C60抗冲磨混凝土抗裂性能试验研究

李双喜，崔博涛，王成祥，孟远远

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，乌鲁木齐 830011)

1 研究背景

水利工程中的溢洪道、放水洞和导流洞作为保证水库安全的重要设施，往往受到高速水流和推移质泥沙颗粒的磨蚀破坏。工程设计时为了保障其安全性，在进行结构设计时，往往通过提高混凝土的强度来预防溢洪道、放水洞和导流洞被冲磨破坏。以新疆大推移质泥沙河流为例，上述部位底板混凝土的设计强度等级为C60。

在配制C60抗冲磨混凝土时需要较低的水胶比才能满足强度的要求，而在低水胶比情况下，混凝土往往自身体积收缩较大，易开裂，导致其抗冲磨性能降低。近些年学者较多从原材料、配合比等方面研究其抗冲磨性[1-5]，而对于高速挟沙水流冲击的抗冲磨混凝土等所引起的开裂问题则研究得相对较少。抗冲磨混凝土易开裂与其配制技术密不可分，现有研究表明硅粉混凝土虽然能够大幅度提高混凝土的抗冲磨和抗空蚀能力，但硅粉颗粒超细、需水量大，导致混凝土孔隙结构细化，且具有更大的化学收缩[6]。高浩等[7]开展了中低强度抗冲磨混凝土的干缩试验，结果表明，对比不同掺合料方案，复掺5%硅粉和20%粉煤灰对抑制收缩更有利。祝小靓等[8]在混凝土中掺入膨胀剂，研究了不同掺合料微膨胀抗冲磨混凝土的抗裂性能。余舟等[9]采用低热和中热水泥，在混凝土中掺入聚乙烯醇(PVA)、硅粉及粉煤灰等不同材料，配置了性能优异的低热水泥抗冲磨混凝土。

本研究以粉煤灰、矿渣和硅灰为研究对象，进行单掺、复掺试验配制满足C60强度等级的抗冲磨混凝土，通过平板法、圆环法对C60抗冲磨混凝土的抗裂性能进行研究，并结合微观测试手段，揭示不同掺合料单掺、复掺对C60高强混凝土抗裂性能的影响机理，旨在为工程提供性能优异的抗冲磨混凝土配制方案，丰富水工抗冲磨混凝土的研究成果。

2 原材料及试验方法

2.1 试验材料

水泥：采用新疆天山水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理性质见表1。粉煤灰：采用新疆五彩湾火力发电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，品质指标见表2。矿渣粉：采用新疆宝新盛源建材有限公司生产的S95级矿渣粉，其物理性质见表3。硅粉：采用新疆贝特力新材料科技有限公司生产的微硅粉，其品质指标见表4。减水剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA®-300P粉体聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%。细骨料：河砂，其物理性质见表5。粗骨料：卵石，最大粒径40 mm,其物理性质见表6。

表1 水泥物理性质Table 1 Physical properties of cement

表2 粉煤灰品质指标Table 2 Performance indicators of fly ash

表3 矿渣粉物理性质Table 3 Physical properties of slag powder

表4 硅粉的品质指标Table 4 Performance indicators of silica fume

表5 河砂的物理性质Table 5 Physical properties of river sand

表6 粗骨料的物理性质Table 6 Physical properties of coarse aggregate

2.2 试验方法

本文以满足C60强度等级的抗冲磨混凝土为研究对象，矿物掺和料包括不同掺量、单掺和复掺的粉煤灰、矿渣粉及硅粉，进行混凝土拌合物、力学性能及抗裂性能试验。

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中早期抗裂试验方法(以下简称“平板抗裂法”)，制作800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型试件，采用ZBL-F130混凝土裂缝宽度仪观测混凝土的单位面积总开裂面积。

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中非接触法收缩试验方法，制作100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，采用NELD-ES730非接触法混凝土收缩膨胀变形测定仪进行混凝土收缩率的测定。

根据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES 01—2004)中混凝土抗裂性测试方法及评价中的限制性水泥及水泥基胶凝材料抗裂试验方法(以下简称“圆环法”)，测定水泥基胶凝材料在收缩过程中出现开裂的时间。

3 抗冲磨混凝土配合比

3.1 掺和料单掺方案

设计不同掺和料品种及掺量的二级配抗冲磨混凝土配合比方案，控制坍落度在160～170 mm之间，抗压强度满足C60等级。

单掺粉煤灰、矿渣粉或硅粉的抗冲磨混凝土试验配合比见表7，拌和物性能及28 d抗压强度也列在表7中。由表7可知，为保证混凝土拌和物性能及C60等级要求，适当调整了不同方案的水胶比及单位用水量。硅粉活性最高，其次是矿渣粉及粉煤灰，因此，混凝土的水胶比分别为0.27、0.25、0.23。试验用粉煤灰具有减水效果，掺量越大，混凝土用水量降低，抗压强度略有下降。而硅粉需水量大，混凝土用水量随着掺量的增加而提高，且硅粉增强强度的效果明显。随着矿渣掺量的增加，混凝土用水量提高，但强度略有降低。

表7 单掺掺和料的抗冲磨混凝土试验配合比Table 7 Mix proportions of wear resistant concrete with single admixture

3.2 掺和料复掺方案

复掺不同掺和料的二级配抗冲磨混凝土配合比见表8，拌和物性能及28 d抗压强度也列在表8中。由表8可知，为保证混凝土拌和物性能及C60等级要求，水胶比保持在0.27，需调整不同方案的单位用水量及减水剂掺量。

表8 复掺掺和料的抗冲磨混凝土试验配合比Table 8 Mix proportions of wear resistant concrete with composite admixtures

4 抗冲磨混凝土抗裂性能及微观试验

4.1 平板抗裂法测试与分析

按照GB/T 50082—2009规定，对单掺及复掺掺和料方案的抗冲磨混凝土进行平板法抗裂性能试验。将混凝土拌和物湿筛以剔除粒径>31.5 mm的粗骨料，在平板试模中成型、振实、抹平，保持环境温度为(20±2) ℃，相对湿度为60%±5%；30 min后将湿麻袋取下，用风扇吹混凝土表面；搅拌加水24 h后，测读试件裂缝数量、裂缝长度和宽度等开裂信息。并计算下列3个参数：

(1)每条裂缝的平均开裂面积(mm2/条)，即

(1)

(2)单位面积的开裂裂缝数目(条/m2)，即

(2)

(3)单位面积的总开裂面积(mm2/m2)，即

C=ab。

(3)

式中：Wi为第i条裂缝的最大宽度(mm)；Li为第i条裂缝的长度(mm)；N为总裂缝数目(条)；A为平板的面积(m2)。

单掺掺和料抗冲磨混凝土的平板法抗裂试验结果见表9。复掺掺和料方案的混凝土平板法抗裂试验结果见表10。

表9 单掺掺和料抗冲磨混凝土的平板抗裂试验结果Table 9 Crack results of wear resistant concrete specimens with single admixture

表10 复掺不同掺和料抗冲磨混凝土的平板抗裂试验结果Table 10 Crack results of wear resistant concrete specimens with composite admixtures

由表9结果可知，保持水胶比不变，粉煤灰或矿渣粉的掺入，均可延长混凝土开裂时间、降低开裂程度。随着粉煤灰或矿渣粉掺量的增加，早期混凝土的裂缝条数、裂缝总长度、单位面积的裂缝数目及总开裂面积呈减小趋势，抑制混凝土开裂的效果趋于明显；而硅粉的掺入，缩短了抗冲磨混凝土的开裂时间，增加了开裂趋势。且硅粉掺量由4%增至10%，混凝土的裂缝条数、裂缝总长度、单位面积上的裂缝数目及总开裂面积增加，混凝土开裂现象趋于严重。因此，针对C60抗冲磨混凝土，粉煤灰混凝土的早期抗裂性能优于矿渣混凝土，单掺硅粉混凝土的效果最差。

对比表10中复掺方案的早期抗裂性试验结果，可见，硅粉与粉煤灰或者矿渣复掺，可减小C60抗冲磨混凝土的开裂趋势，减少单位面积的裂缝数目及总开裂面积，但总掺量应在可控范围内。综合混凝土胶凝材料用量，以及力学性能等因素，15%的粉煤灰与7%的硅粉复掺方案是合理的。

4.2 收缩变形测试与分析

根据GB/T 50082—2009非接触法收缩试验规定，进行不同掺和料方案的C60抗冲磨混凝土在无约束状态下的收缩变形性能研究。试验在温度为(20±2) ℃、相对湿度为60%±5%的恒温恒湿条件下进行。试件初始读数在混凝土初凝时读取。

混凝土收缩率按照式(4)计算，即

(4)

式中：εst为测试期为t(h)的混凝土收缩率，t从初始读数时算起；L10为左侧非接触法位移传感器初始读数(mm)；L1t为左侧非接触法位移传感器测试期为t(h)的读数(mm)；L20为右侧非接触法位移传感器初始读数(mm)；L2t为右侧非接触法位移传感器测试期为t(h)的读数(mm)；L0为试件测量标距(mm)，等于试件长度减去试件中2个反射沿试件长度方向埋入试件中的长度之和。

收缩法抗裂试验结果见图1。试验结果表明，随着龄期的发展，所有混凝土试件的收缩率逐渐增加，且前12 h内的收缩趋势增长最快，随后曲线相对平缓，龄期发展至72 h，收缩趋势仍未停止，体积变形仍在持续增长。保持水胶比不变，粉煤灰或矿渣的掺入，均降低了混凝土的体积收缩，且掺量越大，降低幅度越明显。但硅粉的掺入，显著增加了混凝土的体积收缩变形。

图1 单掺粉煤灰、单掺矿渣粉、单掺硅粉混凝土收缩率Fig.1 Shrinkages of concrete specimens dosed with merely fly ash,slag powder,or silica fume

4.3 圆环法抗裂测试与分析

根据CCES 01—2004规定的圆环法，对比测试不同胶凝体系试件在收缩过程中的开裂时间，以研究不同掺和料复掺方案的限制性抗裂性能。通过圆环法测定采用净浆或水泥砂浆制成的圆环约束试件收缩过程中出现开裂的时间，用来比较其抗裂性能，为工程推荐抗裂性能相对更好的混凝土原材料和浆体的配比。与平板法相比，圆环法给混凝土提供了近似完全的均匀约束，在很大程度上，体现了混凝土在约束条件下收缩和应力松弛的综合作用，能有效地评价混凝土的抗裂性能。

试件的标准模具包括内环、外环和底座。其制备的试件尺寸为内径41.3 mm，外径66.7 mm(即壁厚25.4 mm)，高度25.4 mm。试验净浆选用的水灰比0.24～0.28，成型(24±1) h后，拆去外环，将试件连同模具的内环一起取出，顶面和底面涂抹隔离剂进行密封处理后放入恒温恒湿箱汇总，箱内控制温度(20±0.5)℃，湿度50%±10%。限制性圆环抗裂试验结果见表11。

表11 复掺不同掺和料抗冲磨混凝土限制性圆环抗裂试验结果Table 11 Crack results of wear resistant concrete specimens with composite admixtures by ring method

表11中，当限制性抗裂圆环试件出现第2条裂缝或第2条裂缝以上时，用第1条裂缝开裂时间加上其他条裂缝开裂时间减去表中出现裂缝最迟时间作为限制性抗裂圆环评价指标。例如编号A2的综合指标为：19+23-55=-13。

试验结果表明，圆环法可以直观对比不同胶凝材料体系的抗裂性能。15%的粉煤灰与7%的硅粉复掺时，净浆试件仅1条裂缝，且开裂时间最晚(55 h)，因此其配制的抗冲磨混凝土抗裂性能最优。

4.4 微观测试及机理分析

基于以上性能试验结果，进行电镜扫描(SEM)的微观测试研究，观测不同复掺方案浆体的水化微结构，进而分析机理并验证宏观性能的规律。同一养护环境及养护龄期下，不同复掺方案的硬化浆体试件SEM观测结果见图2。

图2 复掺不同掺和料的硬化浆体SEM结果Fig.2 SEM images of hardened slurries with composite admixtures

结果表明，混凝土中复掺10%粉煤灰及4%硅粉，或者复掺10%粉煤灰及10%矿渣粉，硬化浆体结构相对密实，内部孔隙分布均匀。但是，复掺15%粉煤灰及7%硅粉或者复掺20%粉煤灰及10%硅粉，试件内部可见不均匀孔隙及微裂缝，这与宏观的抗裂试验结果相一致。由于硬化试件的强度已经较高，结构相对密实，所以仅可见少量的Ca(OH)2等水化产物，其他明显的水化产物较少看到。

硅粉掺入混凝土中，其火山灰效应将对强度不利的氢氧化钙转化成C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进强度增长。研究表明，掺硅粉水泥胶砂中大孔体积降低，小孔增多，连通孔减少，随着硅粉掺量增加，Ca(OH)2含量降低，有利于提高水泥石的强度。另一方面，张波[10]解释含硅粉水泥硬化浆体中少见粗大的Ca(OH)2，可能是由于硅粉对Ca(OH)2的沉淀起到“成核”作用，致使许多细小的Ca(OH)2结晶比一些粗大的结晶易于形成，因此，很难见到粗大薄弱的Ca(OH)2晶体，这也是水泥石强度提高的原因。而粉煤灰早期活性明显低于硅粉，其主要是和水泥水化产物Ca(OH)2起二次水化反应，所以粉煤灰的活性主要体现在中后期，二者复掺可形成协同互补效应。在优化的掺量范围内，此协同效应既可提高抗冲磨混凝土的力学性能，又能改善其抗裂耐久性，为工程的原材料优选及配合比优化提供最优方案。

5 结 论

通过平板法、圆环法对单掺和复掺粉煤灰、矿渣、硅粉配制的C60抗冲磨混凝土的抗裂性能研究，可以得出以下结论：

(1)保持水胶比不变，粉煤灰或矿渣粉的掺入均可延长混凝土开裂时间，且降低混凝土的体积收缩变形，降低开裂程度。

(2)随着粉煤灰或矿渣粉掺量的增加，早期混凝土的收缩体积变形及裂缝条数、裂缝总长度、单位面积的裂缝数目及总开裂面积呈减小趋势，抑制混凝土开裂的效果趋于明显。

(3)硅粉的掺入显著增加了混凝土的体积收缩变形，缩短了抗冲磨混凝土的开裂时间，增加了开裂趋势。且硅粉掺量由4%增至10%，混凝土开裂现象趋于严重。

(4)针对C60抗冲磨混凝土，粉煤灰混凝土的早期抗裂性能优于矿渣混凝土，单掺硅粉混凝土的效果最差。

(5)硅粉与粉煤灰或者矿渣复掺，可减小C60抗冲磨混凝土的开裂趋势，当复掺15%的粉煤灰与7%的硅粉时，抗裂效果最优。

(6)通过电镜扫描(SEM)的微观测试研究发现，粉煤灰和硅粉复掺后可形成协同互补效应，在优化的掺量范围内，此协同效应既可提高抗冲磨混凝土的力学性能，又能改善其抗裂耐久性。