從原材料角度預防混凝土收縮裂縫的產生
時間：2013-08-22 14:32:05
1.前言
混凝土作為建筑工程中一種面廣量大的施工材料,不僅歷史悠久,而且具有其他材料無法替代的優點,如強度高、價格低、壽命長、工藝成熟、施工便捷等等。但是,混凝土材料也有著自身固有的缺陷,如混凝土在水化硬化和外界環境中引起的體積收縮,使得混凝土材料產生裂縫,結果不僅影響建筑物外觀,而且有的會降低結構強度,加速鋼筋銹蝕,抗滲、抗凍性能下降,嚴重影響建筑工程的使用性能及整體質量。尤其對于預拌泵送混凝土,它具有坍落度大、砂率大、水泥用量多等特點,因此,泵送混凝土更容易產生收縮而出現裂縫。
分析和研究混凝土收縮裂縫的產生原因以及針對成因而采取相應的對策,對于混凝土的應用和工程的質量都有著極其重要的實際意義。一般來說,混凝土拌合物在硬化過程中要經歷化學收縮、塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮等具有固有物理特性的收縮過程,這些收縮產生的總收縮率在0.04%~0.06%之間,也是混凝土材料出現裂縫的主要原因。因此,合理選用組成混凝土的原材料,從原材料角度避免和減小各種收縮,是預防混凝土產生裂縫的首要措施。
2.混凝土的收縮機理
要從原材料開始控制混凝土的收縮,首先要弄清混凝土的收縮原理及組成混凝土的各成分對收縮的影響。
2.1化學減縮
在水泥的水化過程中,無水的熟料礦物轉變為水化物,固相體積逐漸增加,但水泥-水體系的總體積卻在不斷縮小。下表列出幾種主要熟料礦物在水化前后的體積變化情況。水泥熟料礦物水化后整個體系均發生體積減縮。各礦物發生化學減縮的大小順序為:C3A>C4AF>C3S>C2S。
混凝土在空氣中硬化時,既要在體系中生成許多毛細孔縫影響混凝土的性能,同時又會因化學減縮引起外表體積的收縮而產生裂縫。
2.2塑性收縮
塑性收縮發生在混凝土硬化前的塑性階段。當混凝土表面水分蒸發速度大于補充表面水分的泌水速度時,表面干燥就會產生塑性收縮裂縫。產生塑性收縮的原因是由于泌出水分的蒸發,在水泥顆粒與集料之間,因面層之間的張力產生凹月面,混凝土在產生足夠的抗張強度之前干燥,表面張力大于抗張強度,在混凝土硬化過程中就會出現塑性收縮裂縫。
典型的塑性收縮裂縫通常是相互平行的,間距0.3~1m,很少會擴展到混凝土材料的自由邊。當水分蒸發速度較大時,表面失水加快,任何延長凝結時間的因素都有使塑性收縮增大的趨勢,如寒冷的氣候、較低的水泥用量、緩凝劑和大多數的減水劑。
2.3干燥收縮
混凝土干燥收縮的機理比較復雜,已有的水泥收縮理論中,以毛細管張力學說最具說服力。毛細管張力Ps用拉普拉斯(Laplace)公式表示為:
Ps=2σ/r
式中:Ps---毛細管張力;
σ--- 水的表面張力;
r---彎月面的曲率半徑。
混凝土漿體失水時,當相對濕度低于100%,毛細孔中的水分就開始蒸發。由于毛細孔中的水呈凹月面,隨著混凝土中水泥的水化硬化,其曲率半徑不斷減小,使毛細孔水在液面下所受張力增加,毛細孔周圍的固相就必須承受相應的壓縮應力以取得平衡,從而產生固相壓縮彈性變形而引起干縮。
在水泥的熟料礦物組成中,四種礦物的干縮值大小順序是: C3A >C3S>C2S>C4AF。有關研究表明,漿體的干縮值隨C3A含量的增加而提高;并且干縮值的差別絕大部分是由于C3A含量變化的緣故,其他組成的作用較為次要。下圖為C3A含量不同的三種水泥干縮率隨時間變化的實驗結果。同時,在C3A含量一定的情況下,石膏摻量又成為決定干縮值的關鍵。因此, 最佳石膏摻量的確定,對減小水泥干縮也甚為重要。
2.4溫度收縮
在絕熱狀態下,每100Kg水泥因水化放熱可使混凝土升溫10℃~12℃,尤其大體積混凝土由于水化熱產生的升溫較高、降溫幅度大,使混凝土形成較大的溫度和收縮應力,從而導致裂縫的產生。水泥熟料礦物的水化放熱大小規律為: C3A>C4AF>C3S >C2S。
2.5碳化收縮
在一定的相對濕度范圍內,混凝土漿體內的Ca(OH)2和其他水化產物會與空氣中的CO2反應,
如:3CaO?2SiO2?3H2O+CO2 = CaCO3+2(CaO?SiO2?H2O)+ H2O
CaO?SiO2?H2O+CO2= CaCO3+SiO2?2H2O
在上述反應的同時,硬化漿體的體積減小,出現不可逆的碳化收縮。不過,在一般的大氣中,實際的碳化收縮速度很慢,通常在1年以后才會在混凝土表面產生微細裂縫,主要影響其外觀質量。
3. 混凝土原材料的選擇
在了解了導致混凝土收縮裂縫的工作機理的基礎上,合理選用混凝土原材料,提高原材料質量,是減輕混凝土自身收縮、預防裂縫產生的首要對策。
3.1水泥
在滿足強度的前提下,盡可能選用熟料礦物中C3A、C3S含量低而C4AF、C2S含量高的水泥,可顯著地減小化學收縮和干燥收縮;水泥細度不可太細,否則需水量增大,在表面失水較快時會使收縮加劇;對于大體積混凝土工程,應當選擇中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥;在摻加粉煤灰或泵送劑時,也可選用礦渣硅酸鹽水泥;在水泥品種方面,礦渣水泥、快硬水泥收縮性較高,普通水泥、火山灰水泥和礬土水泥收縮性較低;另外水泥標號宜高不宜低,用高標號水泥,水泥用量少,對減少干縮有利。
3.2骨料
要選用具有棱角、表面粗糙、與水泥粘結性好的粗細骨料;粗細骨料還必須潔凈，含泥量要控制在標準以內。
3.2.1粗骨料粒徑增大，可以減少水泥用水量、減少水泥用量，從而可以減小混凝土的自身收縮。當然，粗骨料最大粒徑應滿足結構物斷面大小及鋼筋間距等要求，且必須是連續級配；另外還要注意控制針片狀顆粒的含量不要超標。
3.2.2細骨料要選用粗、中、細顆粒搭配良好、空隙率低、總表面積不高的中砂，細度模數為2.8時用水量較低;要避免使用需水量大的細砂。
3.3摻合料 在混凝土中摻入磨細的粉煤灰、礦渣粉、硅粉等摻合料，不僅可以減少水泥用量、改善和易性，而且能降低水灰比和水化熱，提高密實度，減輕混凝土的收縮。
3.4混凝土外加劑
3.4.1減水劑：在混凝土中摻入減水劑，可以減少用水量，在保證水灰比不變的情況下，可降低水泥用量，減小混凝土的收縮。
3.4.2減縮劑：摻加一定的混凝土減縮劑，可降低水泥石毛細管中水的表面張力， 從而減輕固相所受的壓縮應力,可以較大幅度地減小混凝土的收縮。
3.4.3膨脹劑：在混凝土拌合物中使用一定量的膨脹劑，拌合后生成膨脹性結晶水化產物，使混凝土產生適度膨脹而補償混凝土的自身收縮。尤其在大體積、抗滲混凝土工程中效果十分顯著。
3.4.4另外,在泵送混凝土中摻入泵送劑能減少拌合水和水泥用量;在大體積混凝土工程中使用緩凝劑,能延緩水化放熱,推遲放熱峰的出現。
總之，了解混凝土材料的收縮原理，根據工程特點和實際情況合理選用混凝土原材料，把好混凝土材料自身收縮的第一關，是避免和減小混凝土收縮裂縫的首要措施；在此基礎上再采取適當的施工和養護方法，就可較好地解決混凝土收縮裂縫這一頑疾，從而提高混凝土性能，保證建筑工程的質量。
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