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自密实混凝土早期收缩开裂影响因素分析与评价
时间：2016-08-18来源：泰鼎恒业浏览次数：
自密实混凝土早期收缩开裂影响因素分析与评价
祝雯
（广州市建筑科学研究院 广州 510440）
摘要：本文研究了矿物掺合料、水胶比和胶凝材料用量对自密实混凝土早期收缩开裂性能的影响，采用椭圆环约束收缩试验方法直接评价自密实混凝土砂浆的早期收缩开裂趋势，并结合自由收缩试验综合评价自密实混凝土的收缩开裂性能。试验表明：粉煤灰的掺入显著降低了自密实混凝土砂浆早期干燥条件下的约束开裂敏感性和混凝土自由收缩速率及收缩值；与单掺20%粉煤灰试样相比，复掺样中5%硅粉的掺入增加了粉煤灰砂浆早期干燥条件下开裂敏感性，但在复掺体系中加强早期养护有利于掺硅粉自密实混凝土抗裂性的提高；在0.3、0.35、0.4三个不同水胶比体系中，水胶比较大自密实混凝土砂浆在早期干燥条件下表现出易开裂的特征，应结合体系中实际水灰比、矿物掺合料组分以及养护条件等因素来综合评价混凝土收缩开裂性能；在本试验三组不同用量多元胶凝材料体系中，随着胶凝材料用量的降低，开裂敏感性和自由收缩量均降低，当胶凝材料总量降到450Kg/m3时，砂浆初始开裂时间显著延长。
关键词：自密实混凝土；开裂敏感性；粉煤灰；硅粉；水胶比；胶凝材料用量
Analysis and evaluation of shrinkage cracking of self-compacting concrete at early age
ZHU Wen
(Guangzhou Institute of Building Science, Guangzhou 510440)
Abstract: In this paper, the influence of mineral admixtures, water-binder ratio and cementitious material content on shrinkage cracking of self-compacting concrete (SCC) at early age were investigated using a new ellipse-ring shrinkage cracking testing apparatus to evaluate cracking sensitivity of mortar sieving from SCC. Meanwhile, free shrinkage of SCC was also measured to investigate the effect of them on shrinkage cracking on SCC. The results showed that the cracking sensitivity of mortar at early age cured under drying-stored condition was reduced greatly incorporating with FA, the shrinkage rate and value of SCC were also reduced. Compared to sample containing 20% FA, the cracking sensitivity of multiple-adding of 20% FA and 5% SF was increased. However, fully curing at early-age is important to SCC incorporating with SF. The mortar sample was prone to cracking with the increase of w/b under the experimental condition of this test. Besides, the cracking sensitivity was reduced with the decrease of binder content, especially when it reached 450Kg/m3, the initial cracking time was delayed markedly.
Key words: Self-Compacting Concrete; Cracking sensitivity; Fly ash; Silica fume; water-binder ratio; Cementitious material content
近十年来，自密实混凝土因为良好的施工性能和环保性能得到了越来越广泛的应用[1,2,3]。从材料因素来说，矿物掺合料已成为自密实混凝土不可或缺的组分，在改善其工作性能的同时，矿物掺合料的掺加必然会对自密实混凝土的收缩开裂变形产生一定影响。从设计因素来看，水胶比和胶凝材料用量是配制自密实混凝土的重要参数，为了满足其高流动性和高稳定性，自密实混凝土往往要求高胶凝材料用量和低水胶比，这些因素的叠加将增加混凝土的收缩值，从而增加约束条件下开裂的驱动力。
目前国内外对于自密实混凝土的研究主要集中在其流变性能、配制技术、测试方法、施工工艺等方面，对于收缩特性以及收缩引起的开裂性能方面的研究仍相对较少。因此，在高性能混凝土早期开裂问题日益引起关注的背景下，研究自密实混凝土的收缩开裂性能显得尤为重要。
本试验从自密实混凝土配制技术出发，研究了粉煤灰及粉煤灰和硅粉复掺、水胶比和胶凝材料用量对自密实混凝土早期收缩开裂性能的影响。通过椭圆环约束收缩试验方法直接评价自密实混凝土砂浆的早期收缩开裂趋势，并结合自由收缩试验综合评价自密实混凝土的收缩开裂性能。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料
(1) 水泥：华新水泥股份有限公司堡垒牌42.5 普通硅酸盐水泥。
(2) 粉煤灰：汉川热电厂的Ⅱ级粉煤灰。
(3) 硅粉：挪威埃肯公司提供的微硅粉，密度为2.2 g/cm3。水泥、粉煤灰和硅粉的化学组成见表1。
(4) 砂：细度模数2.4河砂，表观密度2680 Kg/m3，堆积密度1363 Kg/m3。
(5) 石子：5-20mm石灰岩碎石，表观密度2670Kg/m3，堆积密度1358 Kg/m3，紧密堆积密度1540 Kg/m3，针片状含量14.26%，压碎指标4.67%。
(6)外加剂：高效减水剂为上海麦斯特公司提供的聚羧酸系GLENIUM SP-8CN高性能AE减水剂, 增粘剂为甲基纤维素增粘剂。
表1 水泥、粉煤灰、硅粉的化学组成/%
Table 1 Chemical composites of cement, FA and SF/%
Analyte SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 LOG Total
水泥 21.27 5.78 2.79 58.36 2.72 2.08 2.65 95.96
粉煤灰 49.41 28.68 5.20 3.92 1.69 2.70 5.30 98.10
硅粉 91.56 1.0 1.22 0.34 1.31 0.40 2.33 98.16
1.2 试验方法
评价混凝土开裂敏感性不仅需要考虑收缩的增长，还应考虑约束的作用，因此应在约束条件下进行试验。传统的圆环约束试验方法由内圆形刚环提供约束，其主要原理是圆环试件在干燥收缩过程中受到内刚环的约束而在试样中产生拉应力，一旦拉应力超过试样的抗拉强度时，裂缝就会出现，并通过定期目测检查而监测裂缝出现的时间。试样的几何形状使其不能在某个位置形成应力集中，因而在圆环周围裂缝出现的机会均等，这不仅增加人工观测的难度，而且由于测试时间长、测试样品多，往往在不注意的时候，被测样品可能已经开裂，因此很难对不同材料开裂敏感性之间的差异进行甄别，况且凭肉眼也很难发现早期的微小裂纹。多通道椭圆环裂缝自动检测仪 (图1)正是为克服上述困难而研制的，该仪器可以通过计算机准确记录及监测多个样品的开裂时间，具有加快裂纹播散速率、减少边界效应、能够预测裂纹位置、计算机监测以及高效准确等优点[4]。
该装置约束由椭圆形钢环提供，钢制椭圆环尺寸为：长半轴105mm，短半轴45mm，高度48mm；椭圆环试件尺寸为：内长半轴105mm，内短半轴45mm，外长半轴125mm，外短半轴65mm，厚度20mm，高度48mm。由于砂浆试样较混凝土易于开裂，并受椭圆环尺寸的限制，本文采用20mm方孔筛筛除自密实混凝土中粗骨料，采用砂浆进行约束收缩开裂试验，试件成型后在(20±3)℃、R.H.≥95%条件下养护18小时，脱去外模，并将试样移至(20±1)℃、R.H.50%的条件下监测，主要记录第一条裂缝出现的时间以评价自密实混凝土的开裂敏感性。
混凝土自由收缩采用100mm×100 mm×515 mm长方体试件。自由收缩测试时，利用埋设在试件两端的金属探头作为测点。测长仪器采用弓形螺旋测微计，测量精度为0.01mm，具体测试方法见《水工混凝土试验规程—SD 105-82》。
表2不同矿物掺合料掺量自密实混凝土配合比
Tab.2 Mix proportions of SCC with different content of mineral admixtures
编号 FA(%) SF(%) C(Kg/m3) 砂率(%) w/b 高效减水剂(%)
L0 0 - 550 50 0.35 1
L1 20 - 440
L2 30 - 385
L3 40 - 330
L4 20 5 412.5 1.2
表3 不同水胶比自密实混凝土配合比
Tab.3 Mix proportions of SCC with different w/b
编号 w/b 胶凝材料
(Kg/m3) FA
(%) w/c 砂率(%) 高效减水剂(%) 增粘剂
(%)
Y1 0.3 550 30 0.43 50 1.5 0
Y2 0.35 0.5 1 0
Y3 0.4 0.57 1 0.03
表4 不同胶凝材料用量自密实混凝土配合比
Tab.4 Mix proportions of SCC with different dosage of Cementitious Materials
编号 胶凝材料(Kg/m3) C
(Kg/m3) FA SF 砂率/% w/c 高效减水剂/%
Kg/m3 % Kg/m3 %
Z1 450 337.5 90 20 22.5 5 55 0.35 1.6
Z2 550 330 192.5 35 27.5 50 1.2
Z3 650 325 292.5 45 32.5 50 1.1
2 结果和讨论
2.1矿物掺合料对自密实混凝土收缩开裂的影响
2.1.1粉煤灰对自密实混凝土开裂敏感性及自由收缩影响分析
图2给出了L0、L1、L2、L3四组自密实混凝土砂浆椭圆环约束开裂试验结果，可见随着FA掺
量的增加，初始裂缝出现的时间不断延长，粉煤灰掺量达到40%时候，在整个试验期间(达15天)没有观测到裂缝。由此可以看出，在干燥条件下，粉煤灰能显著延长自密实混凝土砂浆的开裂时间，降低其早期开裂敏感性。分析其原因，粉煤灰掺入具有两方面的作用：一方面，粉煤灰的潜在活性降低了早期强度增长率，同时也使混凝土中收缩拉应力的最大值得到了有效降低；另一方面，粉煤灰具有良好的保水性，可以降低早龄期砂浆内部由于外部干燥和自干燥作用而产生的湿度梯度，使得应力水平较长时间保持在一个较低的水平，从而抑制或推迟早期微裂缝的产生[5]。然而，为了确保适宜的早期强度增长率和其它技术性能的要求，粉煤灰掺量并不是越大越好，应按照工程具体要求适当控制。
自由收缩试验结果如图3所示，掺粉煤灰自密实混凝土的收缩明显低于空白样，随着粉煤灰掺量的增加，不仅混凝土总收缩降低，且早期收缩速率也有所降低，而掺量为30%时混凝土28d自由收缩最低，由此可见粉煤灰的掺入降低了自密实混凝土自由收缩和早期收缩速率。分析其原因：一方面，粉煤灰未水化颗粒填充在水泥水化产物的孔隙中，将原来的大孔分割成许多细小且互不连通的小孔，大大改善了水泥浆体孔隙率和孔结构；另一方面，粉煤灰火山灰反应生成的类似托勃莫来石次生微晶相填满了粉煤灰与水泥间水膜层的同时，又将原有水泥浆全骨架的孔隙填充，使得浆体密实度提高[6]，在干燥条件下水分蒸发可能性减少，降低了干燥收缩。此外，未发生二次水化反应的粉煤灰很好地发挥了微集料效应，起到了抑制基体收缩的作用。至于掺量为30%自密实混凝土28d收缩最低，可能由于其拌合物匀质性和稳定性较好，因而硬化混凝土密实性较好，自由收缩量较掺量40%试样要低。由此也可以看出，混凝土拌合物的工作性能以及匀质性将直接影响到混凝土的收缩性能。
实际上，自由收缩变形量的大小对实际工程中混凝土开裂敏感性的判断是不理想的，自由收缩变形量大的混凝土并不一定开裂敏感性大，因为抗裂的胶凝材料基体、骨料及约束条件等都会影响开裂敏感性。然而，很多时候我们还是通过自由收缩变形量来审核约束变形的结论，而在本研究中我们可以借鉴两种不同条件下的变形试验结果就粉煤灰对自密实混凝土抗裂性影响加以评价。
2.1.2 粉煤灰和硅粉复掺对自密实混凝土开裂敏感性及自由收缩影响分析
图4给出了20%粉煤灰+5%硅粉复掺对自密实混凝土砂浆初始开裂时间影响的试验结果。如图所示：与单掺20%粉煤灰试样L1相比，复掺样L4初始开裂时间明显提前，但与基准样相比却有所延
长。由此可见，硅粉的掺入增加了粉煤灰砂浆早期干燥条件下开裂敏感性。这是由于硅粉具有极强的火山灰活性[7]，当硅粉掺入混凝土中和水接触后，部分小颗粒迅速溶解，溶液中富SiO2贫Ca的凝胶在硅粉粒子表面形成附着层，经过一定时间后，富SiO2贫Ca凝胶附着层开始溶解和水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶。同时，硅粉的晶核效应也使得其微细颗粒成为Ca(OH)2聚集的场所，从而加速了这一阶段的水化速率，导致早期砂浆强度和内部微应力均快速增长，而徐变松弛能力下降，也就增加了约束条件下的开裂敏感性。在水泥-粉煤灰-硅粉这一胶凝体系中，硅粉早期水化的同时也造成体系碱度降低很多，而粉煤灰玻璃体解聚的速度由液相中的碱度控制，这就导致了粉煤灰水化程度的降低，体系中早期水化速率由硅粉控制。
这里必须指出，本试验结果在干燥条件下测试所得，而在R.H.＞70%室温测试条件下，我们发现相同掺硅粉材料体系的开裂时间相比干燥养护条件下开裂时间延长，可见，早期养护条件对于掺硅粉的自密实混凝土来说非常重要。兼顾硅粉对于改善自密实混凝土粘聚性的贡献[8]，在自密实混凝土中建议采取粉煤灰、硅粉复掺的方式，但应加强早期养护。
图5给出了粉煤灰和硅粉复掺对自密实混凝土自由收缩的影响。如图所示：复掺样各龄期收缩值均低于基准样，而单掺粉煤灰试样的收缩值和收缩速率均达到了最低，这说明硅粉的掺入增加了粉煤灰-水泥二元体系中早期干燥条件下的收缩值和收缩速率，但是与基准样相比，有所降低。
2.2 水胶比对自密实混凝土收缩开裂的影响
图6给出了Y1、Y2、Y3三组不同水胶比自密实混凝土砂浆初始开裂时间试验结果，反映了水胶比在粉煤灰体系下对自密实混凝土砂浆收缩开裂敏感性的影响。如图所示：砂浆初始开裂时间随着水胶比的增大而缩短，即随着水胶比增大砂浆干燥养护条件下开裂敏感性增加。不管是混凝土还是砂浆，结构内一直存在一个由收缩应变引起的破坏动力与抵抗收缩应变破坏的抵抗力之间的匹配问题；如果抗拉强度的增长速率超过收缩应力的增长速率，试样是不会开裂的。实际上，本试验是在试件成型完经过标准养护18小时后搬进干燥室进行监测的，而本试验的材料体系中包含了粉煤灰组分，使得水化初期浆体中实际水灰比分别为0.43、0.5、0.57，粉煤灰在早期主要表现为物理填充效应，没有或者较少地参与水泥的水化反应，这时水灰比较大浆体中孔隙较为发达，因而受干燥条件的影响较大，在干燥条件下失水收缩将产生较大的应力，而较大水灰比使得强度发展缓慢，当强度的发展跟不上应力的发展时，体系中产生微裂缝，表现为较高的开裂敏感性。在较低水灰比体系中，粉煤灰的填充效应使得孔的连通性较差，干燥条件下的失水蒸发较为困难，而低水胶比环境也更有利于粉煤灰活性的发挥，使得强度发展较快，因此开裂时间延长。
由此可见，实际水灰比是影响早期开裂敏感性的重要因素，单纯从水胶比角度出发并不能正确评价自密实混凝土的早期开裂敏感性，水胶比越低并不意味着越容易开裂，应结合体系中实际水灰比、矿物掺合料组分以及养护条件等因素来综合评价。
水胶比不同使混凝土有不同的密实度，影响混凝土的孔结构和内部水分的迁移，从而影响到混凝土的收缩。如图7所示，在早期，随着水胶比的增大，收缩值降低，在7d龄期以后，Y3收缩值迅速增加，使得28d收缩值呈现Y3最大、Y1 次之、Y2最小的规律。混凝土早期自由收缩为自收缩和干燥收缩的叠加，由于自收缩主要发生在初凝至前3d龄期之内，且随着水灰比的降低在总收缩中所占比例增加；而Y2 、Y3体系中实际水灰比分别为0.5和0.57，粉煤灰在水化初期主要起物理填充作用，因此可提供水泥水化的自由水分较为充足，使得自收缩不易发生，而Y1实际水灰比为0.43，属于低水灰比的范畴，可能有一部分自收缩发生，因此在早期表现为Y1收缩量最大。随着龄期的发展，由于Y3实际水灰比达到了0.57，而大水灰比的水化环境也不利于粉煤灰的水化，水化产物的生成搭接比较困难，使得水泥石中孔隙率较大，密实度较差，在干燥条件下易于失水引起收缩，表现为后期自由收缩量最大。对于Y1和Y2，一方面Y1实际水灰比较低，使得自收缩比例增大，另一方面，Y2可能匀质性较好，导致在自收缩与干燥收缩的叠加作用下，Y1收缩量大于Y2。收缩试验也说明了实际水灰比较大体系受干燥条件影响较大。
2.3胶凝材料用量对自密实混凝土收缩开裂性能影响研究
图8给出了Z1、Z2、Z3三组不同胶凝材料用量自密实混凝土砂浆初始开裂时间试验结果。如图所示，随着胶凝材料用量的降低，砂浆开裂时间延长。当胶材总量由650 Kg/m3降到550 Kg/m3时，初始开裂时间由83.5h延长到105h，达到了26%，特别是当胶材总量由550 Kg/m3降到450 Kg/m3时，初始开裂时间延长了51%。由此可见，随着胶凝材料用量的降低，自密实混凝土砂浆早期干燥条件下开裂敏感性降低。这是由于影响混凝土收缩的主要因素是硬化水泥浆体，增加胶凝材料用量相当于在水胶比不变条件下增加了浆体含量，同时骨料含量的减少也导致了约束程度的下降。
图9为胶凝材料用量对自密实混凝土自由收缩的影响。如图所示：3d龄期以前，Z1、Z2和Z3收缩量相差不大，而在3d龄期以后，随着胶凝材料用量的降低而下降，特别是Z1各龄期收缩量均明显低于Z2和Z3。这说明降低胶材用量可以降低自密实混凝土自由收缩量，特别是当胶材总量降到450Kg/m3时，效果最明显。实际上，本试验是从试件脱模后两天开始测试的，此时大部分自收缩已完成，而测得的收缩值主要为干缩。干缩主要由浆体在不饱和空气中失水引起，由图10可以看出，混凝土收缩伴随着水分的损失，从而表现为混凝土质量的减少，3d龄期后，随着胶凝材料用量的增大，各龄期混凝土质量损失率增大，从而证实了自由收缩试验结果。在早期，虽然各混凝土胶材用量不同，但是水胶比相同，浆体中有较为充足的水分补充丧失的水分，因而各混凝土收缩值不大且相近。随着龄期的增加，在干燥条件下，浆体不断失水使得各混凝土都没有足够的水分来补充丧失的水分，这时，胶凝材料用量大时，一方面浆体多，失水产生的收缩绝对体积大；另一方面相应的骨料体积少，因而在后期，混凝土胶凝材料用量越多，收缩越大，也就增加了混凝土约束条件下开裂的危险。
值得注意的是，目前工程中自密实混凝土胶凝材料用量一般在550 Kg/m3左右，建议通过配合比和原材料的适当调整，如掺加大掺量活性矿物掺合料或惰性填料使胶材用量降到550 Kg/m3以下，不仅可以降低自密实混凝土的开裂敏感性，还可以节约水泥用量，降低成本。
3结论
通过以上试验研究，可以得到以下几点结论：
(1) 粉煤灰的掺入显著延长了自密实混凝土砂浆早期干燥条件下的初始开裂时间，大大降低了其早期开裂敏感性和自由收缩速率及收缩量，在本研究中借鉴了两种不同条件下的变形试验结果对自密实混凝土的抗裂性加以评价。
(2) 与单掺20%粉煤灰试样相比，复掺粉煤灰20%+硅粉5%试样初始开裂时间提前，但复掺样与基准样相比却有所延长。由此可见，硅粉的掺入增加了粉煤灰砂浆早期干燥条件下开裂敏感性。鉴于本试验在干燥条件下进行，在复掺体系中加强早期养护将有利于掺硅粉自密实混凝土抗裂性的提高。
(4) 本试验条件下，水胶比较大自密实混凝土砂浆在早期干燥条件下表现出易开裂的特征， 但是自由收缩值并没有表现出相同的规律，其中水胶比0.4体系28d收缩量最大，0.3体系次之，0.35体系28d收缩值最小，因而单纯从水胶比角度出发并不能正确评价自密实混凝土的早期开裂敏感性，水胶比越小并不意味着越容易开裂，应结合体系中实际水灰比、矿物掺合料组分以及养护条件等因素来综合评价。
(5) 在本试验三组不同用量多元胶凝材料体系中，在保证28d强度大致相同条件下，随着胶凝材料用量的降低，开裂敏感性和自由收缩量均降低，特别是当胶凝材料总量降到目前工程普遍用量550Kg/m3以下至450Kg/m3时，砂浆初始开裂时间和自由收缩量显著降低。
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