從原材料角度預(yù)防混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生

從原材料角度預(yù)防混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生張衛(wèi)平（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州213002）摘要:通過水泥在水化硬化過程中產(chǎn)生化學(xué)收縮、塑性收縮、干燥收縮等理論探討和混凝土材料出現(xiàn)收縮裂縫的原因分析,從原材料角度提出預(yù)防混凝土收縮裂縫的具體措施。關(guān)鍵詞：混凝土；收縮；裂縫;原材料;預(yù)防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(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、價(jià)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(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)生原因以及針對成因而采取相應(yīng)的對策，對于混凝土的應(yīng)用和工程的質(zhì)量都有著極其重要的實(shí)際意義。一般來說，混凝土拌合物在硬化過程中要經(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?；炷恋氖湛s機(jī)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(xué)減縮在水泥的水化過程中，無水的熟料礦物轉(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)椋篊3 礦物反應(yīng)式體系絕對體積(cm3)絕對體積變化(%)反應(yīng)前反應(yīng)后C3S2(3CaO?SiO2)+6H2。=3CaO*2SiO2*3H2O+3Ca(OH)2253.54240.09—5.31C2S2(2CaO?SiO2)+4H2。=3CaO?2Si°2?3H2°+Ca(OH)2177.11173.63-1.97C3A3CaO?ALO3+6H2。=3CaO?ALO3.6H2O196.98150.11—23.793CaO?ALO3+3(CaSO4?2鳥。)+25鳥。=3CaO?AW3CaSO4?Big。761.91715.08—6.15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,在混凝土硬化過程中就會出現(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，任何延長凝結(jié)時(shí)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(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)說最具說服力。毛細(xì)管張力Ps用拉普拉斯(Laplace)公式表示為：Ps=2o/r式中:Ps—毛細(xì)管張力；O 水的表面張力；

r彎月面的曲率半徑?！炷翝{體失水時(shí)，當(dāng)相對濕度低于100%,毛細(xì)孔中的水分就開始蒸發(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，漿體的十縮值隨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，對減小水泥干縮也甚為重要。0 200 400 600時(shí)間(0 200 400 600時(shí)間(h)1—C3A4%;2—C3A6%;3—C3A8%率縮干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°C?12°C,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)物會與空氣中的CO2反應(yīng)，如：3CaO.2SiO2?3H2O+CO2=CaCO3+2(CaO?SiO2.H3CaO.2SiO2?3H2O+CO2=CaO.SiO2.gO+COztCaCO3+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，在一般的大氣中，實(shí)際的碳化收縮速度很慢，通常在1年以后才會在混凝土表面產(chǎn)生微細(xì)裂縫，主要影響其外觀質(zhì)量?；炷猎牧系倪x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)會使收縮加??；對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、火山灰水泥和磯土水泥收縮性較低;另外水泥標(biāo)號宜高不宜低,用高標(biāo)號水泥，水泥用量少，對減少十縮有利。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)品水化產(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)?？傊私饣炷敛牧系?/p>