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［摘要］住宅現(xiàn)澆樓板的裂縫是一種常見的建筑質(zhì)量問題。文章分析了混凝土早期開裂的原因，結(jié)合影響混凝土早期收縮的各因素優(yōu)化出大摻量粉煤灰混凝土的配合比。試驗中采用了先進(jìn)的方法測試大摻量粉煤灰混凝土早期收縮，進(jìn)行了平板試驗?zāi)M了樓板開裂情況。通過各項性能指標(biāo)的分析驗證了粉煤灰的摻量是影響混凝土早期收縮的重要因素。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，房地產(chǎn)業(yè)投資逐年穩(wěn)步增長，商品房建設(shè)已成為拉動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個新的增長點。與此同時，商品房住宅樓的建設(shè)質(zhì)量問題已受到全社會的關(guān)注。近幾年來，現(xiàn)澆樓板的裂縫問題比較嚴(yán)重，裂縫問題的普遍性與商品房消費(fèi)者的非議和投訴應(yīng)引起足夠的重視。而這些裂縫大部分是在樓板受荷之前產(chǎn)生的早期裂縫。因此解決混凝土澆筑完成后的早期開裂成為了一個亟待解決的問題。早期裂縫主要是由混凝土的收縮引起的。混凝土早期收縮有：化學(xué)收縮、自生收縮、塑性收縮、干縮、碳化收縮等等。現(xiàn)代高性能混凝土水膠比小，自收縮占早期收縮的大部分。混凝土的自收縮大小主要取決于水泥石內(nèi)部自干燥程度、水泥石的彈性模量及徐變系數(shù)。混凝土的早期( 初凝至ld) 彈性模量低、徐變系數(shù)大，因此自干燥速度是決定早期自收縮的主要因素。粉煤灰雖然是活性混合材料，但是在水泥漿體系中的水化非常緩慢，在相同的水膠比條件下，用粉煤灰替代部分水泥，相當(dāng)于增大早期有效水灰比，因此粉煤灰可降低混凝土內(nèi)部的早期自干燥速度，顯著降低早期自收縮。后期粉煤灰的繼續(xù)水化使水泥石內(nèi)部自干燥程度提高，但是此時混凝土已有較高的彈性模量和很低的自徐變系數(shù)，因此在相同自干燥程度下產(chǎn)生的自收縮同早期相比小得多。粉煤灰的這種作用可稱為“能量滯后釋放效應(yīng)”[1.2]。
因此，用粉煤灰代替水泥可以減少混凝土收縮，提高混凝土的抗裂性能，本文做了大量試驗予以證明。
1 原材料及試驗儀器
1.1 原材料
水泥 ：采用山東水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5R 普通硅酸鹽水泥。
粉煤灰 ：采用濟(jì)南黃臺電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。
砂：泰安產(chǎn)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，堆積密度1550 kg/m3，含泥量3.0%，泥塊含量1.0%。
石：濟(jì)南港溝石料廠生產(chǎn)的連續(xù)級配5～25 碎石，針片狀含量5.0%，壓碎指標(biāo)8.1%，含泥量0.4% , 堆積密度1550kg/m3。
水：飲用水。
外加劑：山東華迪建筑科技有限公司產(chǎn)：萘系(NF) 高效減水劑，減水率為15%；脂肪族(BAF) 高效減水劑，減水率為23%；多基團(tuán)高效減水劑(NJ), 減水率為25%。
1.2 比長儀
ZN- 智能比長儀，能連續(xù)測量記錄各點各時段的實際膨脹（收縮）情況并繪制出變化曲線。不僅消除了人工操作誤差、節(jié)省了人力，而且大大提高了測量精度，比較客觀準(zhǔn)確地反映了試體膨脹( 收縮) 的內(nèi)在規(guī)律。
2 大摻量粉煤灰混凝土配合比正交試驗
2.1 影響因素
水膠比A、粉煤灰摻量B、砂率C、外加劑D
2.2 正交試驗表
表1 三水平四因素正交表L9(34) | 因素 | 水膠比A | 粉煤灰摻量B | 砂率C | 外加劑D | | 1 | 0.36 | 50% | 41% | NF | | 2 | 0.38 | 60% | 42% | BAF | | 3 | 0.40 | 40% | 43% | NJ |
2.3 L9(34) 表
表2 C30 混凝土計算配比 | 編號 | A水膠比 | B粉煤灰摻量 | C砂率 | D外加劑 | H2O( kg) | 砂子( kg) | 石子( kg) | | 1 | 0.36 | 50% | 41% | NF | 165 | 728 | 1048 | | 2 | 0.36 | 60% | 42% | BAF | 165 | 746 | 1031 | | 3 | 0.36 | 40% | 43% | NJ | 165 | 764 | 1013 | | 4 | 0.38 | 50% | 42% | NJ | 165 | 756 | 1045 | | 5 | 0.38 | 60% | 43% | NF | 165 | 774 | 1027 | | 6 | 0.38 | 40% | 41% | BAF | 165 | 738 | 1063 | | 7 | 0.40 | 50% | 43% | BAF | 165 | 784 | 1039 | | 8 | 0.40 | 60% | 41% | NJ | 165 | 747 | 1075 | | 9 | 0.40 | 40% | 42% | NF | 165 | 766 | 1057 |
2.4 正交試驗結(jié)果
2.4.1 極差分析
表3 C30 混凝土7d 收縮值極差分析 | 編號 | 水膠比 | 粉煤灰摻量 | 砂率 | 外加劑 | 收縮值7d(×10-6) | | 1 | 0.36 | 50% | 41% | NF | 116.0 | | 2 | 0.36 | 60% | 42% | BAF | 113.6 | | 3 | 0.36 | 40% | 43% | NJ | 110.2 | | 4 | 0.38 | 50% | 42% | NJ | 98.6 | | 5 | 0.38 | 60% | 43% | NF | 104.0 | | 6 | 0.38 | 40% | 41% | BAF | 116.2 | | 7 | 0.40 | 50% | 43% | BAF | 91.8 | | 8 | 0.40 | 60% | 41% | NJ | 94.4 | | 9 | 0.40 | 40% | 42% | NF | 105.0 | | K | 339.8 | 306.4 | 326.6 | 325.0 |
| | 318.8 | 312.0 | 317.2 | 321.6 |
| | 291.2 | 331.4 | 306.0 | 303.2 |
| | k | 113.2 | 102.2 | 108.8 | 108.4 |
| | 106.2 | 104.0 | 107.8 | 107.2 |
| | 97.0 | 110.4 | 102.0 | 101.0 |
| | 極差 | 16.2 | 8.2 | 6.8 | 7.4 |
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2.4.2 各影響因素分析 
圖1 ZN—智能比長儀
圖2 水膠比對混凝土收縮的影響
圖3 粉煤灰摻量對混凝土收縮的影響
圖4 外加劑種類對混凝土收縮的影響
2.5 結(jié)果分析
從極差分析結(jié)果可以看出，水膠比對混凝土收縮影響最大；其次是粉煤灰摻量和外加劑種類；砂率對混凝土收縮的影響最小。以收縮值為性能指標(biāo)，最優(yōu)配比為A3B1C3D3，即大摻量粉煤灰混凝土的最優(yōu)配比為：水膠比為0.4，粉煤灰摻量為50%，外加劑為NJ 多基團(tuán)高效減水劑，砂率43%。從9 組混凝土配合比來看7＃與最優(yōu)配合比最為接近，混凝土收縮值最小。
隨著水膠比的減小混凝土早期收縮逐漸增大。水膠比越小，混凝土的自收縮越大。水膠比越小，毛細(xì)管壓越大，毛細(xì)管內(nèi)的相對濕度越低。根據(jù)LeChatelier 減縮原理，毛細(xì)管壓對于早期水泥漿體自收縮的影響是非常顯著的，當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)的相對濕度從100% 降低到80% 時，毛細(xì)管壓將從0MPa 增大到30MPa，如此大的壓力必將導(dǎo)致水泥石的收縮[3]。因此，水膠比越小，混凝土內(nèi)部引起的自干燥越強(qiáng)，早期收縮越大。可以看出，粉煤灰摻量對混凝土早期收縮有較大影響，這種影響不是呈線性的。粉煤灰摻量為50%和60%時，兩者的收縮值相差不大，50%時收縮值最小。高效減水劑種類對大摻量粉煤灰混凝土早期收縮有重要影響。選擇與大摻量粉煤灰混凝土相適應(yīng)的外加劑對混凝土抗裂起有益作用。NJ 多基團(tuán)高效減水劑是由聚羧酸高性能減水劑、脂肪族高效減水劑，同時復(fù)合少量混凝土和易性調(diào)節(jié)劑復(fù)配而成。NJ 多基團(tuán)高效減水劑能減少混凝土收縮，提高混凝土的抗裂性能：一方面，NJ 多基團(tuán)高效減水劑分子結(jié)構(gòu)中含有— COO—、— OH 等基團(tuán)，易與水泥水化析出的Ca2+形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，通過化學(xué)鍵和膠凝材料強(qiáng)烈地粘結(jié)在一起。另一方面，NJ 新型高性能減水劑分子結(jié)構(gòu)中含有較多的支鏈，在水泥水化后，這些支鏈殘留在水泥水化形成的凝膠孔和毛細(xì)孔中，形成相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于纖維均勻地分布在混凝土中，從而減少收縮，增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。
在一定范圍內(nèi), 砂率越大混凝土收縮越小，最優(yōu)砂率為43%。研究表明，砂率繼續(xù)增大時，石子的骨架作用減弱，水泥砂漿量增大，混凝土的收縮將增大。
3 平板試驗
3.1 混凝土配合比
配合比見表2。
3.2 試驗原理
評價混凝土早期收縮開裂的方法主要有三大類：環(huán)形約束實驗﹑板狀試件法和棱柱體單軸約束實驗。
工程中對早期收縮開裂最敏感的是一些板式構(gòu)件, 如混凝土樓板、屋面、橋面板、路面以及工業(yè)廠房地面等。這類構(gòu)件都是處于雙向收縮狀態(tài)的, 為模擬這些構(gòu)件的早期收縮開裂情況, 需要進(jìn)行板式構(gòu)件的約束收縮實驗。采用平板實驗測試早期開裂時，混凝土收縮同時受到兩方面的約束作用：剛性模具通過螺紋鋼柱的約束和試件上下層收縮不均勻而產(chǎn)生的上下層的約束作用，這與實際工程中的混凝土板所處情形相似。
3.3 試驗圖片
見圖6。 
圖5 砂率對混凝土收縮的影響
   
圖6 試驗現(xiàn)場圖片 3.4 試驗結(jié)果計算與評定
混凝土的裂縫開展通過4 個參數(shù)來描述：平均開裂面積、總開裂面積、總開裂長度、總開裂數(shù)。其中前2 個參數(shù)分別按照下列方法計算：
3.4.1 平均開裂面積
考慮裂縫的寬度、長度以及它們乘積的一半, 平均開裂面積“a”可按公式（1）計算 
式中：Wi——第i 條裂縫的最大寬度；
Li——第i 條裂縫的長度；
N——所試驗面積內(nèi)的總開裂條數(shù)。
3.4.2 總開裂面積
總開裂面積“c”按公式（2）計算 ： c=aN(mm2) （2） 式中，a、N 分別為平均開裂面積和總開裂條數(shù)。
3.4.3 抗開裂性能比（修正指標(biāo)）
以基準(zhǔn)混凝土的平均開裂面積與需要檢測的混凝土的平均開裂面積之差除以基準(zhǔn)混凝土的平均開裂面積的百分?jǐn)?shù)表示。抗開裂性能比γ 按公式（3）計算：
3.5 試驗結(jié)果與分析
從極差分析結(jié)果可以看出，水膠比對混凝土平板開裂影響最大；其次是外加劑和粉煤灰摻量種類；砂率對混凝土平板開裂的影響最小。以混凝土平板平均開裂面積為性能指標(biāo)，最優(yōu)配比為A3B1C3D3，即大摻量粉煤灰混凝土的最優(yōu)配比為：水膠比為0.4，粉煤灰摻量為50%，外加劑為NJ 新型高性能減水劑，砂率43%；其分析結(jié)果與用ZN- 智能比長儀測試的混凝土早期收縮極差分析結(jié)果基本相吻合。從9組混凝土配合比來看7＃與最優(yōu)配合比最為接近，混凝土平板平均開裂面積最小。
具體分析如下：
（1）裂縫的發(fā)生及發(fā)展主要發(fā)生在1d 前,24h 后幾乎沒什么變化, 這是因為水化熱大多集中在早期釋放, 所以大摻量粉煤灰混凝土的裂縫問題應(yīng)在早期及時采取控制措施。
（2）水膠比對混凝土抗裂性能的影響最為明顯。水膠比越小, 開裂條數(shù)越多, 總開裂長度越大, 開裂總量也越大。因為水膠比越小, 混凝土中自由水量越少，同時混凝土結(jié)構(gòu)致密度增加, 這樣由混凝土內(nèi)部向外遷移用以補(bǔ)充表面蒸發(fā)散失的自由水量就越缺乏，從而使混凝土表面開裂越嚴(yán)重；另外, 水膠比越小混凝土的早期自身收縮越大, 也是開裂性增加的一個原因。
（3）粉煤灰摻量和高效減水劑種類對混凝土抗裂有較為顯著影響。粉煤灰對裂縫開裂條數(shù)、開裂長度、平均開裂面積、總開裂面積有重要影響。摻入粉煤灰后, 混凝土早期水化程度降低, 水化收縮減少。因此可以說摻入粉煤灰對混凝土抗裂有很好的改善作用。
試驗中發(fā)現(xiàn), 若在取下塑料薄膜時, 對混凝土再次抹面,則該組混凝土始終不發(fā)生裂紋。這說明低水膠比的高強(qiáng)與高性能混凝土, 澆注2h 后再次抹面可以很好地改善其抗裂性能。
表4 混凝土早期（24h）開裂測試結(jié)果 | 編號 | 開裂時間(h) | 總開裂面積(mm2) | 總開裂長度(cm) | 開裂條數(shù)( 條) | 平均開裂面積(mm2) | 最大縫寬(mm) | | 1 | 4 | 215.1 | 810 | 10 | 21.51 | 0.82 | | 2 | 6 | 297.84 | 1081 | 12 | 24.82 | 0.60 | | 3 | 7 | 122.8 | 700 | 8 | 15.35 | 0.50 | | 4 | 8 | 61.92 | 600 | 6 | 10.32 | 0.43 | | 5 | 7 | 59.2 | 690 | 5 | 11.84 | 0.52 | | 6 | 5 | 88.1 | 360 | 5 | 17.62 | 0.64 | | 7 | 10 | 46.55 | 411 | 5 | 9.31 | 0.47 | | 8 | 8 | 79.5 | 510 | 6 | 13.25 | 0.72 | | 9 | 7 | 94.08 | 975 | 6 | 15.68 | 0.63 |
表5 C30 混凝土平板試驗裂縫平均開裂面積極差分析 | 編號 | 水膠比 | 粉煤灰摻量 | 砂率 | 外加劑 | 平均開裂面積(mm2) | | 1 | 0.36 | 50% | 41% | NF | 21.51 | | 2 | 0.36 | 60% | 42% | BAF | 24.82 | | 3 | 0.36 | 40% | 43% | NJ | 15.35 | | 4 | 0.38 | 50% | 42% | NJ | 10.32 | | 5 | 0.38 | 60% | 43% | NF | 16.84 | | 6 | 0.38 | 40% | 41% | BAF | 17.62 | | 7 | 0.40 | 50% | 43% | BAF | 9.31 | | 8 | 0.40 | 60% | 41% | NJ | 13.25 | | 9 | 0.40 | 40% | 42% | NF | 15.68 | | K | 61.68 | 41.14 | 52.38 | 54.03 |
| | 44.78 | 49.91 | 50.82 | 51.75 |
| | 38.24 | 54.91 | 41.5 | 38.92 |
| | K | 20.56 | 13.71 | 17.46 | 18.01 |
| | 14.93 | 16.64 | 16.94 | 17.25 |
| | 12.75 | 18.30 | 13.83 | 12.97 |
| | 極差 | 7.81 | 4.59 | 3.63 | 5.04 |
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4 結(jié)語
通過對大摻量粉煤灰混凝土的配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用智能比長儀較精確地測量出了混凝土早期收縮值，結(jié)合平板試驗，得出結(jié)論。粉煤灰摻量是影響混凝土早期收縮變形的一個重要因素。大摻量粉煤灰混凝土早期收縮較小，有著良好抗裂性能。粉煤灰替代部分水泥，使水泥用量減少，同時也降低了水化熱，有利于降低混凝土自收縮。由于混凝土的收縮主要受水灰比或用水量的影響，加入粉煤灰后，一方面減少混凝土的用水量，抑制混凝土的收縮，其收縮值隨粉煤灰含量的增加而減少；另一方面，粉煤灰在水泥漿體中由于微集料效應(yīng)及火山灰反應(yīng)生成大量水化C-S-H 凝膠，填充了孔隙，相應(yīng)補(bǔ)償了部分干縮。
同時，由于水泥水化是一種放熱反應(yīng)，用粉煤灰代替水泥可以減少水化熱，從而可以降低新拌混凝土的絕熱溫升。另外，粉煤灰是一種工業(yè)廢料，用來配制混凝土，將粉煤灰變廢為寶；因此，推廣應(yīng)用大量粉煤灰混凝土控制現(xiàn)澆板裂縫具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[4]。
參考文獻(xiàn)
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作者：胡爽 張鑫 常青山 孫浩
信息來源：豆丁網(wǎng)
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