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粉煤灰对混凝土早期裂缝的影响

文档作者：曹冬梅，谢贤颂文档来源：浙江工业大学建工学院衢州学院建工系		点击数：	更新时间： 2025年04月20日
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粉煤灰综合利用FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION 2010 NO．5粉煤灰对混凝土早期裂缝的影响 Influence of Fly Ash on Early Cracking of Concrete曹冬梅，谢贤颂(浙江工业大学建工学院衢州学院建工系，衢州324000)摘要：通过对混凝土试验早期表面裂缝的观测以及对试验数据的记录进行计算评价参数，并根据抗裂性评价方法建立表格并绘成图表进行有效的对比，初步分析粉煤灰对混凝土早期表面裂缝的影响，并对粉煤灰在商品混凝土中的最优掺量给出一个参考范围。关键词：粉煤灰；早期；裂缝；混凝土中图分类号：TU528．01 文献标识码：A 文章编号：1005—8249(2010)05-0029-04混凝土裂缝是混凝土结构的严重病害。贯穿裂缝和深层裂缝会破坏结构的整体性，改变混凝土的受力条件，从而有使局部甚至整体结构发生破坏的可能，严重影响建筑物的质量和运行安全性。混凝土早期表面裂缝在以后气温骤降形成的温度应力和外力作用下，表面裂缝可发展成具有破坏性的贯穿裂缝和深层裂缝。混凝土早期表面收缩开裂必将为以后侵蚀性物质的进入提供通道而危及钢筋产锈蚀，降低混凝土的整体性，加剧混凝土的破坏，从而会引起耐久性的降低并加速混凝土的劣化进程，这一问题越来越受到人们的关注，是一个亟待解决的技术难题。如何从原材料方面改善混凝土早期表面裂缝对工程造成的重大影响呢?影响混凝土抗裂性的主要原因无疑是胶凝材料体系，包括水泥本身和各种掺合料及外加剂和水胶比，在各种掺合料中，粉煤灰是首选。为此进行试验，试研究粉煤灰对混凝土早期表面裂缝产生的影响。1 试验1．1试验原材料试验原材料包括：巨化牌P．0 42．5级水泥(密度3100 kg／m3，实际第一作者：■冬梅：1980．6浙江工业大学在读。衢州学院建筑工程系。讲师。Email：plum．．_626@yahoo．eom．∞收稿日期：2010-04-29强度45．0MPa)、河砂(中砂，级配良好，表观密度2620kg／m3)、卵石(表观密度2670 kg／m3)、粉煤灰(巨化热电厂Ⅱ级灰，表观密度2200 kg／m3)、外加剂(J．I'一38高效泵送剂，掺量均为水泥重量的0．8％，减水率为】6％、混凝土坍落度为120ram～150 mm)1．2试验方案主要通过平板试验来研究粉煤灰与混凝土早期裂缝相关的因素：(1)试验准备：普通硅酸盐混凝土(粗骨料采用卵石)，砂率保持40％不变，用水量均为4．44kg，保持水灰比40％不变，当粉煤灰(FA)掺量不同时(0％、7．5％、15％、22．5％、30％、45％)进行观察研究；(2)进行平板试验，观测混凝土的开裂参数的变化情况；(3)建模分析：混凝土早期裂缝与粉煤灰掺量因素之间的关系及规律，并寻求一个合理的掺量范围。1．3 试验装置及步骤(1)试验装置： 试验装置主要有：试模、滑动塑料薄膜、加热源、风扇、测速仪、50倍读数放大镜等。其中抗裂性试模采用600 lnlTl×600 inm×63 mill的钢制平板试模，如图1。(2)试验步骤： 将滑动塑料薄膜铺放在水平平面上，再将试模放在塑料薄膜上，拧紧固定模框螺栓，并固定混凝土锚固螺栓。浇注试件时将混凝土拌合物分两层浇入模具中，并用平板振动器振实抹平，每个配合比成型2个试件，密封养护到初凝(2 h)时，揭去塑料布将两个试件连同模具置于吹风条件下，保持环境·29·万方数据2010 NO．5粉煤灰综合利用FLY ASH CoMPREHENSIVE UTⅡ，IZATIoN温度为(20±2)℃，相对湿度为(60±5)％，用调速风扇产生5 m／s的风速，然后观察并记录24 h内试件裂缝出现的条数、时间、部位以及每条裂缝的长度与宽度。在开始的3 h内，每5 min观察一次；当有裂缝出现后改为每10 min观察一次；当混凝土表面出现贯穿裂缝后很少会再有新的裂缝出现，这时改为每30 min观察一次；若24 h未出现裂缝，延长时间，每隔8 h观察一次，最长为72 h(到1 d后，每0．5 d观察一次直到龄期3 d为止)。图1 四边布栓钉的平板试验模具图(单位啪)2试验观测第一块混凝土(粉煤灰掺量为0％)成型后经过将近lh。在板角处出现了第一条长28 mm的裂缝，紧接着开始出现其他裂缝，这些裂缝长度不一，但相差不大，裂缝宽度细小，不仔细观察不易发觉，均出现在板角处。2 h后在板的中心区域开始出现裂缝，而且开裂的程度较板角处的裂缝深，经过24 h后得到试验混凝土模块，为了能够较清楚的辨认出裂缝所在位置，用颜料笔在裂缝处做出标记，如图2(a)。根据此图裂缝分布情况来看，裂缝分布区域密集区有两个，4角附近处及沿每边中央相互连接成的”十”字形区域。通过对混凝土板开裂过程的观察发现：一般较大裂缝都出现在”十”字形区域，而4角处有大量的细小裂缝，混凝土表面还出现一些分布不规则的细小裂纹。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土试块的裂缝分布也出现了同样的情况，但裂缝宽度和条数却有着相对的减少，当粉煤灰掺量为22．5％时，试块的中心区域的”十”字形裂缝没有出现，只有在四个板角处出现较少裂缝，且裂纹非常细小，如图2(b)。·30·而当粉煤灰掺量为30％时，混凝土表面的中间区域又出现了裂缝，如图2(c)。而且表面不规则的裂缝出现较为明显，4个板角处也出现了比较细小的裂纹。但随后进行的试验中，当粉煤灰掺量达到45％，混凝土板上的中间区域的裂缝又明显的减少了，而且从颜色上观察随着粉煤灰的掺量的增多，其表面的颜色越深，当掺量为45％时，颜色明显变暗，而且混凝土表面还有黑色斑点，如图2(d)。图2混凝土试块裂缝变化3试验结果分析及建议3．1抗裂性能的评价方法试件早期的抗裂性评价准则为：(1)仅有非常细的裂纹；(2)平均裂开面积<10 mm2；(3)单位面积开裂裂缝数目<10彬m2；(4)单位面积总裂开面积<100 mm2／m2。按照上述4个准则，将抗裂性划分为5个等级：I级：全部满足上述4个条件；II级：满足上述4个条件中的3个；III级：满足上述4个条件中的2个；IV级：满足上述4个条件中的1个；V级：一个也不满足。3．2试验结果分析根据试验的观察及对其所记录的数据，我们可以进行有比较的分析，由第一组试验所记录的数据和根据抗裂性能的评价方法，对这组混凝土试块抗裂性的几个指标进行计算并列出表格，如表1。万方数据粉煤灰综合利用FLY ASH CoMPREHENSIVE UTⅡ。IZATIoN 2010 NO．5表1粉煤灰平均开裂面单位面积的开裂裂缝单位面积的总开裂 裂缝总条等级掺鲢／％积(8)mm2数目(b)根mm2／m2 面积(c)Iiilll2／m2 数(n)根评定从表1可知：从平均开裂面积分析，粉煤灰的掺量从0％到22．5％，平均开裂面积依次减少。而当掺量达到30％时，平均开裂面积相比又有所增加，当掺量为45％时，平均开裂面积又相对30％时有所减少。由于试模不变，所以单位面积不变，而单位面积裂缝的开裂数目取决于裂缝总条数。表1中裂缝条数基本上相差不大，只有当掺量为45％时裂缝总条数最少为8条。根据网2、表1，可以直观地得出结论：当粉煤灰掺量从0％，7．5％，15％，22．5％这4个数值依次增加时，而单位面积平板的开裂总面积却成阶梯形式减少，然而当掺量为30％时，单位面积乎板的开裂总面积却增加的很多，而当掺量为45％时，单位面积平板的开裂总面积却又相对的减少，而且相对减少的幅度较大。3．3结论(1)根据图2表1可初步判断： ①在其他条件相同情况下，掺有粉煤灰的混凝土比没掺粉煤灰的混凝土单位面积开裂的总面积要小；②相同条件下，粉煤灰掺量从0％到15％，单位面积平板开裂总面积随着掺量的增加而减少；③相同条件下，粉煤灰掺量从15％到30％阶段，单位面积平板开裂的总面积呈现”U”型的状态，即粉煤灰掺量在15％到30％之间，理论上会出现一个单位面积平板开裂总面积的最小值；④相同条件下，在粉煤灰掺量从30％到45％这个阶段，单位面积平板的开裂总面积又随着粉煤灰掺量的增加而相对减少。(2)从以上几点我们可以归纳初步结果： ①在其他情况相同条件下，混凝土中掺加粉煤灰时，混凝土表面裂缝的单位面积开裂总面积比没有掺加粉煤灰的混凝土少，所以粉煤灰的掺人能够提高混凝土早期抗裂性能，理论上它存在一个最优掺量值；②粉煤灰掺量的不同对混凝土抗裂性能有着不同效果的影响，虽然大掺量粉煤灰(掺量=45％)相对来说在单位面积的开裂裂缝数目上和单位面积的总开裂面积上有着相对优势，但并不是掺量越多，影响的效果就越显著，它们不是成正比关系。(3)粉煤灰的主要作用可以包括以下几方面：①填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重(表观密度)只有水泥的2／3左右，而且粒形好(质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。②对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。③粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物(与水泥中硅酸盐的水化产物相同)，而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。④粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。由于粉煤灰能够延缓水化反应速度，从而使混凝土的硬化速率降低，所以混凝土的早期强度会随着粉煤灰掺量的增加而降低。而现在建筑工程中对工期的要求相对较高，所以虽然大掺量粉煤灰混凝土抗裂性能较好，但是由于其早期强度过低并不能满足施工上对工期的要求，因此不是最适合的。根据分析来看，在掺量接近22．5％时单位面积的总开裂面积最少为最优掺量值。由于粉煤灰掺量不是很多，混凝土中的水化反应不至于太慢，对混凝土早期强度影响不大，从而不会影响到施工进度。4建议粉煤灰的掺入对混凝土表面裂缝起着良好的控制效果，而且有粉煤灰掺人的混凝土后期的强度比不掺粉煤灰的混凝土强度高。但由于其早期强度较低，因此现场施工更应该要严格养护。现场养护不当是造成混凝土收缩开裂一个重要的原因，混凝土浇筑后，若表面不及时覆盖、浇水养护，表面水分迅速蒸发，很容易产生收缩裂缝。特别是在气温高、相对湿度低、风速大的情况下，干缩更容易发生。有资料表明，当风速为16m／s时，混凝土中的水分蒸发速度为无风时的4倍。(下转第34页)·31·万方数据2010 NO．5粉煤灰综合利用FLY ASH CoMPREHENSIVE UTILlZATION交换性能减弱。因此，最佳脱色酸度应为pH=9．0。2．4 反应时间的影响为考察溶液反应时间对印染废水处理效果的影响，取8个锥形瓶向其中加印染废水100 mL，再加1．0min时已经达到 图6反应时间对脱色效果的影响97％以上，随着反应时间的继续增加，脱色率又缓慢下降。因此试验的最佳时间取55 rain。2．5复合混凝剂的用量对印染废水脱色的影响在25℃、pH=9的条件下，于7只烧杯中分别加入不同鼍的复合混凝剂及100 mL印染废水，搅拌吸附55 min，离心分离，测定复合混凝剂到1．2 g(投加 图7复合混凝剂用量对脱色率的影响浓度为12 g／L)时，脱色率达到97％以上，继续增加复合混凝剂的投加量，印染废水脱色率又下降，原因是复合混凝剂用量不能过大，当复合混凝剂用量高于1．6 g(投加浓度为16∥L)时，脱色效果下降，原因是由于投加量过多时，使絮体结合的阻力增大，架桥作用减弱，发生了“返浑再稳”现象。考虑到处理费用，选择复合混凝剂的投加浓度为12 g／L为适宜。3结论(1)复合混凝剂对实际印染废水的脱色效果好于原粉煤灰和聚二甲基二烯丙基氯化铵的脱色效果。(2)吸附剂的使用量、吸附时间、废水酸度和水温度对脱色效果都会有影响，通过优化条件。确定了最佳工艺条件，即复合混凝剂投加量为1．2 g(投加浓度为12 g／L)，吸附时间为55 min，pH=9，反应温度为25℃，在此条件下复合混凝剂对印染废水的脱色率可达97％以上。(3)由于复合混凝剂中添加了聚二甲基二烯丙基氯化铵，因此吸附脱色后的废水能在较短的时间内达到澄清。参考文献[1] 闫金霞，成庆利．印染废水治理技术综述[J]．染料与染色，2007。44(2)：48～51．[2] 邹龙生，欧光川，张敏等．印染废水处理技术及进展[J]．山东化工，2005，34(6)：15一18．[3] 赵华章，栾兆坤，岳钦艳等．PDMDAAC系列絮凝剂的脱色性能研究[J]．环境化学，2002，21(2)：149—154．[4] 刘旭东，胡桂玲，解英丽，等．改性粉煤灰处理印染废水的试验研究[J]．工业安全与环保，2008，34(4)：14～16．[5] 隋智慧．粉煤灰基混凝剂处理印染废水[J]．印染，2004，30(20)：11一13．[6] 邓书平．阳离子PDMDAAC改性粉煤灰处理印染废水的试验研究[J]．粉煤灰综合利用，2008，24(4)：22—24．(上接第31页)一些高层建筑的楼面为什么更容易产生裂缝，就是因为高空中的风速比地面大，所以现场养护也是导致裂缝开裂程度的一个重要因素。另外对混凝土中粉煤灰的掺量要有一定的控制，从本次试验分析来看，考虑各种因素(如：早期强度等)影响，工程中可以选择的粉·34·煤灰最优掺量应在15％到30％之间，接近22．5％。目前对混凝土中粉煤灰的最优掺量的研究还没有非常成熟，本次试验只是初步探索粉煤灰掺入的不同对混凝土早期裂缝的影响，期待更进一步的研究。

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