从原材料角度预防混凝土收缩裂缝的产生
【摘 要】：近年来，我国现浇混凝土结构得到了广泛地推广和应用。
但是在钢筋混凝土结构领域,一个相当普遍的质量问题就是结构的裂缝问题,且有日趋增多的趋势。
本文详细介绍了混凝土的收缩机理，提出了从混凝土原材料的选择上预防混凝土收缩裂缝的产生的方法。
毕业论文网 【关键词】：原材料；混凝土裂缝；收缩裂缝；预防 中图分类号：TU755.4 文献标识码：A 1引言 近年来，随着商品混凝土的推广和应用，混凝土结构工程中的裂缝已成为普遍的质量通病。
从对混凝土强度理论进行研究的结果以及大量工程实践所提供的经验来看，混凝土结构的裂缝是不可避免的。
但由于裂缝的存在和发展，通常会使混凝土内部的钢筋等材料产生腐蚀，从而降低钢筋混凝土构件的承载能力、耐久性及抗渗能力，并影响建筑物的外观和使用寿命，严重者还会威胁到结构安全。
为了不至于对工程的结构安全造成影响，有必要在工程施工中对混凝土进行有效的控制，使其裂缝宽度限制在允许的范围内。
2混凝土的收缩机理 要从原材料开始控制混凝土的收缩,首先要弄清混凝土的收缩原理及组成混凝土的各成分对收缩的影响。
2.1化学减缩 在水泥的水化过程中,无水的熟料矿物转变为水化物,固相体积逐渐增加,但水泥—水体系的总体积却在不断缩小。
各矿物发生化学减缩的大小顺序为:C3A>C4AF>C3S>C2S。
混凝土在空气中硬化时,既要在体系中生成许多毛细孔缝影响混凝土的性能,同时又会因化学减缩引起外表体积的收缩而产生裂缝。
当混凝土表面水分蒸发速度大于补充表面水分的泌水速度时,表面干燥就会产生塑性收缩裂缝。
产生塑性收缩的原因是由于泌出水分的蒸发,在水泥颗粒与集料之间,因面层之间的张力产生凹月面,混凝土在产生足够的抗张强度之前干燥,表面张力大于抗张强度,在混凝土硬化过程中就会出现塑性收缩裂缝。
典型的塑性收缩裂缝通常是相互平行的,间距0.3~1m,很少会扩展到混凝土材料的自由边。
当水分蒸发速度较大时,表面失水加快,任何延长凝结时间的因素都有使塑性收缩增大的趋势,如寒冷的气候、较低的水泥用量、缓凝剂和大多数的减水剂。
2.3干燥收缩 混凝土干燥收缩的机理比较复杂,已有的水泥收缩理论中,以毛细管张力学说最具说服力。
毛细管张力Ps用拉普拉斯(Laplace)公式表示为: Ps=2σ/r式中:Ps―――毛细管张力;σ―――水的表面张力;r―――弯月面的曲率半径。
混凝土浆体失水时,当相对湿度低于100%,毛细孔中的水分就开始蒸发。
由于毛细孔中的水呈凹月面,随着混凝土中水泥的水化硬化,其曲率半径不断减小,使毛细孔水在液面下所受张力增加,毛细孔周围的固相就必须承受相应的压缩应力以取得平衡,从而产生固相压缩弹性变形而引起干缩。
在水泥的熟料矿物组成中,四种矿物的干缩值大小顺序是:C3A>C3S>C2S>C4AF。
有关研究表明,浆体的干缩值随C3A含量的增加而提高;并且干缩值的差别绝大部分是由于C3A含量变化的缘故,其他组成的作用较为次要。
下图为C3A含量不同的三种水泥干缩率随时间变化的实验结果。
同时,在C3A含量一定的情况下,石膏掺量又成为决定干缩值的关键。
因此,最佳石膏掺量的确定,对减小水泥干缩也甚为重要。
2.4温度收缩 在绝热状态下,每100Kg水泥因水化放热可使混凝土升温10℃~12℃,尤其大体积混凝土由于水化热产生的升温较高、降温幅度大,使混凝土形成较大的温度和收缩应力,从而导致裂缝的产生。
水泥熟料矿物的水化放热大小规律为:C3A>C4AF>C3S>C2S。
2.5碳化收缩 在一定的相对湿度范围内,混凝土浆体内的Ca(OH)2和其他水化产物会与空气中的CO2反应,如: 3CaO㈠匀???23H2O+CO2=CaCO3+2(CaO匠???2H2O)+H2O CaO匠???2H2O+CO2=CaCO3+SiO2∠∠㈠H2O 在上述反应的同时,硬化浆体的体积减小,出现不可逆的碳化收缩。
不过,在一般的大气中,实际的碳化收缩速度很慢,通常在1年以后才会在混凝土表面产生微细裂缝,主要影响其外观质量。
3混凝土原材料的选择 在了解了导致混凝土收缩裂缝的工作机理的基础上,合理选用混凝土原材料,提高原材料质量,是减轻混凝土自身收缩、预防裂缝产生的首要对策。
具体应从以下几个方面着手: 3.1水泥和水的选择 （1）水泥 在满足强度的前提下,尽可能选用熟料矿物中C3A、C3S含量低而C4AF、C2S含量高的水泥,可显著地减小化学收缩和干燥收缩;水泥细度不可太细,否则需水量增大,在表面失水较快时会使收缩加剧;对于大体积混凝土工程,应当选择中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥;在掺加粉煤灰或泵送剂时,也可选用矿渣硅酸盐水泥;在水泥品种方面,矿渣水泥、快硬水泥收缩性较高,普通水泥、火山灰水泥和矾土水泥收缩性较低;另外水泥标号宜高不宜低,用高标号水泥,水泥用量少,对减少干缩有利。
（2）水 混凝土的单位用水量越多,干缩率越大,一般用水量每增加1%,干缩率可增大2%—3%。
在便于施工操作并保证振捣密实的前提下,混凝土应尽可能取较小的坍落度,减少用水量,并把离析、泌水现象降到最低程度。
3.2粗细骨料选择 选择骨料时应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料,并强调骨料的连续级配。
因为采用连续级配的骨料,可以提高骨料在混凝土中所占的体积大幅度降低水泥用量,从而间接地降低水化热。
而且,用连续级配的粗骨料配制的混凝土具有较好的和易性,减小收缩。
对于粗骨料,在选择时,最大粒径应尽可能大一些。
在条件允许的情况下,可掺加不大于混凝土体积25%的粒径为150—250mm无裂缝、冲洗干净的石块,石块本身有吸收发热量的功能,能使水化热进一步降低。
3.3矿物掺和料选择 矿物掺和料包括粉煤灰、矿渣、硅灰、沸石粉等,适当掺用矿物掺和料可降低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂能力。
（1）粉煤灰 粉煤灰是以煤粉为燃料的火力发电厂从其锅炉烟气中收集下来的粉末,又称飞灰。
粒径在1—5μm之间,其主要成分是活性氧化硅和活性氧化铝。
混凝土中掺加适量的粉煤灰可以明显提高混凝土的致密性,从而提高了混凝土的强度,改善其耐久性、粘聚性和可泵性。
但是,应用粉煤灰配制的混凝土,其早期强度偏低,主要因为粉煤灰的二次水化反应一般在混凝土浇筑14天后才开始进行,加上由于粉煤灰取代了部分水泥,降低了混凝土中水泥的浓度,也必然降低混凝土的早期强度,同时延长了混凝土的粘结时间。
因此,在确定粉煤灰的掺量时,在满足相关的技术指标的前提下,同时还要满足施工的需要。
试验结果表明,采用减水剂与改性剂双掺的方法可以有效地解决这些弊端。
（2）粒化高炉矿渣 粒化高炉矿渣是炼铁高炉的熔融矿渣经急速冷却而形成的松软颗粒,其粒径一般为0.5—5mm。
化学成分主要是活性二氧化硅和活性氧化铝,为不稳定的玻璃体结构,其活性的大小与化学成分和水淬生成的玻璃体含量有关。
（3）硅灰 硅灰是冶炼硅铁和硅工业产出的废尘,含二氧化硅达90%以上,有很高的活性,为制造高强、特高强水泥基材料所必须。
由于产量和价格的限制,现在用量还不多,但不少重要的工程中均掺水泥的10%左右,如与其它掺和料复合使用,有很好的技术经济效益。
（4）沸石粉 沸石粉由天然沸石岩磨细而得,是来源最广的细掺料,在国内已有较多研究与应用。
沸石粉是架状构造的含水铝硅酸盆矿物,多孔、内表面积大,吸附性与离子交换力均强,需水性大于粉煤灰,与其它掺和料复合使用,可取得很好的技术经济效益。
3.4外加剂的选择 外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。
减水剂是最常用、最重要的外加剂,它具有减水和增塑作用,在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下,可减少用水量,节约水泥、降低绝热温升;引气剂的作用是在混凝土中产生大量微小气泡以提高混凝土的抗冻融耐久性;缓凝剂可对水泥的初期水化产生抑制作用,使新拌混凝土在较长时间内保持其塑性,以利于浇灌成型,提高施工质量,并能降低水化热。
在大体积混凝土施工中对延缓混凝土的凝结,延长混凝土的可捣实时间,推迟水泥水化放热过程,减小温度应力所引起的裂缝等方面起着重要的作用;膨胀剂的掺入可置换相同重量的水泥,同时吸收部分水化热后发生化学反应,在水泥水化和硬化过程中产生体积膨胀,这种膨胀在内外约束条件下产生一定的内压应力,这种内压应力与冷缩或干缩产生的拉应力相抵消,建立混凝土内部新的应力平衡而防止开裂。
结束语 总之，了解混凝土材料的收缩原理，根据工程特点和实际情况合理选用混凝土原材料，把好混凝土材料自身收缩的第一关，是避免和减小混凝土收缩裂缝的首要措施；在此基础上再采取适当的施工和养护方法，就可较好地解决混凝土收缩裂缝这一顽疾，从而提高混凝土性能，保证建筑工程的质量。
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