從原材料角度預(yù)防混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生
時(shí)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(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn),如強(qiáng)度高、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、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(huán)境中引起的體積收縮,使得混凝土材料產(chǎn)生裂縫,結(jié)果不僅影響建筑物外觀,而且有的會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,加速鋼筋銹蝕,抗?jié)B、抗凍性能下降,嚴(yán)重影響建筑工程的使用性能及整體質(zhì)量。尤其對(duì)于預(yù)拌泵送混凝土,它具有坍落度大、砂率大、水泥用量多等特點(diǎn),因此,泵送混凝土更容易產(chǎn)生收縮而出現(xiàn)裂縫。
分析和研究混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生原因以及針對(duì)成因而采取相應(yīng)的對(duì)策,對(duì)于混凝土的應(yīng)用和工程的質(zhì)量都有著極其重要的實(shí)際意義。一般來(lái)說(shuō),混凝土拌合物在硬化過(guò)程中要經(jīng)歷化學(xué)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(guò)程,這些收縮產(chǎn)生的總收縮率在0.04%~0.06%之間,也是混凝土材料出現(xiàn)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(yù)防混凝土產(chǎn)生裂縫的首要措施。
2.混凝土的收縮機(jī)理
要從原材料開(kāi)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(duì)收縮的影響。
2.1化學(xué)減縮
在水泥的水化過(guò)程中,無(wú)水的熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗?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(gè)體系均發(fā)生體積減縮。各礦物發(fā)生化學(xué)減縮的大小順序?yàn)?C3A>C4AF>C3S>C2S。
混凝土在空氣中硬化時(shí),既要在體系中生成許多毛細(xì)孔縫影響混凝土的性能,同時(shí)又會(huì)因化學(xué)減縮引起外表體積的收縮而產(chǎn)生裂縫。
2.2塑性收縮
塑性收縮發(fā)生在混凝土硬化前的塑性階段。當(dāng)混凝土表面水分蒸發(fā)速度大于補(bǔ)充表面水分的泌水速度時(shí),表面干燥就會(huì)產(chǎn)生塑性收縮裂縫。產(chǎn)生塑性收縮的原因是由于泌出水分的蒸發(fā),在水泥顆粒與集料之間,因面層之間的張力產(chǎn)生凹月面,混凝土在產(chǎn)生足夠的抗張強(qiáng)度之前干燥,表面張力大于抗張強(qiáng)度,在混凝土硬化過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)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(huì)擴(kuò)展到混凝土材料的自由邊。當(dāng)水分蒸發(fā)速度較大時(shí),表面失水加快,任何延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間的因素都有使塑性收縮增大的趨勢(shì),如寒冷的氣候、較低的水泥用量、緩凝劑和大多數(shù)的減水劑。
2.3干燥收縮
混凝土干燥收縮的機(jī)理比較復(fù)雜,已有的水泥收縮理論中,以毛細(xì)管張力學(xué)說(shuō)最具說(shuō)服力。毛細(xì)管張力Ps用拉普拉斯(Laplace)公式表示為:
Ps=2σ/r
式中:Ps---毛細(xì)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(shí),當(dāng)相對(duì)濕度低于100%,毛細(xì)孔中的水分就開(kāi)始蒸發(fā)。由于毛細(xì)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(xì)孔水在液面下所受張力增加,毛細(xì)孔周圍的固相就必須承受相應(yīng)的壓縮應(yīng)力以取得平衡,從而產(chǎn)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(guān)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(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí),在C3A含量一定的情況下,石膏摻量又成為決定干縮值的關(guān)鍵。因此, 最佳石膏摻量的確定,對(duì)減小水泥干縮也甚為重要。
2.4溫度收縮
在絕熱狀態(tài)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(chǎn)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(yīng)力,從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。水泥熟料礦物的水化放熱大小規(guī)律為: C3A>C4AF>C3S >C2S。
2.5碳化收縮
在一定的相對(duì)濕度范圍內(nèi),混凝土漿體內(nèi)的Ca(OH)2和其他水化產(chǎn)物會(huì)與空氣中的CO2反應(yīng),
如:3CaO?2SiO2?3H2O+CO2 = CaCO3+2(CaO?SiO2?H2O)+ H2O
CaO?SiO2?H2O+CO2= CaCO3+SiO2?2H2O
在上述反應(yīng)的同時(shí),硬化漿體的體積減小,出現(xiàn)不可逆的碳化收縮。不過(guò),在一般的大氣中,實(shí)際的碳化收縮速度很慢,通常在1年以后才會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生微細(xì)裂縫,主要影響其外觀質(zhì)量。
3. 混凝土原材料的選擇
在了解了導(dǎo)致混凝土收縮裂縫的工作機(jī)理的基礎(chǔ)上,合理選用混凝土原材料,提高原材料質(zhì)量,是減輕混凝土自身收縮、預(yù)防裂縫產(chǎn)生的首要對(duì)策。
3.1水泥
在滿足強(qiáng)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(xué)收縮和干燥收縮;水泥細(xì)度不可太細(xì),否則需水量增大,在表面失水較快時(shí)會(huì)使收縮加劇;對(duì)于大體積混凝土工程,應(yīng)當(dāng)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(shí),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(biāo)號(hào)宜高不宜低,用高標(biāo)號(hào)水泥,水泥用量少,對(duì)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(jié)性好的粗細(xì)骨料;粗細(xì)骨料還必須潔凈，含泥量要控制在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。
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(dāng)然，粗骨料最大粒徑應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)物斷面大小及鋼筋間距等要求，且必須是連續(xù)級(jí)配；另外還要注意控制針片狀顆粒的含量不要超標(biāo)。
3.2.2細(xì)骨料要選用粗、中、細(xì)顆粒搭配良好、空隙率低、總表面積不高的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)用水量較低;要避免使用需水量大的細(xì)砂。
3.3摻合料 在混凝土中摻入磨細(xì)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(shí)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(xì)管中水的表面張力， 從而減輕固相所受的壓縮應(yīng)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(jié)晶水化產(chǎn)物，使混凝土產(chǎn)生適度膨脹而補(bǔ)償混凝土的自身收縮。尤其在大體積、抗?jié)B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(xiàn)。
總之，了解混凝土材料的收縮原理，根據(jù)工程特點(diǎn)和實(shí)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(guān)，是避免和減小混凝土收縮裂縫的首要措施；在此基礎(chǔ)上再采取適當(dāng)?shù)氖┕ず宛B(yǎng)護(hù)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(zhì)量。
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