堿礦渣膠凝材料的開裂性能研究

陳逸群

（1.上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司，上海市200086；2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心，上海市201114）

0 引言

水泥行業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是主要的能源資源消耗和污染物排放行業(yè)之一。水泥行業(yè)能源消耗總量約占全國能源消耗總量的5%，顆粒物排放量約占工業(yè)排放總量的30%左右。此外大量工業(yè)廢產(chǎn)品的丟棄或利用不足也是一個(gè)嚴(yán)重的問題。我國每年礦渣產(chǎn)量約為8 000 萬 t~1 億 t，粉煤灰產(chǎn)量達(dá) 2.0 億 t。而堿礦渣膠凝材料是以工業(yè)廢渣（礦渣和粉煤灰等）為原料，無需高溫煅燒，工藝過程簡單，無污染，應(yīng)用于建筑，既有利于環(huán)保和節(jié)能，又能改善混凝土的性能。與通用硅酸鹽水泥相比，堿礦渣膠凝材料具有特殊優(yōu)良的性能，如強(qiáng)度高，耐腐蝕、抗?jié)B性、抗凍性、耐火性均優(yōu)于通用硅酸鹽水泥，是一種資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的“綠色”材料[1-3]。但堿礦渣膠凝材料存在一個(gè)“通病”，其早期自生收縮過大，容易造成砂漿或混凝土開裂，這已成為制約這一類膠凝材料作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用的“瓶頸”[4-5]。開裂是工程中普遍存在的一種現(xiàn)象，其中限制狀態(tài)下的干燥收縮是導(dǎo)致混凝土早期開裂的主要因素。本文利用礦渣粉在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，外加水玻璃作為激發(fā)劑，摻加輕燒氧化鎂膨脹劑、聚丙烯纖維和減縮劑等，應(yīng)用圓環(huán)法對比研究其對堿礦渣膠凝材料開裂性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)中礦粉系由南京梅山鋼鐵廠礦渣粉磨而得，比表面積4 550 cm2/g，化學(xué)成分見表1。水玻璃選用模數(shù)為3.19，固含量35.07%，其組成及基本物性參數(shù)見表2，使用時(shí)加水稀釋后再加NaOH（分析純AR）調(diào)制成模數(shù)為1.35 的稀水玻璃。試驗(yàn)所用MgO膨脹劑由菱苦土在800℃煅燒并保溫1h，然后冷卻至室溫所得。試驗(yàn)所用的減縮劑為江蘇特制新材料有限公司所生產(chǎn)的SRA 減縮劑。聚丙烯纖維密度為0.91 kg/m3，抗拉強(qiáng)度不小于400 MPa，當(dāng)量直徑 28 μm，長度12 mm。

表1 礦粉的化學(xué)組成 單位：%

表2 水玻璃化學(xué)成分基本物性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過圓環(huán)法研究堿礦渣膠凝材料的抗裂性能，試驗(yàn)中成型了四個(gè)圓環(huán)試樣，配比見表3。成型過程中摻纖維的

表3 堿礦渣膠凝材料圓環(huán)開裂試驗(yàn)配比 單位：g

干料事先充分干拌，使得纖維能分散均勻。養(yǎng)護(hù)1 d 脫模后，在試件的上表面涂上硅膠進(jìn)行密封以防止水分散失，這樣裂縫就只能出現(xiàn)在圓環(huán)的外表面上。在測試過程中，隨時(shí)觀測圓環(huán)并記錄其初始開裂時(shí)間。砂漿的初始開裂時(shí)間直接反應(yīng)了砂漿硬化過程中抵抗早期干縮開裂的能力以及聚丙烯纖維、減縮劑的摻入對于早起裂縫的限制作用。圓環(huán)的裂縫寬度用度數(shù)顯微鏡讀取。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 圓環(huán)開裂試驗(yàn)結(jié)果

裂縫形態(tài)、數(shù)量、分布情況及長度測量用數(shù)碼照相、圖像分析與讀數(shù)顯微鏡測量相結(jié)合的方法。傳統(tǒng)方法為單獨(dú)用讀數(shù)顯微鏡測量裂縫寬度，用直尺測量裂縫長度，由于裂縫各部位寬度是不相同的，用讀數(shù)顯微鏡僅能測定個(gè)別點(diǎn)的寬度，對彎曲裂縫的長度的測量更是存在較大誤差。本試驗(yàn)中結(jié)合了數(shù)碼照相、圖像分析和讀數(shù)顯微鏡測量的兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，使得測定結(jié)果更為準(zhǔn)確。裂縫形態(tài)、數(shù)量、分布情況及長度測量用數(shù)碼照相、圖像分析與讀數(shù)顯微鏡測量相結(jié)合的方法。照相時(shí)在裂縫傍邊放置一直尺或某一已知尺寸的物品作為長度的參照物。

用Image-Pro plus 圖像分析軟件對圖像進(jìn)行分析。將數(shù)碼照相輸入計(jì)算機(jī)后，先用“Measure”菜單中的“Calibration”條目下“Spatial Calibration Wizard”功能標(biāo)定圖像尺寸，見圖1（以F2 為例），中標(biāo)定直尺上劃定的間距為30mm。然后選擇“Measure”菜單中的“Measure Distance”功能，根據(jù)裂縫彎曲情況，逐點(diǎn)測量裂縫（用鼠標(biāo)點(diǎn)擊測量點(diǎn)）長度，測量值自動(dòng)顯示在圖像上。將測得的各段長度相加，即得彎曲裂縫的實(shí)際長度。

圖1 試樣F2 的主裂縫寬度和長度（單位：mm）

對四組不同配比的圓環(huán)開裂試樣，從脫模后記錄其初始開裂的時(shí)間，收集最終（7 d）裂縫條數(shù)、主裂縫平均寬度、主裂縫長度以及裂縫總面積，結(jié)果見表4。試件的總開裂面積是按照各裂縫的平均寬度乘以裂縫長度，結(jié)果累加計(jì)算的，計(jì)算中忽略了微裂紋。主裂縫的寬度發(fā)展見圖2。

表4 圓環(huán)試樣裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 各組試件主裂縫寬度隨齡期發(fā)展趨勢（單位：mm）

對比四組試驗(yàn)，F(xiàn)1 為單摻氧化鎂的最先開裂，為一條裂縫且裂縫擴(kuò)展最快，裂縫寬度最大，最終寬度將近5 mm。其次開裂的是F3 單摻纖維的，有兩條對稱的裂縫，其主裂縫寬度為1.95 mm。之后開裂的為F4 復(fù)摻氧化鎂、纖維和減縮劑的，同樣有兩條近似對稱的裂縫，而且次裂縫較主裂縫形成遲，為貫穿的細(xì)小裂縫，寬度約為0.3 mm。最后開裂的是F2 單摻減縮劑的，有6 條裂縫且裂縫擴(kuò)展最慢，其中有兩條貫穿的裂縫，另外均為長短不一的非貫穿裂縫，主裂縫長度為149.67 mm，寬度為1.34 mm，其余次裂縫的長度和寬度發(fā)展很慢，有的裂縫最終長度盡為4 mm，寬度為0.05 mm，6 條裂縫在圓環(huán)外表面近似均勻分布。

從上述描述我們可以看出：減縮劑的摻入在一定程度上降低了開裂面積和最大裂寬，對于早期的開裂具有顯著的抑制作用；纖維的摻入也能在一定程度上起到較好的阻裂效果；而在水分快速蒸發(fā)的條件下，膨脹劑的單獨(dú)摻入使得開裂面積和最大裂寬均有所增加，不僅沒有抑制作用，對于抵抗早期的塑性開裂反具有明顯的不利影響。從總的開裂面積來看，F(xiàn)1＞F3＞F4＞F2，由此可知抗裂效果優(yōu)劣次序?yàn)椋簻p縮劑＞減縮劑+ 纖維+ 膨脹劑＞纖維＞膨脹劑。

2.2 砂漿多縫開裂的形成機(jī)理

在自由干燥的條件下，由于水分的蒸發(fā)和限制收縮導(dǎo)致砂漿內(nèi)部收縮應(yīng)力增大，彈性變形能富集，圓環(huán)內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能可以表示為：

式中：F 為試件內(nèi)部的收縮應(yīng)力，N；δ 為收縮應(yīng)力所作用的位移，m；δ0為在裂縫出現(xiàn)的瞬間F 作用的累積位移，且 δ0= ε0c，ε0為開裂前時(shí)間儲(chǔ)存的應(yīng)變，c是圓環(huán)的周長。

材料本身具有抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，只有一方面試件內(nèi)部所積累的能量逐漸積累到一定程度超過了產(chǎn)生裂縫所形成的表面能，另一方面試件內(nèi)部由于收縮所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度，這個(gè)時(shí)候才能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

當(dāng)基體上產(chǎn)生了第一條裂縫后，試件內(nèi)部的能量得到釋放。在裂縫增大到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致該裂縫附近的砂漿與圓環(huán)脫離，即這部分砂漿不受圓環(huán)的約束了；反之若裂縫的發(fā)展受到限制而不能達(dá)到一定寬度時(shí)，裂縫附近砂漿仍然受到圓環(huán)的約束力，這部分應(yīng)力傳遞到基體，當(dāng)應(yīng)力積聚到一定程度超過了另一薄弱點(diǎn)開裂所需要的能量就會(huì)出現(xiàn)新的裂縫。由于應(yīng)力的聚集需要一個(gè)過程，所以次裂縫的產(chǎn)生都是在試件初裂后慢慢形成的。先出現(xiàn)的裂縫消耗了大部分的彈性應(yīng)變能，從而使出現(xiàn)的次裂縫具有的彈性應(yīng)變能相對較小，因此除主裂縫外，其他的裂縫長度和寬度發(fā)展都會(huì)相對減慢。

同濟(jì)大學(xué)姚武[6]在關(guān)于圓環(huán)干縮開裂的模型中給出了一個(gè)是否產(chǎn)生新裂縫的判據(jù)：只有當(dāng)裂縫形成所釋放的能量與形成裂紋面積所需要的能量差額隨著裂紋增長而越來越小，在這種情況下，由于試件所儲(chǔ)存的應(yīng)變能在裂縫擴(kuò)展過程中釋放速率慢，也就是說裂紋的發(fā)展所需要的能量不足以消耗試件中所儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，試樣中的殘余應(yīng)變能逐漸積累滿足了產(chǎn)生新裂縫所需能量，也就導(dǎo)致了多縫開裂。

2.3 膨脹劑、纖維、減縮劑在圓環(huán)試驗(yàn)中的分析

此次試驗(yàn)中我們所采用的膠凝材料為礦粉，由于礦粉本身所具有收縮大的特點(diǎn)，因此試驗(yàn)中的開裂較水泥砂漿的略快，也比通常情況下水泥砂漿開裂寬度略大。我們試驗(yàn)的目的就是為了通過摻加膨脹劑、纖維、減縮劑以及復(fù)摻，試圖改善礦粉砂漿的開裂性能，使其盡量減小到水泥砂漿的水平。

由上述試驗(yàn)我們可知，單摻氧化鎂膨脹劑的情況下開裂最厲害（見圖2），這可能是與試件成型后沒有很好的養(yǎng)護(hù)有關(guān)。本試驗(yàn)中我們是拆模后即放入相對干燥環(huán)境下進(jìn)行圓環(huán)抗裂試驗(yàn)，所摻的氧化鎂沒有在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)充分養(yǎng)護(hù)的情況下充分水化，因而也未能取到膨脹作用而補(bǔ)償收縮?？梢姏]有提供必要的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，是造成摻膨脹劑的試件反而達(dá)不到減縮抗裂目的的決定因素。如果能夠適當(dāng)延長標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，摻膨脹劑的砂漿的初裂時(shí)間會(huì)有所延長， 抵抗干縮開裂的能力明顯增強(qiáng)，這表明在養(yǎng)護(hù)充分的條件下，膨脹劑提供的膨脹源在基體內(nèi)部的膨脹產(chǎn)生了一定的的預(yù)壓應(yīng)力，部分地抵消了收縮應(yīng)力因而使基體的抗裂能力大大增強(qiáng)[7]。

聚丙烯纖維對砂漿和混凝土的限裂作用主要在于其能阻滯塑性收縮裂縫的產(chǎn)生和限制裂縫的發(fā)展。在塑性階段，由于膠凝材料的水化和水分的蒸發(fā)和轉(zhuǎn)移產(chǎn)生塑性收縮，其內(nèi)部的抗拉應(yīng)變能力低于塑性收縮產(chǎn)生的應(yīng)變，因而引起內(nèi)部塑性裂縫的產(chǎn)生。單摻聚丙烯纖維的較摻膨脹劑的有較好的阻裂效果，我們可以從兩方面來解釋。一方面，纖維摻入后，提高了材料的極限拉伸強(qiáng)度，這樣圓環(huán)要開裂的話就必須是能量積累到更大的程度，這樣就能推遲初始裂縫的形成時(shí)間；另一方面，纖維的摻入如同在砂漿中摻入了纖維筋，這樣裂縫尖端的擴(kuò)展就會(huì)受到纖維筋的約束和阻擋，迫使裂縫只能繞過纖維或者將纖維拉斷或者拔出才能繼續(xù)發(fā)展，這樣勢必需要更高的能量，從而纖維就起到較好的阻裂效果。由圖3 可以看出纖維的分布比較均勻，印證了試驗(yàn)中攪拌工藝的可行性。纖維斷裂時(shí)有的是拔出，有的則為拉斷破壞。

試驗(yàn)中單摻減縮劑的裂縫出現(xiàn)最遲而且開裂面積也最小，表明其對抵抗干縮開裂有著較好的作用。同樣也可以從兩個(gè)方面加以解釋。一方面，減縮劑主要依靠降低孔隙溶液的表面張力來抑制收縮，表面張力的降低意味著毛細(xì)管負(fù)壓的下降，也即引起收縮應(yīng)力的下降，導(dǎo)致了開裂的延遲。由于其減縮過程并不依賴于水源，因此對于干燥環(huán)境下的收縮具有更好的抑制作用。另外一方面，由于減縮劑的摻入，使得膠凝材料的水化變慢，前期由于水化而產(chǎn)生的收縮減少，而且減縮劑能延緩內(nèi)部的濕度變化，具有較強(qiáng)的保濕能力，可以認(rèn)為由此產(chǎn)生的干縮也會(huì)變小，綜合二者可知減縮劑的摻入減少了由收縮引起的收縮應(yīng)力，彈性應(yīng)變能聚集緩慢，從而也延長了開裂時(shí)間[8]。而多裂縫的產(chǎn)生主要是由于前期抗拉強(qiáng)度的降低，砂漿整體強(qiáng)度不高，收縮應(yīng)力的積累容易導(dǎo)致多處開裂。

對于復(fù)摻膨脹劑、減縮劑和纖維的試件F4，其抗裂效果在單摻減縮劑與單摻纖維之間，一主裂縫和一很小的次裂縫，見圖3。我們可以認(rèn)為是三者的共同影響，膨脹劑對其不利的影響和減縮劑、纖維的有利作用共同作用。

圖3 F4 膨脹劑、減縮劑和纖維復(fù)摻開裂效果圖

3 結(jié) 論

通過圓環(huán)開裂試驗(yàn)，并結(jié)合Image-Pro plus 圖像分析軟件研究了堿礦渣膠凝材料的開裂問題。從開裂時(shí)間來看，單摻氧化鎂膨脹劑的最先開裂，其后依次為單摻纖維，膨脹劑、纖維和減縮劑三者復(fù)摻，單摻減縮劑。從裂縫面積大小來看，單氧化鎂摻膨脹劑的開裂面積最大，其后開裂面積依次減小為單摻纖維，減縮劑、纖維和氧化鎂膨脹劑三者復(fù)摻，單摻減縮劑。從以上兩方面綜合來考慮，抗裂效果優(yōu)劣次序?yàn)椋簻p縮劑＞減縮劑+ 纖維+ 膨脹劑＞纖維＞膨脹劑。