学成分见表1所示。洁净的中砂，细度模数为2.6。减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，固含量为20%。

1.2　配合比

本试验固定砂浆水胶比为0.2、砂胶比为1.2。考察粉煤灰和矿粉掺量为10%、30%、50%，硅灰掺量为10%、20%、30%对低水胶比砂浆塑性开裂的影响。考虑到硅灰掺量较高时砂浆浇筑密实性较差，因此硅灰掺量影响试验提高了减水剂用量，具体试验配合比见表2。

1.3　试验方法

（1）塑性开裂试验

采用平板约束法测试低水胶比水泥基材料的塑性开裂性能，将搅拌后的浆体浇筑在模具中成型，位于1 000 W碘钨灯下方，立即开启风扇，风速保持在3～3.1 m/s。砂浆表面水分在热、风的作用下逐渐蒸发，当水分蒸发速度大于泌水速度时，水泥中的毛细管失水产生塑性收缩应力，从而引起塑性开裂。观察并记录初始开裂时间，及测试6 h后裂缝总面积及宽度分布。

表1　胶凝材料的化学组成单位：%

表2　试验配合比

（2）裂缝宽度的定量表征

对裂缝进行图像采集，再利用图像分析软件对图像进行处理及分析。采用WEIBULL分布函数来分析裂宽度分布。修正后的WEIBULL宽度分布见表达式：

式中：Pcrock为裂缝潜在系数；w为裂缝的宽度值，mm；α为分布图形的形状参数；β为尺度参数。

α、β和Pcrock三因数是裂缝特征及其分布的重要指标。裂缝潜在系数Pcrock直接影响裂缝出现的几率，Pcrock降低，裂缝宽度分布曲线的初始值向下移；分布图形的形状参数α影响分布曲线的形状，α值降低，曲线变得扁平，裂缝宽度分布范围变大；尺度参数β直接影响到平均裂宽，β值降低，裂缝宽度分布曲线向左移，裂缝平均宽度减小。

裂缝潜在系数Pcrock和尺度参数β对裂缝宽度分布影响较大，可作为评价裂缝宽度分布的主要指标，而形状参数α影响相对较小，可作为评价裂缝宽度分布的辅助指标。

2　试验结果与分析

研究了粉煤灰掺量 （0、10%、30%和50%）、矿渣掺量（0、10%、30%和 50%）和硅灰掺量（0、10%、20%和30%）对低水胶比砂浆塑性开裂的裂缝平均宽度以及裂缝总面积的影响，结果见图1和图2。同时，给出了各矿物掺合料掺量情况下砂浆塑性裂缝宽度分布及其特征参数，结果见图3和表3。

图1　粉煤灰和磨细矿渣掺量对裂缝平均宽度和裂缝总面积的影响

图2　硅灰掺量对裂缝平均宽度和裂缝总面积的影响

图3　掺合料对塑性裂纹宽度分布的影响

表3　砂浆塑性裂缝宽度分布的特征参数

图3和表3中结果表明：粉煤灰掺量较低时（10%）略微增加了塑性开裂程度，裂缝平均宽度和总面积分别从0.28 mm和47.7 mm2增加到0.31 mm和49.3 mm2。然而随着掺量的提高，粉煤灰表现出优异的抗塑性开裂效果，当掺量增加到30%和50%时，低水胶比砂浆在塑性阶段均未开裂。掺入粉煤灰后，裂缝潜在系数Pcrack和尺寸参数β降低，裂缝出现的几率减小，裂缝宽度减小，说明试件的抗塑性开裂能力增强；形状参数α降低，说明裂缝宽度分布范围变窄。当水分蒸发速度大于泌水速度时，毛细管失水产生塑性收缩应力从而引起塑性开裂。掺入优质粉煤灰后水分蒸发速率减小，且掺量越高效果越显著，因此可有效抑制了混凝土早期的塑性收缩，降低塑性开裂风险。

掺入矿渣可降低塑性开裂程度，裂缝平均宽度和总面积均减小，且矿渣掺量越高作用效果越显著。矿渣掺量为10%、30%、50%时，裂缝平均宽度从0.28 mm 分别减小到 0.15 mm、0.11 mm、0.11 mm，裂缝总面积也分别降低了53.5%、58.3%和78.6%。随着矿渣掺量的增加，裂缝潜在系数Pcrack和尺寸参数β逐渐降低，裂缝出现的几率减小，裂缝宽度减小，试件的抗塑性开裂能力增强；随着矿渣掺量的增加，形状参数α降低，说明裂缝宽度分布范围变窄。掺入矿渣使水分蒸发速率随之增大，但同时掺入矿渣后会增加混凝土的泌水量，应及时补充水分，降低开裂风险。

掺入硅灰后增加了开裂程度，裂缝平均宽度和总面积均增大。硅灰掺量10%、20%、30%时，裂缝总面积分别增大了63.5%、154.7%、87.4%，裂缝平均宽度也从 0.28 mm分别增大到 0.48 mm、0.72 mm、0.64 mm。掺量30%硅灰时的开裂程度低于20%的原因主要是，硅灰掺量较高时，砂浆工作性能差较难密实成型且表面难以抹平，这些原因导致了模具两端的钢筋附近产生裂缝，而这些裂缝不在有效区，数据处理时作为无效处理，因此导致了有效区裂缝宽度和裂缝总面积偏低。掺入硅灰后，裂缝潜在系数Pcrock均为100，尺寸参数β大幅度增大，裂缝宽度减小，试件的抗塑性开裂能力变差；形状参数α增大，说明了掺入硅灰后裂缝宽度分布范围变宽。硅灰颗粒较小，可显著增加浆体基体的密实性，细化孔径，仅此增加毛细孔负压，导致混凝土塑性收缩增大；此外，硅灰比表面积加大，对水亲和力较好，可显著降低混凝土的泌水率，因此掺入硅灰将显著增大塑性开裂风险。

低水泥基材料中硅灰掺量普遍较高，当在高温、低湿和高风速环境下应用时需关注其塑性开裂问题。可通过复配粉煤灰和矿粉，以及薄膜养护、二次抹面等减小表面水分蒸发的措施来降低开裂风险。

3　结论

（1）低水胶比水泥基材料中粉煤灰掺量较低时对抗裂性能无明显的提升作用；而随着掺量的提高，粉煤灰表现出优异的抗塑性开裂效果，掺量增加到30%和50%时，低水胶比砂浆在塑性阶段均未开裂。

（2）低水胶比水泥基材料中掺入矿渣可降低塑性开裂程度，裂缝平均宽度和总面积均减小，且矿渣掺量越高作用效果越显著，但矿渣的作用效果次于粉煤灰。

（3）掺入硅灰后增加了塑性开裂程度，裂缝平均宽度和总面积均增大。

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