为研究粉煤灰(FA)水泥砂浆早期断裂性能，采用粉煤灰内掺替代水泥制作水泥砂浆切口梁，对1~3 d龄期的试件进行三点弯曲试验和抗压强度试验。试验中运用数字图像相关(DIC)技术监测试件应变和位移，通过声发射(AE)技术记录试件内部损伤过程。结果表明：粉煤灰会导致水泥砂浆早期断裂性能、抗压性能、抗裂缝扩展能力及抗断裂能力降低，断裂过程区及内部损伤范围显著缩小;粉煤灰掺量越大、龄期越早，断裂参数降幅越显著，裂缝扩展速度越快;断裂参数与抗压强度之间存在线性关系。
关键词
粉煤灰;水泥砂浆;早期;断裂性能;数字图像相关;声发射技术
论文《粉煤灰水泥砂浆早期断裂性能试验研究》发表在《建筑材料学报》，版权归《建筑材料学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
一、引言
粉煤灰(FA)作为混凝土绿色化的重要手段，能改善混凝土工作性、后期强度和耐久性。但水泥粉煤灰体系早期强度发展缓慢，直接影响混凝土构件承载力和施工期可靠度，易诱发结构早期损伤与裂缝，甚至导致施工期破坏。探明该体系早期断裂破坏机理，对保障混凝土结构全寿命周期安全性和耐久性具有重要科学意义与工程价值。
国内外学者已围绕粉煤灰对水泥基材料性能的影响开展诸多研究，但多聚焦28 d及以后的性能，涉及早期性能的研究较少。现有研究表明，粉煤灰可提升混凝土中后期抗压性能和断裂性能，但早期(尤其前3 d)力学性能显著降低，且掺量越高降幅越明显。例如，掺5%~40%粉煤灰的水泥砂浆2、7、28 d抗压强度降低;掺45%、55%粉煤灰的水泥砂浆28、90 d抗压、抗折强度和断裂韧性均下降。目前，粉煤灰水泥砂浆早期性能研究尚不全面，探明3 d内其断裂性能对保障混凝土结构施工期安全至关重要。
本文设计5种粉煤灰掺量，制作45根水泥砂浆预制切口梁，通过三点弯曲试验和抗压强度试验，探究粉煤灰对水泥砂浆早期断裂性能的影响规律，为粉煤灰水泥基材料在土木工程领域的应用提供科学依据与参考。
二、试验
(一)原材料
采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、ISO标准砂，拌制用水为自来水。水泥和粉煤灰的化学组成以质量分数计，包含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O等成分及其他杂质。
(二)试件制备
试件水胶比为0.5，胶砂比为1∶3，尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的水泥砂浆预制切口梁，缝高比设计为0.4，通过埋置2 mm厚钢片预制切口，预制裂缝高度a₀为16 mm。粉煤灰以0%、10%、20%、30%、40%的比例等量替代水泥，对应试件编号为FMB‑0、FMB‑10、FMB‑20、FMB‑30、FMB‑40，每组制备9个试件，共45个。试件浇筑24 h后脱模，覆盖塑料薄膜置于(20±1)℃养护箱中养护1、2、3 d。选取光滑、孔洞少的一面作为DIC测量面，经打磨、酒精除灰后，依次喷涂白色哑光底漆和黑漆，形成随机黑白散斑图。
(三)试验方法
1. 加载与检测设备：三点弯曲试验采用ZCTS‑2M微机控制电液伺服试验机加载;DIC测试系统由大恒水星高速摄像机、StreamPix 8图像采集存储软件及金贝LX100型无频闪大功率LED光源组成，相机满幅分辨率1920×1200像素，帧率168帧/s，试验拍摄帧率设为10帧/s;声发射监测采用美国物理声学公司(PAC)PCI‑2型声发射系统，试件前后共布置4个传感器，采集频率3 MHz。
2. 加载与测试流程：三点弯曲试验采用位移控制，加载速率0.02 mm/min，加载至峰值荷载10%左右(试件接近破坏状态)时停止。受弯试验后，将试件切割成边长40 mm的立方体试块，以0.3 MPa/s的加载速率测试抗压强度f_c。
3. 参数计算：采用双K断裂模型计算起裂韧度K_IC^ini、失稳断裂韧度K_IC^un和黏聚韧度K_IC^c;通过荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线近似计算断裂能G_F;结合DIC技术、P-CMOD曲线及声发射振铃计数综合确定起裂荷载F_ini。
三、结果与分析
(一)荷载-裂缝口张开位移曲线
1~3 d内，随着粉煤灰掺量增加，试件P-CMOD曲线弹性阶段斜率降低，表明水泥砂浆早期弹性模量下降;相同掺量下，龄期越长弹性模量越高，源于水泥水化程度提升;粉煤灰掺量增加使临界裂缝口张开位移CMOD_c逐渐降低，说明抗断裂能力减弱;过峰值荷载后，CMOD_c增速加快，直至试件断裂。
起裂荷载F_ini为峰值荷载F_max的60%~65%;粉煤灰导致3 d内F_ini、F_max降低，且掺量越大F_max降幅越大，掺量超过20%时降幅急剧增大;掺40%粉煤灰的试件1、2、3 d F_max较对照组分别降低58.97%、39.89%、47.87%;随龄期增加，F_max和F_ini均增大，但增幅逐渐减小。
(二)断裂韧度与断裂能
粉煤灰显著降低1~3 d水泥砂浆的起裂韧度K_IC^ini、失稳断裂韧度K_IC^un和黏聚韧度K_IC^c，且掺量越大降幅越显著，其中对失稳断裂韧度影响更为突出。掺40%粉煤灰的砂浆试件1 d时K_IC^ini和K_IC^un较对照组分别降低59.76%、60.32%，2 d时分别降低42.13%、52.19%，3 d时分别降低45.77%、58.18%。
粉煤灰大幅降低水泥砂浆1~3 d断裂能G_F，掺量超过20%时，龄期越早G_F降低越明显;掺30%、40%粉煤灰的水泥砂浆1 d G_F降幅分别为78.18%、79.29%，2、3 d降幅为45.19%~56.02%。
(三)抗压强度与断裂参数的关系
掺入粉煤灰导致水泥砂浆抗压强度降低，掺量越大降幅越显著;相同掺量下，抗压强度随龄期增长逐渐增加，但增幅减小。原因是3 d龄期内粉煤灰反应缓慢，主要起填充作用，且替代水泥使水化产物生成量减少，导致早期强度发展不足。
试验发现，水泥砂浆的起裂韧度K_IC^ini、失稳断裂韧度K_IC^un、断裂能G_F与抗压强度均呈现线性关系，相关系数R²均在0.86以上，相关性良好。
(四)裂缝扩展过程
1. 裂缝尖端张开位移(CTOD)：达到临界裂缝尖端张开位移CTOD_c时，裂缝失稳扩展;相同粉煤灰掺量下，CTOD_c随龄期增加而增大;相同龄期下，CTOD_c随粉煤灰掺量增加而减小，表明粉煤灰降低试件抗断裂性能。
2. 裂缝尖端应变场：随龄期发展，水泥水化程度提高，起裂应变ε_ini和失稳应变ε_un均增加，且ε_un增幅高于ε_ini，试件抗裂缝扩展能力和抗断裂能力不断增强;掺粉煤灰试件的ε_ini和ε_un较同龄期对照组更低，且掺量越高数值越小，进一步证实粉煤灰削弱早期抗裂和抗断裂能力。
3. 裂缝扩展速率：相同龄期对照组试件1~3 d的裂缝扩展速率v₂(上部区域)较v₁(下部区域)分别高39.31%、43.06%、45.14%，掺40%粉煤灰试件的v₂较v₁分别高3.18%、1.64%、28.57%;随龄期增长，v₁、v₂逐渐减小;掺40%粉煤灰试件1、2、3 d的v₁和v₂较对照组分别增加65.87%~125.31%和51.02%~63.69%，且龄期越早增幅越大;相同龄期下，粉煤灰掺量越高，裂缝扩展速率越大，龄期越早增幅越显著。
(五)试件内部损伤发展过程
通过声发射三维定位技术分析试件内部损伤分布发现：试件损伤先出现在切口尖端附近(起裂阶段)，随荷载增加沿切口正上方发展(裂缝稳定扩展阶段)，荷载继续增加后向切口正上方及两侧急剧延伸(裂缝失稳扩展阶段)。
相同龄期下，掺30%粉煤灰试件内部损伤较对照组更少，断裂过程区缩小，损伤位置分布宽度缩小，1、2、3 d损伤定位点数较对照组分别降低80.15%、58.46%、47.24%;加载及破坏状态下，粉煤灰试件损伤范围较对照组更小，且龄期越早损伤范围越小;1、2、3 d掺30%粉煤灰试件预制切口位置AE事件数较对照组分别降低68.42%、53.49%、39.06%。
四、结论
1. 粉煤灰导致水泥砂浆早期断裂性能(起裂荷载、峰值荷载、断裂韧度等)和抗压性能(抗压强度、弹性模量)降低，断裂参数与立方体抗压强度呈线性关系。粉煤灰掺量越大、龄期越早，断裂参数降幅越显著，掺40%粉煤灰试件的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度较对照组1 d时分别降低59.76%、60.32%，2 d时降低42.13%、52.19%，3 d时降低45.77%、58.18%。
2. 粉煤灰降低水泥砂浆早期抗裂缝扩展能力和抗断裂能力，掺量越大，峰值荷载对应的裂缝口张开位移、裂缝尖端张开位移和应变越低，裂缝扩展越快，且龄期越早影响越明显。掺40%粉煤灰试件加载过程中裂缝扩展速率v₁、v₂较掺10%粉煤灰试件1 d时分别增加78.84%、21.66%，2 d时增加70.97%、38.25%，3 d时增加52.38%、35.71%。
3. 粉煤灰使水泥砂浆早期断裂过程区减小，内部损伤位置分布范围显著缩小。1、2、3 d时掺30%粉煤灰试件损伤定位点数较同龄期对照组分别降低80.15%、58.46%、47.24%，预制切口位置AE事件数较对照组分别降低68.42%、53.49%、39.06%。
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