基于商品混凝土材料組成引起的裂縫及控制

余青松，劉雪健

（1. 四川宜賓全順商品混凝土有限公司，宜賓 640000；2. 四川宜賓通泰商品混凝土有限公司，宜賓 640000）

基于商品混凝土材料組成引起的裂縫及控制

余青松1，劉雪健2

（1. 四川宜賓全順商品混凝土有限公司，宜賓 640000；2. 四川宜賓通泰商品混凝土有限公司，宜賓 640000）

四川宜賓地區(qū)材料組成引起的裂縫及控制商品混凝土裂縫問題作為一個(gè)長(zhǎng)期困擾商品混凝土攪拌站以及施工單位的質(zhì)量通病，已不在是一個(gè)新鮮的課題，之前已有很多相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行過相關(guān)的研究。本文從多方面闡述裂縫的成因解決方法。針對(duì)商品混凝土裂縫主要是以攪拌站長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐為基礎(chǔ)，從混凝土原材料及配合比的角度出發(fā)對(duì)混凝土非載荷裂縫的產(chǎn)生作出分析和探討。

商品混凝土；材料組成；裂縫；控制

0 引言

混凝土早期裂縫的生成雖有多種原因，但本質(zhì)上都可以認(rèn)為是因約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出了該齡期混凝土所能承受的抗拉極限所致。這其中有兩個(gè)決定性因素：一是混凝土的早期抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值；二是混凝土的收縮變形程度。對(duì)于混凝土強(qiáng)度，主要決定于水泥石強(qiáng)度及其與骨料表面的粘結(jié)強(qiáng)度，這又與水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比及骨料性質(zhì)等有密切關(guān)系。對(duì)于混凝土的收縮變形，它主要包括干燥收縮、塑性收縮、自干燥收縮、溫度收縮和碳化收縮五種形式。干燥收縮最為常見，發(fā)生在早期階段。塑性收縮發(fā)生最早，當(dāng)混凝土還處于塑性階段，由于水分的散失導(dǎo)致。自干燥收縮發(fā)生在水泥硬化過程中，由于產(chǎn)生于混凝土內(nèi)部，不與環(huán)境介質(zhì)接觸，也稱自身收縮。溫度收縮是在混凝土初凝后，混凝土水泥石具有一定強(qiáng)度時(shí)，由于相對(duì)初凝期或稍后階段的溫度較低而產(chǎn)生。碳化收縮是空氣中 CO2與水泥石中的 Ca(OH)2反應(yīng)生成 CaCO3，放出結(jié)合水而使混凝土收縮。

原材料對(duì)商品混凝土裂縫的影響是由膠凝材料、水、粗細(xì)骨料及摻合料按適當(dāng)比例拌制，經(jīng)一定時(shí)間硬化而成的人造石材。原材料應(yīng)用的不當(dāng)會(huì)造成混凝土硬化過程中及硬化后產(chǎn)生裂縫。

1 水

水在混凝土裂縫的形成原理中有重要作用。混凝土的塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮還有骨料堿集料反應(yīng)造成的混凝土開裂等都與混凝土中含有的水分有關(guān)。筆者在 2011年 9月曾針對(duì)某站在該月所澆筑混凝土的出廠坍落度及拆模后的混凝土表面情況做過一個(gè)對(duì)比統(tǒng)計(jì)。當(dāng)月共生產(chǎn)混凝土14300m3，其中泵送混凝土 12550 m3，自卸及塔吊方式澆筑的混凝土 1750 m3。泵送混凝土中坍落度在 220mm 以上的8780m3，有 20% 的混凝土表面在終凝后出現(xiàn)不同程度的收縮裂縫及沉降裂縫。坍落度 220mm 以下的混凝土 3775m3，只有不到 5% 的混凝土表面出現(xiàn)輕微裂縫。而自卸及塔吊澆筑的混凝土由于坍落度不超過 180mm，基本無裂縫出現(xiàn)。經(jīng)分析這是由于水灰比的不同導(dǎo)致的不同結(jié)果。為弄清楚水灰比與混凝土裂縫之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)情況做了研究。在單方水泥用量不變的情況下，通過改變單方用水量來獲得不同水灰比，研究水灰比與混凝土裂縫及強(qiáng)度的關(guān)系。為展現(xiàn)出效果，坍落度模擬在大風(fēng)極端干燥的環(huán)境下進(jìn)行，結(jié)果見表 1。

表1 試驗(yàn)配合比及性能

結(jié)果表明：在水泥用量不變的條件下，混凝土收縮率隨水灰比的增加而明顯增大，28d 強(qiáng)度相應(yīng)減小。所以在商品混凝土生產(chǎn)過程中應(yīng)盡力控制用水量，保持水灰比的穩(wěn)定，減少混凝土收縮裂縫的生成。

2 水泥

水泥是商品混凝土的重要組分，水泥品種、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性、強(qiáng)度和水化熱等都在很大程度上影響商品混凝土的質(zhì)量。其導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的原因主要有如下幾點(diǎn)：（1）水泥水化反應(yīng)對(duì)混凝土裂縫的影響。混凝土澆筑后，在硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外出現(xiàn)較大的溫差，這些溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期。在混凝土的施工中當(dāng)溫差變化較大，或者是混凝土受到寒潮的襲擊等，會(huì)導(dǎo)致混凝土表面溫度急劇下降，而產(chǎn)生收縮，表面收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束，將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，這種裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內(nèi)產(chǎn)生。溫度裂縫的走向通常無一定規(guī)律，大面積結(jié)構(gòu)裂縫?？v橫交錯(cuò)；梁板類長(zhǎng)度尺寸較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多平行于短邊；深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行，裂縫沿著長(zhǎng)邊分段出現(xiàn)，中間較密。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細(xì)，而冷縮裂縫的粗細(xì)變化不太明顯。此種裂縫的出現(xiàn)會(huì)引起鋼筋的銹蝕和混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗?jié)B能力等。根本的防治措施是控制混凝土內(nèi)部和表面的溫度差。具體可以通過使用低熱水泥、降低水泥用量、摻用摻合料等方法來實(shí)現(xiàn)。（2）水泥安定性對(duì)混凝土裂縫影響。2011年 10月份，某工程在澆筑筏板基礎(chǔ)時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)后的混凝土表面出現(xiàn)較大面積收縮裂縫，裂縫呈龜裂狀，裂縫寬度為 0.1～0.2mm，在相同時(shí)間段，使用同一攪拌站同一種水泥的市內(nèi)某攪拌站所澆筑的樓面梁板也出現(xiàn)同樣癥狀裂縫且面積更廣。經(jīng)調(diào)查原來是兩家攪拌站所使用的該批次水泥由于廠家更換原材料導(dǎo)致安定性不合格造成。安定性是引發(fā)各種裂縫的主要因素之一。由于使用安定性不合格的水泥，致使在水泥水化后凝結(jié)過程中，在氧化鎂、氧化鈣及石膏等物質(zhì)反應(yīng)的作用下，產(chǎn)生了劇烈的、不均勻的體積變化。這種變化會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生破壞性應(yīng)力，導(dǎo)致強(qiáng)度下降和開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。水泥體積安定性大多是由水泥中的游離氧化鎂、游離氧化鈣和石膏三種物質(zhì)決定的。氧化鎂的反應(yīng)速度很慢，可達(dá) 10～20年。其固相體積增大 2.48 倍。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按壓蒸法進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)壓蒸膨脹率超過 0.5% 時(shí)，則該水泥的壓蒸法定性為不合格。另外水泥生料在燒熟過程中，氧化鈣和氧化硅、氧化鋁、氧化鐵的化學(xué)反應(yīng)是不可能完全進(jìn)行徹底的，一般地都會(huì)剩余一些結(jié)構(gòu)致密的氧化鈣游離在水泥熟料中，這些游離的氧化鈣遇水會(huì)繼續(xù)緩慢反應(yīng)，一般需要 3～6 個(gè)月才能完全水化。固相體積增大 1.98 倍。生產(chǎn)水泥的過程中會(huì)摻入石膏，當(dāng)石膏摻量過多時(shí)，在水泥硬化后，它還會(huì)繼續(xù)與固態(tài)的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣，體積約增大 1.5 倍，也會(huì)引起水泥石開裂。

水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，每克水泥放出 502J 的熱量，如果以水泥用量 350～550kg/m3來計(jì)算，每方混凝土將放出 17500～27500kJ 的熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高，在澆筑溫度的基礎(chǔ)上，通常升高 35℃ 左右。如果按著我國施工驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定澆筑溫度為 28℃ 則可使混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到 65℃ 左右。如果沒有降溫措施或澆筑溫度過高，混凝土內(nèi)部溫度高達(dá) 80～90℃ 的情況也時(shí)有發(fā)生，例如在澆筑筏板反梁基礎(chǔ)的大體積混凝土的內(nèi)部溫度，經(jīng)實(shí)際測(cè)定可以高達(dá) 95℃。水泥水化熱在 1～3d 可放出熱量的 50%，由于熱量的傳遞、積存，混凝土內(nèi)部的最高溫度大約發(fā)生在澆筑后的 3～5d，因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同，所以混凝土中心溫度低，形成溫度梯度，造成溫度變形和溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力和溫差成正比，溫度越大，溫度應(yīng)力也越大。所以從減少混凝土裂縫的角度來說，設(shè)計(jì)施工配合比時(shí)在保證混凝土強(qiáng)度的前提下水泥用量應(yīng)盡可能得少，在 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中也提到配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r水泥用量不應(yīng)大于 500kg。

3 粉煤灰

粉煤灰作為摻合料用于混凝土的拌制是目前混凝土攪拌站普遍采用的新技術(shù)。它起到的作用有：（1）填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤(rùn)滑層，由于煤灰的容重（表觀密度）只有水泥的 2/3 左右，而且粒形好（質(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密實(shí)，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。（2）對(duì)水泥顆粒起物理分散作用，使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時(shí)，水化緩慢的粉煤灰可提供水分，使水泥水化得更充分。（3）粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng)，不僅生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物（與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同），而且加強(qiáng)了薄弱的過渡區(qū)，對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。（4）粉煤灰延緩了水化速度，減小混凝土因水化熱引起的溫升，對(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。

針對(duì)粉煤灰與混凝土早期裂縫之間的關(guān)系做過以下研究，在保持水泥品種、用量、骨料、砂率、用水量及水灰比均保持不變的情況下觀察當(dāng)粉煤灰摻量不同時(shí)（0%～45%）對(duì)混凝土試件早期抗裂性的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表 2。

圖1 隨著粉煤灰摻量變化平板混凝土開裂情況

表2 試驗(yàn)結(jié)果

從圖 1、表 2 可以看出：當(dāng)粉煤灰摻量從 0%，7.5%，15%，22.5% 這 4 個(gè)數(shù)值依次增加時(shí)，單位面積平板的開裂總面積成階梯減少，而當(dāng)摻量為 30% 時(shí)，開裂面積卻又增加很多，當(dāng)摻量為 45% 時(shí)，開裂面積再次減少而且幅度較大。我們歸納出的初步結(jié)果是：（1）在其他條件相同時(shí)，混凝土中摻加粉煤灰時(shí)，混凝土單位面積開裂比沒摻煤灰的混凝土少，粉煤灰的摻入能夠提高混凝土早期抗裂性能。（2）粉煤灰摻量的不同對(duì)混凝土抗裂性有不同效果的影響，雖然大摻量粉煤灰（摻量 45%）相對(duì)來說在開裂數(shù)目上和開裂面積上有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，但并不是摻量越多，影響的效果就越顯著，它們不成正比關(guān)系。

由于粉煤灰能夠延緩水化反應(yīng)速度，從而使混凝土的硬化速率降低，所以混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而降低。而現(xiàn)在建筑工程中對(duì)工期的要求相對(duì)較高，所以雖然大摻量粉煤灰混凝土抗裂性能較好，但是由于其早期強(qiáng)度過低并不能滿足施工上對(duì)工期的要求，因此不是最適合的。根據(jù)分析來看，合適的摻量應(yīng)在 15% 至 30% 之間，在摻量接近 22. 5% 時(shí)單位面積的總開裂面積最少為最優(yōu)摻量值。由于粉煤灰摻量不是很多，混凝土中的水化反應(yīng)不至于太慢，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響不大，從而不會(huì)影響到施工進(jìn)度。但應(yīng)該指出的是，粉煤灰的摻入對(duì)混凝土表面裂縫起到良好的控制效果是犧牲混凝土早期強(qiáng)度得到的，所以混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)該更加嚴(yán)格養(yǎng)護(hù)。

4 骨料

骨料在混凝土結(jié)構(gòu)拌合體中的用途是起骨架作用。其在混凝土中的主要目的是穩(wěn)定并固結(jié)住混凝土的整體體積。由于純水泥漿體硬化后收縮變形過大，因而必須由骨料對(duì)水泥漿體的收縮起到一定的約束作用。骨料可分為人工骨料和天然骨料兩種。天然骨料表面光滑少棱角，孔隙率和表面積較小，混凝土拌合物和易性較好。人工骨料表面粗糙，富有棱角，孔隙率和總表面積較大。因?yàn)楸砻娣e比天然骨料大的多，人工骨料和水泥漿體的咬合力相對(duì)也較大，所以混凝土抗拉強(qiáng)度也較大。

通過試驗(yàn)證明，在相同的混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)下，人工骨料的抗拉強(qiáng)度比天然骨料平均高約 25%，從試塊的劈拉斷面也可以看出，人工骨料的混凝土試塊在斷面上的石子大部分都被拉斷，而天然卵石混凝土試塊基本無卵石被拉斷，斷面表現(xiàn)為許多光滑的凹點(diǎn)，說明兩種骨料和膠凝材料的咬合力存在較大差別。所以從防止裂縫產(chǎn)生的角度考慮，拌制混凝土宜采用人工碎石作為粗骨料。但同時(shí)由于人工碎石表面粗糙，棱角多孔隙率和表面積遠(yuǎn)大于天然骨料，拌制相同坍落度和強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r需要更多的水泥漿體來填充空隙和包裹骨料，這又會(huì)增大混凝土的用水量和水泥用量，導(dǎo)致水泥水化熱變大，促進(jìn)水泥漿體的收縮。這就需要嚴(yán)格控制骨料的粒型和顆粒級(jí)配，使用顆粒飽滿、針片狀顆粒少、連續(xù)級(jí)配好的骨料來降低骨料孔隙率和表面積。

5 外加劑

混凝土外加劑種類繁多，性質(zhì)、用途各不相同，這里只討論最常用的緩凝減水劑。大量的工程實(shí)踐和研究表明，高性能的緩凝減水劑的使用能有效調(diào)節(jié)混凝土的凝結(jié)時(shí)間和降低水化熱，減少用水量和水泥用量，減小水灰比，增加混凝土密實(shí)度，減小混凝土的干縮，所以合理的使用外加劑對(duì)混凝土早期裂縫的防治是有利的。但不同品種的外加劑對(duì)混凝土水泥砂漿的收縮變形影響效果不同，程度也不同。由于本身成分不同、工作原理也不同，傳統(tǒng)的萘系和氨基硫酸鹽系高效減水劑的加入反而會(huì)增大水泥膠砂的收縮程度，而第三代外加劑——聚羧酸高性能緩凝減水劑的加入則對(duì)水泥膠砂的收縮性能影響較小，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明聚羧酸減水劑比萘系減水劑的收縮比小約 25%～40%?？梢娛褂镁埕人釡p水劑能有效減少混凝土收縮的產(chǎn)生。自從 2011年初開始使用聚羧酸外加劑后，所生產(chǎn)的混凝土早期裂縫的產(chǎn)生有明顯減少，證明了聚羧酸外加劑在改善混凝土收縮率方面較傳統(tǒng)外加劑有較大優(yōu)勢(shì)。

6 注意事項(xiàng)

混凝土收縮機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著許多具體條件的差異而變化，有些原材料既可起到抑制收縮的作用，同時(shí)也可起到促進(jìn)收縮的作用。對(duì)攪拌站而言，防治混凝土裂縫產(chǎn)生的主要措施是嚴(yán)格控制好商品混凝土的原材料質(zhì)量和配合比設(shè)計(jì)，并配合施工采取措施加以保證。（1）選用合格的、水化熱低、收縮小、安定性穩(wěn)定、耐久性好的中熱水泥、低熱水泥等，控制好水泥細(xì)度，配合比的設(shè)計(jì)上控制好水泥用量不超過 550kg/m3。（2）選用質(zhì)量較好的Ⅰ級(jí)或 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，控制煤灰篩余量在 25% 以下，摻量控制在 15%～30% 之間，盡量靠近 22.5%。（3）砂宜選用級(jí)配優(yōu)良，細(xì)度模數(shù)M=2.8～3.0 的中砂，嚴(yán)格控制砂含泥量不大于 2%，砂率控制在 30%～40% 之間。（4）石子盡量選用級(jí)配良好，粒型飽滿，含泥量不大于 1% 的碎石。（5）外加劑選用收縮比小的聚羧酸高性能緩凝減水劑，控制好外加劑摻量。（6）精心設(shè)計(jì)配合比，在保證混凝土強(qiáng)度及工作性的前提下，遵循低水泥用量、低水灰比、低坍落度的原則，盡可能降低混凝土水化熱和混凝土收縮值，并合理利用外加劑來調(diào)整混凝土的凝結(jié)時(shí)間，達(dá)到有意識(shí)控制、調(diào)整水泥水化熱的高峰期，生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌、低熱、抗拉的優(yōu)質(zhì)混凝土。

7 結(jié)束語

目前采用商品混凝土的現(xiàn)澆住宅的樓板裂縫是一種常見的建筑質(zhì)量通病，雖然許多裂縫并不影響結(jié)構(gòu)的承載力，但必須加以特別重視。嚴(yán)格地講，完全無裂縫的結(jié)構(gòu)幾乎沒有，關(guān)鍵是控制有害裂縫的出現(xiàn)，正確區(qū)分有害和無害裂縫。經(jīng)過業(yè)內(nèi)眾多專家長(zhǎng)期的研究和技術(shù)攻關(guān)，也只是盡可能地減少裂縫的產(chǎn)生，可以說混凝土裂縫的控制幾乎成了永恒的研究課題。本文是筆者的經(jīng)驗(yàn)之談供同行指正交流。

［通訊地址］四川省宜賓縣柏鎮(zhèn)鐵北新區(qū)全順商品混凝土公司（644000）

余青松（1982—），助理工程師，四川省宜賓縣全順商品混凝土公司中心試驗(yàn)室。