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［摘要］住宅现浇楼板的裂缝是一种常见的建筑质量问题。文章分析了混凝土早期开裂的原因，结合影响混凝土早期收缩的各因素优化出大掺量粉煤灰混凝土的配合比。试验中采用了先进的方法测试大掺量粉煤灰混凝土早期收缩，进行了平板试验模拟了楼板开裂情况。通过各项性能指标的分析验证了粉煤灰的掺量是影响混凝土早期收缩的重要因素。
随着我国经济的发展，房地产业投资逐年稳步增长，商品房建设已成为拉动经济发展的一个新的增长点。与此同时，商品房住宅楼的建设质量问题已受到全社会的关注。近几年来，现浇楼板的裂缝问题比较严重，裂缝问题的普遍性与商品房消费者的非议和投诉应引起足够的重视。而这些裂缝大部分是在楼板受荷之前产生的早期裂缝。因此解决混凝土浇筑完成后的早期开裂成为了一个亟待解决的问题。早期裂缝主要是由混凝土的收缩引起的。混凝土早期收缩有：化学收缩、自生收缩、塑性收缩、干缩、碳化收缩等等。现代高性能混凝土水胶比小，自收缩占早期收缩的大部分。混凝土的自收缩大小主要取决于水泥石内部自干燥程度、水泥石的弹性模量及徐变系数。混凝土的早期( 初凝至ld) 弹性模量低、徐变系数大，因此自干燥速度是决定早期自收缩的主要因素。粉煤灰虽然是活性混合材料，但是在水泥浆体系中的水化非常缓慢，在相同的水胶比条件下，用粉煤灰替代部分水泥，相当于增大早期有效水灰比，因此粉煤灰可降低混凝土内部的早期自干燥速度，显著降低早期自收缩。后期粉煤灰的继续水化使水泥石内部自干燥程度提高，但是此时混凝土已有较高的弹性模量和很低的自徐变系数，因此在相同自干燥程度下产生的自收缩同早期相比小得多。粉煤灰的这种作用可称为“能量滞后释放效应”[1.2]。
因此，用粉煤灰代替水泥可以减少混凝土收缩，提高混凝土的抗裂性能，本文做了大量试验予以证明。
1 原材料及试验仪器
1.1 原材料
水泥 ：采用山东水泥厂生产的P.O.42.5R 普通硅酸盐水泥。
粉煤灰 ：采用济南黄台电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。
砂：泰安产中砂，细度模数2.7，堆积密度1550 kg/m3，含泥量3.0%，泥块含量1.0%。
石：济南港沟石料厂生产的连续级配5～25 碎石，针片状含量5.0%，压碎指标8.1%，含泥量0.4% , 堆积密度1550kg/m3。
水：饮用水。
外加剂：山东华迪建筑科技有限公司产：萘系(NF) 高效减水剂，减水率为15%；脂肪族(BAF) 高效减水剂，减水率为23%；多基团高效减水剂(NJ), 减水率为25%。
1.2 比长仪
ZN- 智能比长仪，能连续测量记录各点各时段的实际膨胀（收缩）情况并绘制出变化曲线。不仅消除了人工操作误差、节省了人力，而且大大提高了测量精度，比较客观准确地反映了试体膨胀( 收缩) 的内在规律。
2 大掺量粉煤灰混凝土配合比正交试验
2.1 影响因素
水胶比A、粉煤灰掺量B、砂率C、外加剂D
2.2 正交试验表
表1 三水平四因素正交表L9(34) | 因素 | 水胶比A | 粉煤灰掺量B | 砂率C | 外加剂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 混凝土计算配比 | 编号 | A水胶比 | B粉煤灰掺量 | C砂率 | D外加剂 | 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 正交试验结果
2.4.1 极差分析
表3 C30 混凝土7d 收缩值极差分析 | 编号 | 水胶比 | 粉煤灰掺量 | 砂率 | 外加剂 | 收缩值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 |
| | 极差 | 16.2 | 8.2 | 6.8 | 7.4 |
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2.4.2 各影响因素分析 
图1 ZN—智能比长仪
图2 水胶比对混凝土收缩的影响
图3 粉煤灰掺量对混凝土收缩的影响
图4 外加剂种类对混凝土收缩的影响
2.5 结果分析
从极差分析结果可以看出，水胶比对混凝土收缩影响最大；其次是粉煤灰掺量和外加剂种类；砂率对混凝土收缩的影响最小。以收缩值为性能指标，最优配比为A3B1C3D3，即大掺量粉煤灰混凝土的最优配比为：水胶比为0.4，粉煤灰掺量为50%，外加剂为NJ 多基团高效减水剂，砂率43%。从9 组混凝土配合比来看7＃与最优配合比最为接近，混凝土收缩值最小。
随着水胶比的减小混凝土早期收缩逐渐增大。水胶比越小，混凝土的自收缩越大。水胶比越小，毛细管压越大，毛细管内的相对湿度越低。根据LeChatelier 减缩原理，毛细管压对于早期水泥浆体自收缩的影响是非常显著的，当毛细管内的相对湿度从100% 降低到80% 时，毛细管压将从0MPa 增大到30MPa，如此大的压力必将导致水泥石的收缩[3]。因此，水胶比越小，混凝土内部引起的自干燥越强，早期收缩越大。可以看出，粉煤灰掺量对混凝土早期收缩有较大影响，这种影响不是呈线性的。粉煤灰掺量为50%和60%时，两者的收缩值相差不大，50%时收缩值最小。高效减水剂种类对大掺量粉煤灰混凝土早期收缩有重要影响。选择与大掺量粉煤灰混凝土相适应的外加剂对混凝土抗裂起有益作用。NJ 多基团高效减水剂是由聚羧酸高性能减水剂、脂肪族高效减水剂，同时复合少量混凝土和易性调节剂复配而成。NJ 多基团高效减水剂能减少混凝土收缩，提高混凝土的抗裂性能：一方面，NJ 多基团高效减水剂分子结构中含有— COO—、— OH 等基团，易与水泥水化析出的Ca2+形成稳定的络合物，通过化学键和胶凝材料强烈地粘结在一起。另一方面，NJ 新型高性能减水剂分子结构中含有较多的支链，在水泥水化后，这些支链残留在水泥水化形成的凝胶孔和毛细孔中，形成相互交叉的网状结构，相当于纤维均匀地分布在混凝土中，从而减少收缩，增强混凝土的抗裂性能。
在一定范围内, 砂率越大混凝土收缩越小，最优砂率为43%。研究表明，砂率继续增大时，石子的骨架作用减弱，水泥砂浆量增大，混凝土的收缩将增大。
3 平板试验
3.1 混凝土配合比
配合比见表2。
3.2 试验原理
评价混凝土早期收缩开裂的方法主要有三大类：环形约束实验﹑板状试件法和棱柱体单轴约束实验。
工程中对早期收缩开裂最敏感的是一些板式构件, 如混凝土楼板、屋面、桥面板、路面以及工业厂房地面等。这类构件都是处于双向收缩状态的, 为模拟这些构件的早期收缩开裂情况, 需要进行板式构件的约束收缩实验。采用平板实验测试早期开裂时，混凝土收缩同时受到两方面的约束作用：刚性模具通过螺纹钢柱的约束和试件上下层收缩不均匀而产生的上下层的约束作用，这与实际工程中的混凝土板所处情形相似。
3.3 试验图片
见图6。 
图5 砂率对混凝土收缩的影响
   
图6 试验现场图片 3.4 试验结果计算与评定
混凝土的裂缝开展通过4 个参数来描述：平均开裂面积、总开裂面积、总开裂长度、总开裂数。其中前2 个参数分别按照下列方法计算：
3.4.1 平均开裂面积
考虑裂缝的宽度、长度以及它们乘积的一半, 平均开裂面积“a”可按公式（1）计算 
式中：Wi——第i 条裂缝的最大宽度；
Li——第i 条裂缝的长度；
N——所试验面积内的总开裂条数。
3.4.2 总开裂面积
总开裂面积“c”按公式（2）计算 ： c=aN(mm2) （2） 式中，a、N 分别为平均开裂面积和总开裂条数。
3.4.3 抗开裂性能比（修正指标）
以基准混凝土的平均开裂面积与需要检测的混凝土的平均开裂面积之差除以基准混凝土的平均开裂面积的百分数表示。抗开裂性能比γ 按公式（3）计算：
3.5 试验结果与分析
从极差分析结果可以看出，水胶比对混凝土平板开裂影响最大；其次是外加剂和粉煤灰掺量种类；砂率对混凝土平板开裂的影响最小。以混凝土平板平均开裂面积为性能指标，最优配比为A3B1C3D3，即大掺量粉煤灰混凝土的最优配比为：水胶比为0.4，粉煤灰掺量为50%，外加剂为NJ 新型高性能减水剂，砂率43%；其分析结果与用ZN- 智能比长仪测试的混凝土早期收缩极差分析结果基本相吻合。从9组混凝土配合比来看7＃与最优配合比最为接近，混凝土平板平均开裂面积最小。
具体分析如下：
（1）裂缝的发生及发展主要发生在1d 前,24h 后几乎没什么变化, 这是因为水化热大多集中在早期释放, 所以大掺量粉煤灰混凝土的裂缝问题应在早期及时采取控制措施。
（2）水胶比对混凝土抗裂性能的影响最为明显。水胶比越小, 开裂条数越多, 总开裂长度越大, 开裂总量也越大。因为水胶比越小, 混凝土中自由水量越少，同时混凝土结构致密度增加, 这样由混凝土内部向外迁移用以补充表面蒸发散失的自由水量就越缺乏，从而使混凝土表面开裂越严重；另外, 水胶比越小混凝土的早期自身收缩越大, 也是开裂性增加的一个原因。
（3）粉煤灰掺量和高效减水剂种类对混凝土抗裂有较为显著影响。粉煤灰对裂缝开裂条数、开裂长度、平均开裂面积、总开裂面积有重要影响。掺入粉煤灰后, 混凝土早期水化程度降低, 水化收缩减少。因此可以说掺入粉煤灰对混凝土抗裂有很好的改善作用。
试验中发现, 若在取下塑料薄膜时, 对混凝土再次抹面,则该组混凝土始终不发生裂纹。这说明低水胶比的高强与高性能混凝土, 浇注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）开裂测试结果 | 编号 | 开裂时间(h) | 总开裂面积(mm2) | 总开裂长度(cm) | 开裂条数( 条) | 平均开裂面积(mm2) | 最大缝宽(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 混凝土平板试验裂缝平均开裂面积极差分析 | 编号 | 水胶比 | 粉煤灰掺量 | 砂率 | 外加剂 | 平均开裂面积(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 |
| | 极差 | 7.81 | 4.59 | 3.63 | 5.04 |
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4 结语
通过对大掺量粉煤灰混凝土的配比进行优化设计，利用智能比长仪较精确地测量出了混凝土早期收缩值，结合平板试验，得出结论。粉煤灰掺量是影响混凝土早期收缩变形的一个重要因素。大掺量粉煤灰混凝土早期收缩较小，有着良好抗裂性能。粉煤灰替代部分水泥，使水泥用量减少，同时也降低了水化热，有利于降低混凝土自收缩。由于混凝土的收缩主要受水灰比或用水量的影响，加入粉煤灰后，一方面减少混凝土的用水量，抑制混凝土的收缩，其收缩值随粉煤灰含量的增加而减少；另一方面，粉煤灰在水泥浆体中由于微集料效应及火山灰反应生成大量水化C-S-H 凝胶，填充了孔隙，相应补偿了部分干缩。
同时，由于水泥水化是一种放热反应，用粉煤灰代替水泥可以减少水化热，从而可以降低新拌混凝土的绝热温升。另外，粉煤灰是一种工业废料，用来配制混凝土，将粉煤灰变废为宝；因此，推广应用大量粉煤灰混凝土控制现浇板裂缝具有良好的经济效益和社会效益[4]。
参考文献
[1] [ 美]A.W 亚当森. 表面物理化学. 科学出版社.1985.156
[2] Crassous J,Charlaix E., Gayvallet H. Experimental Study ofNanometric Liquid Bridge With a Surface Force Apparatus.Langmuir, 1993, 9(8):1995-1998
[3] 沈旦申，吴鹏鸣. 粉煤灰水泥混合材料的试验研究[J]. 工程建设.1953.40
[4] 王爱勤. 粉煤灰三大效应的研究及其在三峡工程中的应用. 博士学位论文.1999.7.
作者：胡爽 张鑫 常青山 孙浩
信息来源：豆丁网
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