摘要：将矿粉、粉煤灰、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底渣以单掺或1:1二元复掺替代部分水泥后，配制掺合料混凝土，测定其力学强度和拉压比，并利用平板法研究比较各掺合料混凝土的早期抗开裂性能。研究表明，粉煤灰具有适当降低混凝土的脆性和抑制早期开裂的性能，而矿粉的作用与其相反；飞灰对混凝土的早期开裂性能极为不利，在飞灰中复合部分粉煤灰或矿粉，可大大改善混凝土的早期抗裂性能；底渣混凝土因强度太低早期未出现明显的开裂，但在底渣中引入部分矿粉或粉煤灰后，混凝土的抗压强度能比单掺底渣混凝土明显提高，同时该底渣基复合掺合料混凝土的抗裂性能优异。

关键词：掺合料；力学强度；脆性；早期开裂

0前言

将固体废弃物作为混凝土矿物掺合料使用，不仅可以减缓工业固体废弃物的堆存压力和减小对环境的污染，而且还可以降低混凝土的生产成本并改善混凝土的某些性能[1-4]。然而，虽然各种矿物掺合料混凝土的应用已经取得了不错的发展，但其早期开裂却频繁发生[5-6]。为此，本研究采用平板法模拟实际工程中受约束混凝土的开裂，同时，为了排除水分蒸发而导致的失水收缩对混凝土塑性开裂的影响，结合混凝土水分蒸发试验，比较了各组矿物掺合料对混凝土塑性开裂的影响，并对各组掺合料混凝土的抗压强度及其拉压比进行了测定和比较。试验结果可为这些矿物掺合料在混凝土中的复合使用提供一定的依据。

1原材料

水泥：P·O42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积为320m3/kg，密度为2.864g/cm3。

粉煤灰：Ⅱ级灰，比表面积为405m3/kg，密度为2.179g/cm3。

矿粉：S95级矿粉，比表面积为425m3/kg，密度为2.694g/cm3。

垃圾焚烧飞灰：淡灰色干燥粒状粉末。

垃圾焚烧底渣：淡黑色干燥块状物体，本研究中所用均为球磨0.5h后的底渣，磨细后底渣的比表面积为528m3/kg，密度为2.550g/cm3。

砂：赣江砂，细度模数Mx=2.46，属于Ⅱ区中砂。

石：花岗岩碎石，粒径5~25mm，连续级配。

2试验方法

试验方案基于实际工地所用的C30混凝土配合比进行设计，具体配合比见表1。其中，矿物掺合料占胶凝材料的比例为30%；本试验将掺合料掺量为0的混凝土作为基准混凝土，进而将粉煤灰、矿粉、飞灰、底渣以单掺或1:1两两复掺来替代部分水泥，配制各掺合料混凝土，具体配合比及试件编号如表2所示。

使用聚羧酸高效减水剂调节各掺合料混凝土的流动度，坍落度控制在（150±30）mm范围内。按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定的方法进行混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度测试。

混凝土24h开裂性能试验采用平板法进行[7-8]，试验时间从混凝土搅拌加水开始计算，在（24±0.5）h时测读裂缝。用棉线沿裂缝走向测量裂缝的长度，再用钢尺测量棉线的长度值L。当一个刀口上有两条裂缝时，可将两条裂缝的长度相加，折算成一条裂缝。裂缝宽度采用放大倍数为40倍的读数显微镜测量，并应测量每条裂缝的最大宽度D。根据24h的开裂情况，计算三个参数：①裂缝的平均裂开面积a，mm2/根；②单位面积开裂裂缝数b，根/m2；③单位面积上的总裂开面积c，mm2/m2。三个参数的计算公式如下：

在开裂性能试验的同时，利用混凝土失水后质量变化的原理测定混凝土的早期水分蒸发情况。

3试验结果与分析

3.1矿物掺合料对混凝土强度及脆性的影响

混凝土是一种脆性材料，高的抗压强度及相对较低的抗拉强度会造成混凝土在实际承载时发生脆性断裂。因此，本试验在检测各种掺合料混凝土抗压强度的同时，对其劈裂抗拉强度也进行了测定，并以拉压比来比较所选矿物掺合料对混凝土脆性的影响。各配比混凝土强度试验结果及拉压比见表3。

由表3可知，单掺矿物掺合料时，矿粉混凝土的28d抗压强度高于基准混凝土；粉煤灰混凝土的28d抗压强度接近30MPa。单掺垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底渣的混凝土28d抗压强度远低于基准混凝土，尤其是底渣混凝土28d抗压强度仅为基准混凝土强度的0.54，但其劈裂抗拉强度高于飞灰混凝土，这可能是因为虽然底渣的活性较弱，在水泥水化过程中起的作用很小，但可填充水泥水化胶结结构的孔隙，故使底渣混凝土的劈裂抗拉性能较好[9]。掺加底渣、粉煤灰的混凝土，其拉压比总体高于基准混凝土，而矿粉混凝土、飞灰混凝土的拉压比则低于基准混凝土。底渣混凝土的拉压比为基准混凝土的1.28倍；粉煤灰混凝土的拉压比为基准混凝土的1.10倍；矿粉混凝土的拉压比为基准混凝土的0.85倍；飞灰混凝土的拉压比仅为基准混凝土的0.62倍。这说明底渣的掺入对降低混凝土的脆性最为有利，其次是粉煤灰，而矿粉混凝土、飞灰混凝土在抗压强度较高时，其抗拉强度却不能同步增加，混凝土的脆性增加。底渣混凝土拉压比较高的原因，就是底渣的“填充效应”减少了结构的孔隙，同时，由于其抗压强度的绝对值相对较小，因而拉压比较大。粉煤灰具有很好的微集料效应，粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显提高混凝土的匀质性和致密性，使抗压强度和劈裂抗拉强度的发展较为同步，其拉压比也仅次于底渣混凝土。矿粉具有较强的水硬性，能够等量取代水泥，在水泥水化的同时，矿粉也开始进行水化，因此，矿粉混凝土的致密程度不及粉煤灰混凝土，拉压比也低于粉煤灰混凝土，与基准混凝土相当。飞灰的活性不高，也不能像底渣那样起到填充作用，因此，飞灰混凝土的拉压比最低[10]。

当各矿物掺合料进行1:1复掺时，基于矿粉的二元掺合料混凝土强度普遍较高；飞灰、底渣复掺的混凝土强度则比基准混凝土大幅度降低。虽然底渣和飞灰单一作用时活性较低，但若与高活性的矿粉、粉煤灰复掺则对混凝土具有明显的增强效果，尤其是矿粉与飞灰复掺的效果最佳。这可能是水化过程中矿粉和飞灰相互调节，诱导对方水解反应加速，从而使整个体系的水化进程加快，宏观上表现出较高的强度。含底渣二元掺合料混凝土的拉压比要显著高于其他矿物掺合料混凝土，其中，底渣与飞灰复掺后的混凝土拉压比最大，可达基准混凝土的1.34倍，主要原因仍然是其抗压强度绝对值较小。矿粉和底渣复掺的混凝土体系中，一方面，矿粉自身水化较完全，另一方面，底渣很好地填充了水泥和矿粉胶凝结构的空隙，使抗拉强度能很好地发展，故其拉压比较高，仅次于飞灰和底渣复掺的混凝土。

3.2矿物掺合料对混凝土早期开裂的影响

为更好模拟夏季施工现场条件，本次平板试验选择晴天进行。试件成型后放在太阳下暴晒，加快试样中的水分蒸发速率，使裂缝出现的时间提前。选择温度相差不大的2天完成混凝土平板开裂试验，最高气温在30℃以上，具体气温纪录见表4。为更好说明混凝土的开裂性能，在进行混凝土早期开裂试验的同时，对试件2h、4h、6h、8h、10h、24h龄期的失水情况进行了测试，计算出的失水率结果列于表5。根据观察到的裂缝长度和最大裂缝宽度计算出混凝土开裂的各项参数，见表6。各掺合料混凝土的早期开裂示意图见图1～图9。

表6表明，各配比混凝土试件的失水率随龄期的增加都有一定程度的增加，失水率幅度较大的集中在前6h左右；10h时，失水率基本保持恒定。单掺时，矿粉混凝土的失水率最大，为基准混凝土的1.06倍，随后是飞灰混凝土、粉煤灰混凝土，底渣混凝土的失水率最小，为基准混凝土的0.82。复掺时，矿粉和底渣复掺混凝土的失水率最小；粉煤灰、矿粉复掺混凝土和矿粉、飞灰复掺混凝土的失水率基本保持一致；飞灰、底渣复掺混凝土的失水率最大，粉煤灰、飞灰复掺混凝土次之。综合比较可发现，掺入飞灰的混凝土失水率总体偏大，这是由于飞灰具有较小的比表面使得保持水分的能力较差造成的；而掺入底渣的混凝土却有相对较低的失水率，这可能是由于底渣具有较大的比表面，将水分团结在底渣周围，使自由水减少而造成的。

由图1～图4可知，单掺30%的粉煤灰会使混凝土出现第一条裂缝的时间比基准混凝土出现第一条裂缝的时间推迟，且裂缝的面积和数量都小于基准混凝土，其裂缝总面积和单位裂开面积均降低了25%。试验结果表明，粉煤灰对混凝土的早期塑性开裂可起到较好的抑制作用，推迟出现塑性裂缝的初始时间，减小裂缝总面积，使混凝土塑性开裂敏感性降低。这是因为粉煤灰本身的活性需要在水泥水化产物的激发下才能进行，因此，粉煤灰替代水泥后，整个体系的早期水化程度降低，塑性阶段胶凝材料水化而产生的化学收缩降低，且粉煤灰的密度低于水泥，当其取代水泥后，混凝土的密度明显降低，使早期以塑性沉降为主的塑性收缩减小，对混凝土的早期开裂起到了一定的抑制作用[11]。

单掺30%的矿粉会使混凝土第一条裂缝出现的时间提前，且裂缝的数量和面积都有很大程度的增加。尽管矿粉掺入后同样使整个体系的早期水化程度降低，但由于矿粉密度与水泥密度相差不大，因此，以塑性沉降为主的塑性收缩的减小程度不如粉煤灰混凝土体系。同时，根据成型时矿粉混凝土凝结减慢可推测，矿粉混凝土早期抗拉强度发展速度减慢，由水分蒸发产生的塑性收缩应力无明显降低，所以，矿粉具有增大混凝土塑性开裂的风险[5]。

单掺30%的飞灰不仅将混凝土的第一条裂缝出现时间提前了20min，还使飞灰混凝土的裂缝面积大大增加，说明飞灰对于混凝土的早期开裂极为不利。这是因为飞灰本身的比表面积远小于水泥，致使混凝土中出现大量的自由水，这点在水分蒸发试验结果中可以看出，飞灰混凝土的早期失水率高于其它各种配比混凝土；同时，飞灰中含有氯盐，使水泥的水化进程更加迅速，加剧了混凝土的早期化学减缩，对混凝土的早期抗裂性能极为不利[10]。

单掺30%底渣的混凝土没有发现裂缝，这主要是因为：①底渣的活性较弱，在混凝土中起着微集料的作用，填充了水泥水化时形成的孔隙，增强了混凝土的密实度；②底渣的比表面积较大，可吸附大量的自由水，使混凝土因早期失水产生的塑性收缩降低，从而提高了混凝土抗裂性能。

观察全部试验过程发现，粉煤灰和底渣复掺的混凝土在24h龄期内未出现开裂，其他复掺的混凝土在成型后3~4h开始出现裂缝，其中，矿粉、飞灰复掺混凝土最先出现裂缝，飞灰、底渣混凝土体系最晚出现裂缝。结合图5～图9来看，粉煤灰、矿粉复掺混凝土的裂缝数目最多，矿粉、底渣复掺混凝土的裂缝数目最少。粉煤灰、矿粉复掺对混凝土的早期开裂不利，24h龄期内，开裂面积为96.87mm2，较基准混凝土增加了13%。就裂缝面积而言，矿粉或粉煤灰与飞灰复掺的混凝土，其裂缝面积较其它复掺混凝土更大，其中，矿粉、飞灰复掺混凝土的早期开裂面积无论是总面积还是平均面积都是最大的，裂缝总面积达183.84mm2，为基准混凝土的124%。这是由于矿粉和水泥体系虽然水化进程比其它体系完全，但其水化过程中存在的孔隙不能被飞灰有效填充。但与单掺飞灰的混凝土相比，飞灰与矿粉或粉煤灰复掺的混凝土，其裂缝面积明显减小，尤其是引入粉煤灰后，可将单掺飞灰时的高开裂现象降低至与基准混凝土和粉煤灰混凝土早期开裂相当的水平，说明在飞灰中引入适量矿粉或粉煤灰后时，两者的协同效应对二次水化过程起到了良性调节作用，不但减缓了裂缝出现的时间，还使收缩裂缝的情况得到改善。与单掺底渣混凝土相比，在底渣中引入矿粉或粉煤灰后，粉煤灰底渣混凝土在24h内仍观察不到开裂现象；矿粉底渣混凝土的开裂现象远低于基准混凝土。

4结论

（1）掺入粉煤灰能提高混凝土的拉压比，降低混凝土的脆性；28d龄期时，掺30%粉煤灰的混凝土，其抗压强度可达基准混凝土的0.85；粉煤灰的掺入还能抑制混凝土的早期塑性开裂，延缓第一条裂缝出现的时间，24h龄期内裂缝总面积较基准混凝土降低了25%。矿粉可降低混凝土的拉压比，增加混凝土的脆性，加剧混凝土的早期开裂，使混凝土第一条裂缝出现的时间提前。飞灰混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度不能同步发展，拉压比较小，对混凝土的开裂极为不利。底渣的活性最弱，30%掺量下，底渣混凝土的28d抗压强度仅为基准混凝土的0.56，但底渣混凝土的低抗压强度使其拉压比较大，降低了该混凝土的脆性；同时，由于低活性底渣造成的早期水化程度较低，使得该掺合料混凝土在24h龄期内未出现塑性开裂现象。

（2）各掺合料两两复掺后的混凝土体系中，矿粉基二元复合掺合料混凝土的抗压强度均较高；粉煤灰底渣混凝土、粉煤灰飞灰混凝土的28d抗压强度也可达25MPa左右，只有底渣飞灰混凝土的抗压强度比基准混凝土大幅度降低。飞灰、底渣中引入高活性矿粉后，混凝土的脆性较大；矿粉飞灰混凝土早期开裂现象比单掺飞灰混凝土明显降低，而矿粉底渣混凝土的早期开裂比单掺底渣混凝土提高得不多。飞灰、底渣中引入粉煤灰后，相应复掺混凝土的脆性有所改善，飞灰粉煤灰混凝土的早期开裂现象比单掺飞灰混凝土大大降低，底渣粉煤灰混凝土在24h内未出现开裂现象。

（3）对垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底渣而言，将其作为单一掺合料用于水泥混凝土中，无论力学性能还是抗开裂性能均不理想，但将其与高活性矿粉或粉煤灰进行复合使用，所得混凝土的力学性能可与普通水泥混凝土相当，尤其是和粉煤灰复掺，在强度满足要求的前提下还能改善混凝土的抗裂性能。因此，在使用矿粉或粉煤灰作混凝土掺合料时，适当掺入垃圾焚烧飞灰或垃圾焚烧底渣是切实可行的工业废固利用途径。

参考文献：

[1]陈益民,贺行洋,李永鑫,等.矿物掺合料研究进展及存在的问题[J].材料导报,2006,20(8):28-31.

[2]杨钱荣,张树青,杨全兵.掺钢渣-矿渣-粉煤灰复合微粉混凝土性能研究[J].粉煤灰综合利用,2009(4):3-6.

[3]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[4]姚志通.固体废弃物粉煤灰的资源化利用[D].杭州：浙江大学,2010.

[5]张守治,汪守淳,乔艳静,等.矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响研究[J].混凝土与水泥制品,2010(5):25-27.

[6]王雪芳,郑建岚,晁鹏飞,等.矿物掺合料对混凝土早期开裂性能的影响[J].中国矿业大学学报,2007,36(6):768-772.

[7]李丽,孙伟,刘志勇.用平板法研究高性能混凝土早期塑性收缩开裂[J].混凝土,2003(12):33-36.

[8]国爱丽,巴恒静.高性能混凝土早期抗裂试验研究[J].建筑技术,2008,39(1):59-62.

[9]陈东河.垃圾焚烧炉渣的资源化利用的探讨[D].广州:华南理工大学,2006.

[10]石剑菁.城市生活垃圾焚烧厂飞灰特性及应用技术研究[D].上海:同济大学,2005.

[11]朱超,杨健.粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土早期开裂性的影响[J].粉煤灰,2014(2):1-3.

（《混凝土与水泥制品》2017年第06期）