从原材料角度预防混凝土收缩裂缝的产生

1.前言
　　混凝土作为建筑工程中一种面广量大的施工材料,不仅历史悠久,而且具有其他材料无法替代的优点,如强度高、价格低、寿命长、工艺成熟、施工便捷等等。但是,混凝土材料也有着自身固有的缺陷,如混凝土在水化硬化和外界环境中引起的体积收缩,使得混凝土材料产生裂缝,结果不仅影响建筑物外观,而且有的会降低结构强度,加速钢筋锈蚀,抗渗、抗冻性能下降,严重影响建筑工程的使用性能及整体质量。尤其对于预拌泵送混凝土,它具有坍落度大、砂率大、水泥用量多等特点,因此,泵送混凝土更容易产生收缩而出现裂缝。
　　分析和研究混凝土收缩裂缝的产生原因以及针对成因而采取相应的对策,对于混凝土的应用和工程的质量都有着极其重要的实际意义。一般来说,混凝土拌合物在硬化过程中要经历化学收缩、塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等具有固有物理特性的收缩过程,这些收缩产生的总收缩率在0.04%~0.06%之间,也是混凝土材料出现裂缝的主要原因。因此,合理选用组成混凝土的原材料,从原材料角度避免和减小各种收缩,是预防混凝土产生裂缝的首要措施。
　　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。下表列出几种主要熟料矿物在水化前后的 体积变化情况。
　　水泥熟料矿物水化后整个体系均发生体积减缩。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。
　　2.2塑性收缩
　　塑性收缩发生在混凝土硬化前的塑性阶段。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:3CaO•2SiO₂•3H₂O+CO₂ = CaCO₃+2(CaO•SiO₂•H₂O)+ H₂O
　　CaO•SiO₂•H₂O+CO₂= CaCO₃+SiO₂•2H₂O
　　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。
　　3.1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。
　　3.2骨料
　　要选用具有棱角、表面粗糙、与水泥粘结性好的粗细骨料;粗细骨料还必须洁净，含泥量要控制在标准以内。
　　3.2.1粗骨料粒径增大，可以减少水泥用水量、减少水泥用量，从而可以减小混凝土的自身收缩。当然，粗骨料最大粒径应满足结构物断面大小及钢筋间距等要求，且必须是连续级配；另外还要注意控制针片状颗粒的含量不要超标。
　　3.2.2细骨料要选用粗、中、细颗粒搭配良好、空隙率低、总表面积不高的中砂，细度模数为2.8时用水量较低;要避免使用需水量大的细砂。
　　3.3掺合料  在混凝土中掺入磨细的粉煤灰、矿渣粉、硅粉等掺合料，不仅可以减少水泥用量、改善和易性，而且能降低水灰比和水化热，提高密实度，减轻混凝土的收缩。
　　3.4混凝土外加剂
　　3.4.1减水剂：在混凝土中掺入减水剂，可以减少用水量，在保证水灰比不变的情况下，可降低水泥用量，减小混凝土的收缩。
　　3.4.2减缩剂：掺加一定的混凝土减缩剂，可降低水泥石毛细管中水的表面张力， 从而减轻固相所受的压缩应力,可以较大幅度地减小混凝土的收缩。
　　3.4.3膨胀剂：在混凝土拌合物中使用一定量的膨胀剂，拌合后生成膨胀性结晶水化产物，使混凝土产生适度膨胀而补偿混凝土的自身收缩。尤其在大体积、抗渗混凝土工程中效果十分显著。
　　3.4.4另外,在泵送混凝土中掺入泵送剂能减少拌合水和水泥用量;在大体积混凝土工程中使用缓凝剂,能延缓水化放热,推迟放热峰的出现。
　　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。