0 引言

　　混凝土开裂为困扰建筑业的难题^[1,2]，无法彻底克服，但可通过分析混凝土开裂原因，降低开裂程度，延缓开裂。芦浩等^[3]通过改变纤维掺量对混凝土力学性能、早期抗裂性能进行研究，研究结果表明，玄武岩纤维可有效抑制混凝土早期开裂，且掺量存在最佳值，当掺量为2.5～3.0kg/m³时，混凝土裂缝降低率为53%。袁自运^[4]对裂缝产生的原因进行研究，研究结果表明，有效的混凝土结构可提高建筑结构稳定性和抗压性，并提高道路承载力。目前，关于混凝土裂缝本构模型的研究取得显著成果^[5,6]，部分模型已考虑塑性变形的影响。周朋等^[7]研究水胶比对混凝土力学性能和微观结构的影响，测试混凝土强度、电通量和气孔结构。研究结果表明，水胶比越大，混凝土内部孔隙越多，氯离子电通量越大，抗压强度越低。Pahlavan等^[8]利用超声波与混凝土结构局部闭合表面裂缝的相互作用，对裂缝进行测量，估算周围微裂缝区域的有效宽度。研究结果表明，裂缝区域存在明显各向异性。Tashan等^[9]利用红外热像仪检测裂缝扩展和裂缝宽度。王功勋等^[10]研究不同水胶比下钢渣粉、陶瓷抛光砖粉对水泥水化性能的影响。吴福飞等^[11]研究粉煤灰、钢渣和锂渣掺量对水化产物、孔隙率和砂浆力学性能的影响，发现锂渣活性优于钢渣和粉煤灰。

　　通过平板开裂试验，研究含泥量、砂级配、水胶比和矿物掺合料对混凝土开裂的影响，选择最优、最经济的混凝土配合比方案。

　　1 试验概况

　　1.1 原材料

　　试验所用原材料包括普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、矿粉、细集料(河砂、山砂、标准砂)、粗集料和聚羧酸高效减水剂。水泥密度3 100kg/m³，碱含量0.68%，实测水泥初凝时间130min，终凝时间240min,3d抗压强度17.1MPa,28d抗压强度43.2MPa,3d抗折强度3.6MPa,28d抗折强度6.8MPa。粉煤灰含水量0.3%，需水量120mL，细度6%，活性指数81%。矿粉等级为S105，比表面积438m²/kg，密度3.0g/cm³，烧失量1.5%,SO₃含量0.3%,7d活性指数76%,28d活性指数98%。粗集料为卵石，含泥量≤0.5%。减水剂减水率≥13%。

　　1.2 试验方法

　　根据JGJ/T 317—2014《建筑工程裂缝防治技术规程》，采用平板试件进行开裂试验，模具为钢制平板试模，试件尺寸为600mm×600mm×63mm，在试模边框四周设有上下2排螺钉，每排各7个，间距60mm，可为混凝土提供约束。试验前在试模底板铺设聚四氟乙烯塑料薄膜，并刷脱模油，逐个紧固模具上的螺钉，每个平板上配置2个1 000W碘钨灯。

　　参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计技术规程》和现场使用原则进行配合比设计，如表1～4所示，其中掺合料总量为2 419kg，减水剂为外掺。

　　  

　　表1 不同含泥量混凝土配合比  

　　 

　　 

　　

　　表1 不同含泥量混凝土配合比

　　  

　　表2 不同砂级配混凝土配合比  

　　 

　　 

　　

　　表2 不同砂级配混凝土配合比

　　  

　　表3 不同水胶比混凝土配合比  

　　 

　　 

　　

　　表3 不同水胶比混凝土配合比

　　  

　　表4 不同矿物掺合料混凝土配合比 

　　 

　　 

　　

　　表4 不同矿物掺合料混凝土配合比

　　2 试验结果分析

　　2.1 含泥量的影响

　　不同含泥量试验结果如表5所示，由表5可知，含泥量对混凝土裂缝出现时间、最大宽度、数量均有较大影响。当含泥量为0时，裂缝出现时间为135min，最大裂缝宽度为0.39mm，共3条裂缝;当含泥量增至2.5%时，裂缝出现时间骤降至48min，最大裂缝宽度为0.62mm，增大了59%，裂缝快速增至10条;当含泥量增至4.0%时，裂缝出现时间为57min，最大裂缝宽度为0.60mm，略有减小;当含泥量增至5.5%时，裂缝出现时间最早，最大裂缝宽度较含泥量为0时增大113%，裂缝增至18条，较含泥量为0时多15条。综上所述，一定含泥量对混凝土裂缝出现时间、最大长度具有抑制作用。当混凝土中含有大量层状吸水泥土时，将吸收大量拌合水，使拌合物中自由水减少，混凝土流动性变差。由于泥土自身不具水化性，混凝土硬化后，泥土中水蒸发或参加其他物质的水化，导致泥土体积收缩，使体积稳定性变差，导致细小裂缝的产生。

　　  

　　表5 不同含泥量试验结果  

　　 

　　 

　　

　　表5 不同含泥量试验结果

　　根据《建筑工程裂缝防治技术规程》，试件开裂面积a宜按下式确定:

　　

　　 

　　式中:N为裂缝总条数;W_i为第i条裂缝最大宽度(mm);L_i为第i条裂缝长度(mm)。

　　含泥量对混凝土开裂面积的影响如图1所示，由图1可知，2h时，含泥量为0的混凝土开裂面积几乎为0，随着含泥量的增加，混凝土开裂面积并未依次增大;5h时，随着含泥量的增加，混凝土开裂面积依次增大，且均较2h时显著增大;8h时，含泥量为2.5%,4.0%,5.5%的混凝土开裂面积增大较快，含泥量为0的混凝土开裂面积呈平稳状态，较5h时增幅小;随着时间的继续增加，不同含泥量混凝土开裂面积几乎不再增大。这主要因为在混凝土硬化过程中，泥土阻碍水泥石与骨料黏结，造成混凝土胶结能力降低;较细的泥土颗粒比表面积大，且不发生水化反应，混凝土搅拌后吸收大量自由水，随着混凝土水化或自由水的蒸发，在存在泥土的区域形成薄弱区，易造成混凝土开裂。

　　

　　图1 含泥量对混凝土开裂面积的影响   

　　 

　　2.2 砂级配的影响

　　不同砂级配试验结果如表6所示，由表6可知，河砂混凝土裂缝出现时间为130min，标准砂混凝土裂缝出现时间为168min;砂级配对最大裂缝宽度、裂缝数量的影响较小;砂级配对最大裂缝长度的影响较大，河砂混凝土最大裂缝长度为20mm，山砂混凝土最大裂缝长度为33 mm，较河砂混凝土大65%，标准砂混凝土最大裂缝长度为31mm，较河砂混凝土大55%。这主要因为河砂含有泥土，泥土具有填充空隙和优化级配的作用，所以最大裂缝长度最小。泥土无胶结能力，这可能是河砂混凝土裂缝出现时间最早的最主要原因。

　　砂级配对混凝土开裂面积的影响如图2所示，由图2可知，2h时，不同砂级配混凝土开裂面积均为0;5h时，不同砂级配混凝土开裂面积快速增大，河砂混凝土开裂面积最大，达7.84mm²，标准砂混凝土开裂面积最小，为4.80mm²，较河砂混凝土小38.8%，山砂混凝土开裂面积与河砂混凝土相近;8h时，标准砂混凝土开裂面积快速增大，河砂、山砂混凝土开裂面积也增大;17h后，不同砂级配混凝土开裂面积增幅减小。标准砂对混凝土开裂具有一定抑制作用，这主要因为标准砂含泥量最少(<0.2%)，使混凝土骨料填充较密实，抗裂性能最优。

　　  

　　表6 不同砂级配试验结果 

　　 

　　 

　　

　　表6 不同砂级配试验结果

　　

　　图2 砂级配对混凝土开裂面积的影响   

　　 

　　2.3 水胶比的影响

　　不同水胶比试验结果如表7所示，由表7可知，随着水胶比的增大，混凝土裂缝出现时间越来越早，水胶比为0.36时，裂缝出现时间为110min，水胶比为0.45时，裂缝出现时间仅为38min;水胶比对混凝土最大裂缝宽度的影响较小;混凝土最大裂缝长度随着水胶比的增大而增大，水胶比为0.36时，最大裂缝长度为163mm，水胶比为0.45时，最大裂缝长度增至213mm;裂缝数量随着水胶比的增大而增多，水胶比由0.36增至0.45时，裂缝数量由18条增至30条。综上所述，水胶比是造成混凝土开裂的重要因素，严格控制水胶比是预防混凝土开裂的有效手段。这主要因为低水胶比混凝土水泥用量大，胶结材料多，水泥与骨料之间充分接触，胶结能力大大提高，从而有效抑制裂缝的产生。

　　  

　　表7 不同水胶比试验结果 

　　 

　　 

　　

　　表7 不同水胶比试验结果

　　水胶比对混凝土开裂面积的影响如图3所示，由图3可知，2h时，水胶比为0.36的混凝土开裂面积达400mm²，随着水胶比的增加，混凝土开裂面积呈下降趋势;5h时，水胶比为0.36的混凝土开裂面积>600mm²，随着水胶比的增大，混凝土开裂面积快速增大;8h时，不同水胶比混凝土开裂面积均呈下降趋势;随着时间的增加，混凝土开裂面积逐渐平稳。这主要因为水化反应进行8h时，混凝土出现自愈现象，发生凝结硬化，开裂面积趋于平稳。水化反应初期高水胶比使混凝土开裂面积快速增大，说明低水胶比对早期混凝土开裂具有良好的抑制作用。

　　

　　图3 水胶比对混凝土开裂面积的影响 

　　 

　　2.4 矿物掺合料的影响

　　不同矿物掺合料试验结果如表8所示，由表8可知，单掺4.0%粉煤灰时，混凝土裂缝出现时间为108min;粉煤灰和矿粉各掺2.0%时，混凝土裂缝出现时间提前3min;单掺4.0%矿粉时，混凝土裂缝出现时间晚于不掺掺合料时。单掺粉煤灰和复掺掺合料的混凝土最大裂缝宽度相同，单掺矿粉混凝土最大裂缝宽度略大，不掺掺合料混凝土最大裂缝宽度达1.50mm。最大裂缝长度由大到小依次为不掺掺合料、单掺矿粉、复掺掺合料、单掺粉煤灰混凝土。单掺粉煤灰混凝土裂缝数量最少，然后为复掺掺合料混凝土，其次为单掺矿粉混凝土。综上所述，单掺粉煤灰对混凝土开裂的抑制效果最好，一方面由于粉煤灰胶结性较好，水化能力较强;另一方面由于粉煤灰颗粒较细，可较好地填充空隙。

　　  

　　表8 不同矿物掺合料试验结果 

　　 

　　 

　　

　　表8 不同矿物掺合料试验结果

　　矿物掺合料对混凝土开裂面积的影响如图4所示，由图4可知，2h时，单掺粉煤灰混凝土开裂面积最大，达400mm²;5h时，不掺掺合料混凝土开裂面积快速增大，达1 500mm²，其他3组混凝土开裂面积虽增大，但增幅较小;5h后单掺矿粉混凝土开裂面积快速增大，接近1 500mm²;8h后不同矿物掺合料对混凝土开裂面积的影响趋于平稳，开裂面积几乎不再增大。这主要因为粉煤灰颗粒小，且表面光滑，可有效填充砂砾间的空隙，使混凝土更加密实，防止开裂。

　　

　　图4 矿物掺合料对混凝土开裂面积的影响  

　　 

　　3 结语

　　通过混凝土开裂试验研究含泥量、砂级配、水胶比和矿物掺合料的影响，得出以下结论。

　　1)含泥量对混凝土裂缝和开裂面积的影响较大，含泥量为2.5%时，对混凝土开裂具有一定抑制作用;随着含泥量的增加，混凝土开裂面积增大。

　　2)标准砂对混凝土开裂具有良好的抑制作用，河砂对混凝土开裂的抑制作用最差。

　　3)低水胶比对混凝土开裂具有良好的抑制作用，当水胶比为0.36时，混凝土裂缝最少、开裂面积最小。

　　4)粉煤灰对混凝土开裂具有良好的抑制作用，单掺粉煤灰时，混凝土裂缝最少、开裂面积最小;复掺粉煤灰和矿粉对混凝土开裂具有抑制作用;单掺矿粉对混凝土开裂的抑制作用最差。