混凝土塑性收縮開裂影響因素及防治措施研究

全世海 (天津廣播電視大學(xué)理工學(xué)院,天津 300191)

混凝土塑性收縮開裂影響因素及防治措施研究

全世海 (天津廣播電視大學(xué)理工學(xué)院,天津 300191)

隨著混凝土技術(shù)的快速發(fā)展,混凝土塑性收縮開裂加劇的問題同時也擺在研究者面前。對混凝土塑性收縮開裂影響因素(包括環(huán)境因素、水灰比、礦物摻合料、化學(xué)外加劑等)進(jìn)行了研究,并提出了預(yù)防混凝土塑性收縮開裂的相關(guān)措施,如合理使用外加劑(如膨脹劑、纖維和減縮劑)、加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)等,以便為提高混凝土施工質(zhì)量提供幫助。

混凝土;塑性收縮;塑性開裂;防治措施

塑性收縮是導(dǎo)致混凝土塑性開裂的主要誘因,其中以蒸發(fā)失水引起的拉伸收縮開裂為主,當(dāng)水分蒸發(fā)速率大于表面泌水速率,毛細(xì)管負(fù)壓產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大于混凝土塑性抗拉強(qiáng)度時,混凝土暴露在外的較薄砂漿層內(nèi)便開始產(chǎn)生塑性收縮開裂?；炷了苄允湛s開裂加速了混凝土劣化的進(jìn)程,且塑性裂縫成為侵蝕性物質(zhì)滲透到混凝土內(nèi)部的重要通道,加劇鋼筋的腐蝕,同時為后期其他收縮(如干燥收縮、溫度收縮、碳化收縮和自收縮等)提供開裂的基礎(chǔ),這嚴(yán)重影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命[1]。因此,重視混凝土塑性收縮開裂影響因素的探究,尋求防治塑性收縮開裂的有效措施,可以為提高混凝土施工質(zhì)量提供重要保障。下面,筆者對混凝土塑性收縮開裂的影響因素及防治打措施進(jìn)行了研究。

1 影響混凝土塑性收縮開裂的因素

1.1 環(huán)境因素

環(huán)境因素如風(fēng)速、相對濕度的變化,主要通過影響混凝土拌合物的水分蒸發(fā)速率來影響混凝土塑性收縮開裂的情況[2]。增大相對濕度或減小風(fēng)速,可降低水分蒸發(fā)速率,減小毛細(xì)管失水收縮,推遲毛細(xì)管達(dá)到臨界壓力的時間,從而減小塑性收縮開裂的幾率或降低開裂程度。同時,環(huán)境溫度的變化,除了影響混凝土拌合物的水分蒸發(fā)速率外,還影響混凝土塑性抗拉強(qiáng)度的變化[2]。例如,環(huán)境溫度升高時,一方面拌合物的水分蒸發(fā)速率增大引起塑性收縮應(yīng)力增大,另一方面拌合物水化反應(yīng)加劇,促進(jìn)塑性抗拉強(qiáng)度的增長。

1.2 水灰比

不同水灰比對毛細(xì)管壓力及塑性收縮應(yīng)力的影響不同,引發(fā)混凝土塑性收縮開裂的狀況也不同[3]。如在0.4～0.7范圍內(nèi),當(dāng)水灰比(w/c)從0.4提高到0.5時,塑性收縮增長迅速;當(dāng)w/c為0.52時,達(dá)到開裂最多的臨界塑性狀態(tài);之后再繼續(xù)提高w/c,塑性收縮呈減小趨勢[4]。此外,楊長輝等[5]研究了不同水灰比對混凝土塑性收縮開裂和水分蒸發(fā)速率的影響。在0.35～0.65范圍內(nèi),新拌混凝土的水分蒸發(fā)速率隨w/c的提高而增大;當(dāng)w/c＜0.5時,塑性收縮開裂面積隨w/c的提高而增大,開裂面積最大值對應(yīng)的w/c約為0.5,當(dāng)w/c＞0.5時,塑性收縮開裂面積隨w/c的提高而減小。

1.3 礦物摻合料

粉煤灰、硅灰、高爐礦渣等工業(yè)副產(chǎn)品作為礦物摻合料在混凝土工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用,上述礦物摻合料的種類、細(xì)度、化學(xué)成分不同,對混凝土塑性收縮開裂的影響也不同。

1)粉煤灰 粉煤灰對混凝土塑性收縮開裂的影響主要通過以下3種效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)[6]:①増塑減水效應(yīng)。粉煤灰中的球狀玻璃體起著“滾珠”作用,增大拌合物的流動性,相當(dāng)于增加了拌合物體系中可供蒸發(fā)的自由水量。②火山灰效應(yīng)。粉煤灰活性低,這決定其在摻入混凝土的早期基本不參與水化反應(yīng),當(dāng)?shù)攘刻娲嗪?拌合物的凝結(jié)硬化速度減慢,同一時刻的塑性抗拉強(qiáng)度降低,這樣不利于抵抗塑性收縮開裂。③填充效應(yīng)。低活性粉煤灰相當(dāng)于微集料,摻入混凝土后可提高拌合物的密實(shí)度,阻礙水分蒸發(fā)通道,有利于抑制水分蒸發(fā),從而減少混凝土的塑性收縮開裂。以上3種效應(yīng)的綜合作用決定粉煤灰的摻入對混凝土塑性收縮的影響并不簡單的表現(xiàn)為增大或減小,而與粉煤灰的種類、等級、摻量以及拌合物的實(shí)際水膠比(w/b)有關(guān)。王濤等[3]研究了摻與不摻粉煤灰對砂漿(w/b=0.55)塑性收縮開裂的影響,認(rèn)為摻F類粉煤灰(低鈣灰)對塑性收縮開裂具有抑制作用,摻C類粉煤灰(高鈣灰)時塑性收縮開裂的幾率增大。王川等[4]分析了不同水膠比(0.34～0.45)條件下不同粉煤灰摻量對混凝土塑性收縮開裂的影響,研究表明,w/b＜0.36時,粉煤灰的摻入對塑性收縮開裂具有抑制作用;w/b≥0.36時,粉煤灰的摻入將增大拌合物的塑性收縮,但開裂程度并不與粉煤灰的摻量成比例,而與拌合物的實(shí)際水膠比有關(guān)。王海陽等[6]研究粉煤灰摻量和細(xì)度對高強(qiáng)混凝土(w/b=0.30)塑性收縮開裂的影響,認(rèn)為摻入粉煤灰具有抑制高強(qiáng)混凝土塑性收縮開裂的作用,且隨摻灰量和細(xì)度的增加,抑制作用越顯著。

2)礦渣粉 礦渣粉具有緩凝作用,其水化需要水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣的激發(fā),其等量替代水泥后使混凝土的凝結(jié)時間延長,這雖然不利于混凝土塑性抗拉強(qiáng)度的增長,但同時又可能因推遲毛細(xì)管達(dá)到臨界壓力的時間而對抑制塑性收縮開裂有利[4]。王玲等[7]選擇不同細(xì)度礦渣進(jìn)行塑性收縮開裂影響試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)比表面積6000cm2/g礦渣混凝土的塑性收縮開裂情況比4000cm2/g礦渣混凝土有明顯的加重。張守治等[8]研究了比表面積為3215cm2/g礦渣的不同摻量對高強(qiáng)混凝土(w/b=0.30)塑性收縮開裂的影響,認(rèn)為礦渣粉在低摻量時(＜10%)對高強(qiáng)混凝土塑性收縮開裂有一定抑制作用,但隨摻量的增加,塑性收縮開裂會加劇。

3)硅灰 與粉煤灰和礦渣粉相比,硅灰具有更小的顆粒尺寸,等量替代水泥后能填充于水泥顆粒之間,可以形成致密的混凝土結(jié)構(gòu),在水分蒸發(fā)速率相同的情況下能顯著增大毛細(xì)管負(fù)壓,加劇混凝土的塑性收縮開裂。同時,硅灰極大的比表面積對水的吸附作用會顯著降低混凝土的泌水率,由于混凝土表面水分蒸發(fā)無法得到及時補(bǔ)償,也將增加混凝土的塑性收縮開裂幾率[8]。

1.4 化學(xué)外加劑

化學(xué)外加劑的摻入在改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)、提高混凝土各種性能的同時,也以不同的方式影響混凝土的塑性狀態(tài)。如新拌混凝土使用過量的緩凝劑,因凝結(jié)時間延長和強(qiáng)度發(fā)展慢,更容易產(chǎn)生塑性收縮開裂[9]。新拌混凝土使用減水劑可有效降低水的表面張力,從而抑制混凝土的塑性收縮開裂,同時減水劑又有助于分散水泥顆粒,解絮水泥顆粒包裹的游離水,改善混凝土的工作性能,從而加劇混凝土的塑性收縮開裂,上述兩方面作用的結(jié)果與減水劑的種類、摻量等因素有關(guān)[10]。繆昌文等[11]的研究表明,聚羧酸類減水劑摻入混凝土后,能夠有效改善水泥水化產(chǎn)物的形態(tài),降低多害孔和有害孔含量,使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密。劉麗霞等[12]研究了不同減水劑對混凝土塑性收縮與抗裂性能的影響,結(jié)果表明,與萘系和氨基磺酸鹽系減水劑相比,摻聚羧酸類減水劑的混凝土塑性收縮開裂程度小。

2 預(yù)治混凝土塑性收縮開裂的措施

2.1 合理使用外加劑

1)膨脹劑 膨脹劑的作用機(jī)理是利用其自身水化產(chǎn)生的具有較大膨脹性水化產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)對混凝土收縮的控制和補(bǔ)償,主要補(bǔ)償溫度收縮和干燥收縮[13]。因此,利用膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土是控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的有效方法。但對于大體積高強(qiáng)混凝土而言,如何補(bǔ)償在水化早期發(fā)生的大幅度收縮也是膨脹劑面臨的新問題。此外,由于膨脹劑完成水化反應(yīng)所需的水量大,在應(yīng)用中需要特別注意加強(qiáng)早期保濕養(yǎng)護(hù)。

2)纖維 摻加纖維被認(rèn)為是當(dāng)前抑制混凝土塑性收縮開裂的最有效方法之一[1]。在眾多的纖維品種中,包括聚乙烯醇(PVA)纖維、聚丙烯(PP)纖維、纖維素纖維、鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等,其中聚丙烯纖維是應(yīng)用最為廣泛的品種。纖維的摻量、直徑、長度、幾何形狀等直接影響其抑制塑性收縮開裂的效果。研究表明[14],低密度長的聚丙烯纖維能夠顯著降低混凝土的塑性收縮開裂程度,但會使混凝土工作性能變差,并存在老化問題;高彈性模量的鋼纖維或碳纖維在抑制收縮的同時具有較好的增強(qiáng)增韌效果。閆振鵬等[15]研究了高彈模PVA纖維和低彈模PP纖維混合使用對混凝土早期抗裂性能的影響,結(jié)果表明,混雜纖維的抗裂、增強(qiáng)效果要優(yōu)于單一品種的纖維。

3)減縮劑 減縮劑的作用機(jī)理就是通過降低孔隙水的表面張力來減小毛細(xì)孔失水所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力,可以有效減少新拌混凝土的水分蒸發(fā),對混凝土早期(24h內(nèi))的塑性收縮開裂具有較好的抑制作用[16]。錢春香等[17]從塑性抗拉強(qiáng)度、表面水分蒸發(fā)率和孔結(jié)構(gòu)3個方面對減縮劑的作用機(jī)理進(jìn)行了探討,研究認(rèn)為,當(dāng)減縮劑對塑性抗拉強(qiáng)度的降低幅度大于對毛細(xì)管收縮應(yīng)力的降低幅度時,減縮劑將劣化塑性收縮抗裂性能,反之則優(yōu)化塑性收縮抗裂性能。

2.2 加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)

1)外養(yǎng)護(hù) 外養(yǎng)護(hù)方法包括直接噴灑水、覆蓋濕草袋、覆蓋塑料膜等傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式,也包括采用涂刷養(yǎng)護(hù)劑的化學(xué)養(yǎng)護(hù)法。采用外養(yǎng)護(hù)方法時應(yīng)注意如下幾點(diǎn):①在混凝土初凝后即應(yīng)進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù);②初凝前后以及初凝到終凝這段時間內(nèi)應(yīng)留意觀察混凝土的表面狀況,若出現(xiàn)裂縫應(yīng)及時進(jìn)行抹面收光,這樣可有效去除較淺的塑性裂縫;③進(jìn)行表面積較大的混凝土施工時可以采用塑料布封閉養(yǎng)護(hù)的方法;④高溫季節(jié)可設(shè)置風(fēng)障、遮蔭棚對混凝土表面進(jìn)行遮蓋并進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù),低溫季節(jié)養(yǎng)護(hù)時應(yīng)增加保溫材料的覆蓋厚度。

2)內(nèi)養(yǎng)護(hù) 內(nèi)養(yǎng)護(hù)方法的實(shí)質(zhì)是在混凝土中引入具有較高吸水率和良好吸放水能力的材料,其預(yù)吸水隨著水泥的水化逐漸釋放,通過補(bǔ)充水分來對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。起初,主要采用預(yù)浸輕集料進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù),但該方法存在一定缺陷,即使用預(yù)浸輕集料會造成混凝土的強(qiáng)度和彈性模量明顯降低[18]。目前,學(xué)者提出利用高吸水樹脂進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)的方法。與預(yù)浸輕集料相比,高吸水樹脂具有吸水倍率高、保水性能好、摻量少、對混凝土拌合物的強(qiáng)度不利影響小等特點(diǎn),是今后混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)中須重點(diǎn)關(guān)注的材料[18]。

3 結(jié)語

混凝土塑性收縮開裂的形成機(jī)理復(fù)雜,影響因素眾多,如環(huán)境因素、水灰(膠)比、礦物摻合料、化學(xué)外加劑等。為了有效防治混凝土塑性收縮開裂,應(yīng)著重從減小表面水分蒸發(fā)速率、改善混凝土拌合物的均質(zhì)性和保水性、提高混凝土塑性抗拉強(qiáng)度等方面進(jìn)行考慮。值得注意的是,有些單一的減縮防裂措施往往起著相反的作用,如纖維在減少塑性收縮開裂的同時會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的顯著降低。因此,今后應(yīng)重點(diǎn)探討2種或多種防裂措施,如膨脹劑分別與減縮劑、纖維、內(nèi)養(yǎng)護(hù)的復(fù)合應(yīng)用問題,以尋求最大限度減少混凝土塑性收縮開裂的新途徑。由于防治混凝土塑性收縮開裂是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,還有很多技術(shù)瓶頸有待突破,因而加強(qiáng)塑性收縮影響因素及防裂措施的研究對提高混凝土工程施工質(zhì)量具有重要意義。

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[編輯]李啟棟

TU528.041

A

1673-1409(2014)19-0074-03

2014-02-24

全世海(1978-),男,碩士,講師,現(xiàn)主要從事混凝土裂縫成因與防治方面的教學(xué)與研究工作。