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(kāi)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(kāi)裂加劇的問(wèn)題同時(shí)也擺在研究者面前。對(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)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(kāi)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(kāi)裂;防治措施

塑性收縮是導(dǎo)致混凝土塑性開(kāi)裂的主要誘因,其中以蒸發(fā)失水引起的拉伸收縮開(kāi)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(shí),混凝土暴露在外的較薄砂漿層內(nèi)便開(kāi)始產(chǎn)生塑性收縮開(kāi)裂?；炷了苄允湛s開(kāi)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(shí)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(kāi)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(kāi)裂影響因素的探究,尋求防治塑性收縮開(kāi)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(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)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(kāi)裂的因素

1.1 環(huán)境因素

環(huán)境因素如風(fēng)速、相對(duì)濕度的變化,主要通過(guò)影響混凝土拌合物的水分蒸發(fā)速率來(lái)影響混凝土塑性收縮開(kāi)裂的情況[2]。增大相對(duì)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(shí)間,從而減小塑性收縮開(kāi)裂的幾率或降低開(kāi)裂程度。同時(shí),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(shí),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(zhǎng)。

1.2 水灰比

不同水灰比對(duì)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(kāi)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(shí),塑性收縮增長(zhǎng)迅速;當(dāng)w/c為0.52時(shí),達(dá)到開(kāi)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(shì)[4]。此外,楊長(zhǎng)輝等[5]研究了不同水灰比對(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)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(shí),塑性收縮開(kāi)裂面積隨w/c的提高而增大,開(kāi)裂面積最大值對(duì)應(yīng)的w/c約為0.5,當(dāng)w/c＞0.5時(shí),塑性收縮開(kāi)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(lái)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(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)裂的影響也不同。

1)粉煤灰 粉煤灰對(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)裂的影響主要通過(guò)以下3種效應(yīng)來(lái)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(dòng)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(shí)刻的塑性抗拉強(qiáng)度降低,這樣不利于抵抗塑性收縮開(kāi)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(kāi)裂。以上3種效應(yīng)的綜合作用決定粉煤灰的摻入對(duì)混凝土塑性收縮的影響并不簡(jiǎn)單的表現(xiàn)為增大或減小,而與粉煤灰的種類、等級(jí)、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(duì)砂漿(w/b=0.55)塑性收縮開(kāi)裂的影響,認(rèn)為摻F類粉煤灰(低鈣灰)對(duì)塑性收縮開(kāi)裂具有抑制作用,摻C類粉煤灰(高鈣灰)時(shí)塑性收縮開(kāi)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(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)裂的影響,研究表明,w/b＜0.36時(shí),粉煤灰的摻入對(duì)塑性收縮開(kāi)裂具有抑制作用;w/b≥0.36時(shí),粉煤灰的摻入將增大拌合物的塑性收縮,但開(kāi)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(yáng)等[6]研究粉煤灰摻量和細(xì)度對(duì)高強(qiáng)混凝土(w/b=0.30)塑性收縮開(kāi)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(kāi)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(shí)間延長(zhǎng),這雖然不利于混凝土塑性抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng),但同時(shí)又可能因推遲毛細(xì)管達(dá)到臨界壓力的時(shí)間而對(duì)抑制塑性收縮開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)高強(qiáng)混凝土(w/b=0.30)塑性收縮開(kāi)裂的影響,認(rèn)為礦渣粉在低摻量時(shí)(＜10%)對(duì)高強(qiáng)混凝土塑性收縮開(kāi)裂有一定抑制作用,但隨摻量的增加,塑性收縮開(kāi)裂會(huì)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(kāi)裂。同時(shí),硅灰極大的比表面積對(duì)水的吸附作用會(huì)顯著降低混凝土的泌水率,由于混凝土表面水分蒸發(fā)無(wú)法得到及時(shí)補(bǔ)償,也將增加混凝土的塑性收縮開(kāi)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(shí),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(guò)量的緩凝劑,因凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)和強(qiáng)度發(fā)展慢,更容易產(chǎn)生塑性收縮開(kāi)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(kāi)裂,同時(shí)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(kāi)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]?？姴牡萚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(duì)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(kāi)裂程度小。

2 預(yù)治混凝土塑性收縮開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(wèn)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(kāi)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(zhǎng)度、幾何形狀等直接影響其抑制塑性收縮開(kāi)裂的效果。研究表明[14],低密度長(zhǎng)的聚丙烯纖維能夠顯著降低混凝土的塑性收縮開(kāi)裂程度,但會(huì)使混凝土工作性能變差,并存在老化問(wèn)題;高彈性模量的鋼纖維或碳纖維在抑制收縮的同時(shí)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(duì)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(guò)降低孔隙水的表面張力來(lái)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(duì)混凝土早期(24h內(nèi))的塑性收縮開(kāi)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(gè)方面對(duì)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(duì)塑性抗拉強(qiáng)度的降低幅度大于對(duì)毛細(xì)管收縮應(yīng)力的降低幅度時(shí),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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(guò)補(bǔ)充水分來(lái)對(duì)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(huì)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(shù)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(shù)脂具有吸水倍率高、保水性能好、摻量少、對(duì)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(yǔ)

混凝土塑性收縮開(kāi)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(kāi)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(kāi)裂的同時(shí)會(huì)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(wèn)題,以尋求最大限度減少混凝土塑性收縮開(kāi)裂的新途徑。由于防治混凝土塑性收縮開(kāi)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(duì)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。