水泥品質對混凝土抗裂性影響

孫紅偉

0 引言

傳統理論方式混凝土是按強度進行設計，衡量混凝土質量的最終標準主要是混凝土的強度。因此混凝土生產商對水泥質量品質的要求也就是強調其強度，造成近年來混凝土結構出現裂縫尤其是早期開裂的現象日益普遍。其原因很復雜，單從水泥來說，比表面積，礦物組成中C3A，C3S，堿含量的增加，外加劑的摻入量和外加劑的品種性能，溫度過高的出廠水泥用于混凝土攪拌站，都增加了開裂的敏感性，降低了混凝土的流變性能，這是混凝土的原材料中影響混凝土產品質量的主要原因。因此，應當把抗裂性作為水泥質量品質的重要要求。

隨著商品混凝土的普及，混凝土的早期開裂現象普遍增多，一般情況無外乎以下兩種現象:

1)塑性開裂。

由于塑性階段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表層混凝土的失水收縮，受內部混凝土與鋼筋的約束造成受拉開裂。現今水泥的早強特性及外加劑的摻加使用不適當，使得混凝土較快或者過于緩慢凝結。凝結較快時易造成塑性開裂;當混凝土長時間處于塑性狀態，將增加其塑性開裂的可能性。

2)早期硬化開裂。

早期硬化混凝土有一個極限拉應變最低的時段，而現在水泥早期產生的水化熱，水泥膠凝材料的高細度和低水膠比，因高效減水劑造成的濕潤角和毛細孔水力半徑的降低，使得毛細孔壓力增加，早期收縮(包括自收縮)可能在混凝土凝固初期就超過它的極限應變值而造成開裂。因此，為保障混凝土的后期性能，選擇合適的早期性能水泥、摻合料(品種、摻量)、外加劑對混凝土的凝結影響是極其重要的。

1 水泥對混凝土抗裂性造成的影響

1.1 水泥礦物組成的影響

硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種:C3A，C3S，C2S，C4AF。它們的水化性質不同，在水泥中所占比例不同時將影響對水泥整體的性質。C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數倍，尤其在混凝土早期強度的發揮時期。C3S的水化熱雖然比C3A的小很多，但在 3 d卻幾乎是 C2S水化熱的5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大;C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的4倍～5倍。

因此用C3A含量較大的早強水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。

1.2 各種外加劑對混凝土性能的影響

1.2.1 減水劑

當高效減水劑產品一定時，水泥的成分(主要是含堿量、C3A及其相應的SO3含量)和細度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。近年來隨著水泥細度的變化加劇了水泥與高效減水劑的相容性問題。混凝土干縮主要與混凝土中 5 nm～30 nm孔徑毛細孔所保持的水分有關;減水劑在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛細孔孔徑減小。摻加高效減水劑后，低水灰比使集料和水泥石間的彈性模量減小，集料水膜層厚度減薄，過渡區Ca(OH)2及AFt的大小及趨向程度大大減小，導致過渡區毛細孔細化，增強過渡區收縮而開裂。

1.2.2 膨脹劑

膨脹劑因鈣礬石(C3A?3CaSO4?32H2O)的生成產生體積膨脹，從而補償混凝土的收縮。摻膨脹劑混凝土只有在限制條件下，才能使混凝土硬化漿體和界面致密，存儲膨脹能，因此，限制膨脹率是使用膨脹劑的基本指標。硫鋁酸鹽類膨脹劑，水泥水化后形成的鈣礬石，其結晶水的吸附和脫離是可逆過程。在干燥條件下比一般水化礦物更易脫水，因此干縮較大。為了防止收縮裂縫，應選擇膨脹結束后收縮較小的膨脹劑。鈣礬石的生成需要大量的水，當水分供應不充分時，會與水泥爭奪水分，加劇自收縮。較多的SO3含量會造成延遲鈣礬石的形成，導致混凝土的后期開裂。

1.2.3 低水膠比混凝土的自收縮

隨著混凝土技術的進步，高效減水劑的使用，出現了低水膠混凝土，隨著水化的進行試件表面的水分向內部遷移，水膠比越小，在混凝土硬化后這種遷移越困難，內外差別越小，內部含水率也越低。硬化后的混凝土，水泥水化的化學減縮會使混凝土的內部形成毛細孔。當孔隙水的遷移速率低于毛細孔的形成速率時，則內部含水率自發地降低，孔隙濕度降低，引起毛細管壓力增大，而加重自干燥收縮。自干燥產生的原始裂縫，將影響混凝土的強度和耐久性。

1.2.4 粉煤灰

粉煤灰加入水泥混凝土中，將降低水化速率，使水化較快的膨脹劑的膨脹效率降低。粉煤灰與Ca(OH)2的火山灰效應將增大混凝土中的凝膠份額，使更多的膨脹能消耗在凝膠的粘性流動中。粉煤灰等量替代硅酸鹽水泥，在粉煤灰漿體有相同的水膠比下與硅酸鹽水泥相比，由于早期粉煤灰反應程度較小，粉煤灰水泥漿體的空隙率明顯大于硅酸鹽水泥漿體。在混凝土凝結后期，粉煤灰與水泥水化生成的Ca(COH)2亦生成C-S-H凝膠。這部分水化生成物一部分沉積在粉煤灰顆粒表面，另一部分填充在水泥水化生成物如Ca(COH)2粗晶體與C-S-H凝膠之間的粗空中，使整個漿體孔發生細化，整個收縮將向硅酸鹽水泥混凝土靠近，能夠有效地提高混凝土早期的抗裂性能。

1.2.5 礦粉

現今一般使用的超細礦粉，使整個膠結材料的粒徑分布發生變化，改進基體與界面的孔結構。礦粉的粒徑遠遠小于水泥，則產生填充作用，使得混凝土的孔洞結構細化。超細礦粉幾乎是由玻璃體組成，高鈣玻璃相與高鋁中硅玻璃相的復合體系水化液相主要為Ca2+，AlO-2和SiO2-4。當有SiO2-4存在時，則生成穩定性好、溶解度小的AFt，這又促使兩種玻璃體失去穩定性，加上較大的比表面積，使超細礦粉具有較高的活性，與Ca(OH)2反應生成較多的C-S-H凝膠，并使得過渡區和基體的孔隙細化，有實驗證明其等量替代混凝土的早期自干燥收縮較大，后期收縮與未摻礦粉的混凝土相當。

1.2.6 合成纖維

在混凝土的塑性收縮狀態下，若在其中摻加適量的細纖維，并使細纖維成三維網絡狀分布，則可承受因不一致的變形而引起的內應力，從而抑制塑性裂縫的生成與發展。纖維在塑性混凝土階段的阻裂效應，可以看作是纖維對塑性混凝土的增強作用，這種增強作用的有效性主要和纖維在混凝土中的分散程度有關，即纖維愈細，纖維間距愈小，增強作用愈有效。

1.3 水泥細度對混凝土開裂的影響

目前，在我國大多數水泥粉磨條件下，水泥磨得越細，其中的細顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強度，引起徐變松弛能力下降，彈性模量增加。粒徑在 1μm以下的顆粒水化很快，幾乎對后期強度沒有任何貢獻。但是對早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻——水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早;因水化快消耗混凝土內部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮;使收縮速度大大增加，細顆粒容易水化充分，產生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長期性能。

1.4 水泥中含堿量和混凝土開裂的關系

堿能促進水泥的收縮開裂。堿—骨料反應必須在混凝土中有足夠的含堿量、足夠數量的堿活性骨料和足夠的水分供應這三個條件同時存在的情況下才會發生，并不要求任何情況下都限制水泥的含堿量，但是，促進混凝土收縮裂縫的生成和發展以致造成混凝土結構物的劣化，卻是高含堿量水泥對混凝土更大的安全威脅。不管是否使用活性骨料，必須將水泥中的含堿量減到最少。

2 對水泥抗裂性評價和選擇方法的推薦

用環形約束試驗評價水泥對混凝土抗裂性的方法已有 60多年的歷史。Burrows建議使用Blaine的方法評價水泥的抗裂性:開裂時間小于 1 h的是很差的水泥，開裂時間大于 15 h的為優。研究結果表明:用環形試驗評價的混凝土所用膠凝材料的抗裂性結果是有效的。這種試驗當使用熱膨脹系數小的材料時，不僅可檢測水泥的干縮開裂性能，還可檢測由于溫度收縮引起的開裂性能。

3 討論和建議

1)眾所周知，凡是能提高混凝土早期強度的因素，都會影響混凝土后期強度的增長，目前在配制混凝土時都有較大的強度富余，以期補償這種后期強度的損失，這無疑造成很大的浪費。事實上現在看來，問題遠遠比此種行為更為嚴重，早期的高強度所帶來的后患是混凝土結構物提早劣化。因此，除非工程有特別特殊需要，一般情況下應盡量避免使用早強水泥。

2)混凝土早期高強度的需求促使了水泥向高C3S和高 C3A、高比表面積方向發展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細礦物摻合料的使用，以及水泥出廠溫度普遍過高和各種混凝土外加劑的使用，造成在約束狀態下的混凝土因溫度收縮、自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產生較大的內部應力，早期的低徐變無法緩解這種應力，而產生早期裂縫;內部不可見的微裂縫在混凝土長期使用過程中因處于干燥環境中繼續發展，是混凝土提早劣化的主要原因。

3)高含堿量的水泥會生成抗裂性能很差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有堿活性，都應當限制對水泥和混凝土中的含堿量。

4)使用膨脹劑前應作充分實驗。

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