混凝土塑性收縮開裂影響因素及防治措施研究

全世海 (天津廣播電視大學理工學院,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 (天津廣播電視大學理工學院,天津 300191)

隨著混凝土技術的快速發展,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(包括環境因素、水灰比、礦物摻合料、化學外加劑等)進行了研究,并提出了預防混凝土塑性收縮開裂的相關措施,如合理使用外加劑(如膨脹劑、纖維和減縮劑)、加強早期養護等,以便為提高混凝土施工質量提供幫助。

混凝土;塑性收縮;塑性開裂;防治措施

塑性收縮是導致混凝土塑性開裂的主要誘因,其中以蒸發失水引起的拉伸收縮開裂為主,當水分蒸發速率大于表面泌水速率,毛細管負壓產生的收縮應力大于混凝土塑性抗拉強度時,混凝土暴露在外的較薄砂漿層內便開始產生塑性收縮開裂。混凝土塑性收縮開裂加速了混凝土劣化的進程,且塑性裂縫成為侵蝕性物質滲透到混凝土內部的重要通道,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,這嚴重影響到混凝土結構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行了研究。

1 影響混凝土塑性收縮開裂的因素

1.1 環境因素

環境因素如風速、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速,可降低水分蒸發速率,減小毛細管失水收縮,推遲毛細管達到臨界壓力的時間,從而減小塑性收縮開裂的幾率或降低開裂程度。同時,環境溫度的變化,除了影響混凝土拌合物的水分蒸發速率外,還影響混凝土塑性抗拉強度的變化[2]。例如,環境溫度升高時,一方面拌合物的水分蒸發速率增大引起塑性收縮應力增大,另一方面拌合物水化反應加劇,促進塑性抗拉強度的增長。

1.2 水灰比

不同水灰比對毛細管壓力及塑性收縮應力的影響不同,引發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,當水灰比(w/c)從0.4提高到0.5時,塑性收縮增長迅速;當w/c為0.52時,達到開裂最多的臨界塑性狀態;之后再繼續提高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速率的影響。在0.35～0.65范圍內,新拌混凝土的水分蒸發速率隨w/c的提高而增大;當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的w/c約為0.5,當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、高爐礦渣等工業副產品作為礦物摻合料在混凝土工程中得到越來越廣泛的應用,上述礦物摻合料的種類、細度、化學成分不同,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種效應來實現[6]:①増塑減水效應。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,相當于增加了拌合物體系中可供蒸發的自由水量。②火山灰效應。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,當等量替代水泥后,拌合物的凝結硬化速度減慢,同一時刻的塑性抗拉強度降低,這樣不利于抵抗塑性收縮開裂。③填充效應。低活性粉煤灰相當于微集料,摻入混凝土后可提高拌合物的密實度,阻礙水分蒸發通道,有利于抑制水分蒸發,從而減少混凝土的塑性收縮開裂。以上3種效應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際水膠比(w/b)有關。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,而與拌合物的實際水膠比有關。王海陽等[6]研究粉煤灰摻量和細度對高強混凝土(w/b=0.30)塑性收縮開裂的影響,認為摻入粉煤灰具有抑制高強混凝土塑性收縮開裂的作用,且隨摻灰量和細度的增加,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物氫氧化鈣的激發,其等量替代水泥后使混凝土的凝結時間延長,這雖然不利于混凝土塑性抗拉強度的增長,但同時又可能因推遲毛細管達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]選擇不同細度礦渣進行塑性收縮開裂影響試驗,發現比表面積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混凝土(w/b=0.30)塑性收縮開裂的影響,認為礦渣粉在低摻量時(＜10%)對高強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構,在水分蒸發速率相同的情況下能顯著增大毛細管負壓,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無法得到及時補償,也將增加混凝土的塑性收縮開裂幾率[8]。

1.4 化學外加劑

化學外加劑的摻入在改善混凝土微觀結構、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。如新拌混凝土使用過量的緩凝劑,因凝結時間延長和強度發展慢,更容易產生塑性收縮開裂[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果與減水劑的種類、摻量等因素有關[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物的形態,降低多害孔和有害孔含量,使水泥石結構更加致密。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 膨脹劑的作用機理是利用其自身水化產生的具有較大膨脹性水化產物來實現對混凝土收縮的控制和補償,主要補償溫度收縮和干燥收縮[13]。因此,利用膨脹劑配制補償收縮混凝土是控制混凝土結構裂縫的有效方法。但對于大體積高強混凝土而言,如何補償在水化早期發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所需的水量大,在應用中需要特別注意加強早期保濕養護。

2)纖維 摻加纖維被認為是當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,結果表明,混雜纖維的抗裂、增強效果要優于單一品種的纖維。

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

2.2 加強早期養護

1)外養護 外養護方法包括直接噴灑水、覆蓋濕草袋、覆蓋塑料膜等傳統養護方式,也包括采用涂刷養護劑的化學養護法。采用外養護方法時應注意如下幾點:①在混凝土初凝后即應進行保濕養護;②初凝前后以及初凝到終凝這段時間內應留意觀察混凝土的表面狀況,若出現裂縫應及時進行抹面收光,這樣可有效去除較淺的塑性裂縫;③進行表面積較大的混凝土施工時可以采用塑料布封閉養護的方法;④高溫季節可設置風障、遮蔭棚對混凝土表面進行遮蓋并進行噴水養護,低溫季節養護時應增加保溫材料的覆蓋厚度。

2)內養護 內養護方法的實質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,其預吸水隨著水泥的水化逐漸釋放,通過補充水分來對混凝土進行養護。起初,主要采用預浸輕集料進行內養護,但該方法存在一定缺陷,即使用預浸輕集料會造成混凝土的強度和彈性模量明顯降低[18]。目前,學者提出利用高吸水樹脂進行內養護的方法。與預浸輕集料相比,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度不利影響小等特點,是今后混凝土內養護中須重點關注的材料[18]。

3 結語

混凝土塑性收縮開裂的形成機理復雜,影響因素眾多,如環境因素、水灰(膠)比、礦物摻合料、化學外加劑等。為了有效防治混凝土塑性收縮開裂,應著重從減小表面水分蒸發速率、改善混凝土拌合物的均質性和保水性、提高混凝土塑性抗拉強度等方面進行考慮。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致混凝土強度的顯著降低。因此,今后應重點探討2種或多種防裂措施,如膨脹劑分別與減縮劑、纖維、內養護的復合應用問題,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系統工程,還有很多技術瓶頸有待突破,因而加強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量具有重要意義。

[1]桂苗苗.混凝土早期塑性收縮開裂的研究進展[J].材料導報,2011,25(11):76-78.

[2]楊長輝,王海陽.環境因素變化對高強混凝土塑性開裂的影響[J].混凝土,2005,26(5):27-32.

[3]王濤,邵正明,仲曉林.混凝土塑性收縮裂縫的影響因素及預防措施[J].混凝土,2003,24(1):53-54.

[4]王川.大流動性混凝土塑性收縮裂縫研究[D].重慶:重慶大學,2002.

[5]楊長輝,王川,吳芳.水灰比對混凝土塑性收縮裂縫的影響[J].重慶建筑大學學報,2003,25(2):77-81.

[6]王海陽,楊長輝.粉煤灰摻量和細度對高強砼塑性開裂的影響[J].粉煤灰綜合利用,2005,18(2):20-23.

[7]王玲,高春勇,白杰,等.高強高性能混凝土塑性收縮的研究[A].水泥基材料論文集[C].北京:中國硅酸鹽學會,2003:124-126.

[8]張守治,汪守淳,喬艷靜,等.礦物摻合料對高強混凝土塑性開裂影響的研究[J].混凝土與水泥制品,2010 36(5):24-27.

[9]楊長輝,王川,吳芳.混凝土塑性收縮裂縫成因及防裂措施研究綜述[J].混凝土,2002,23(5):33-36.

[10]李貞,楊長輝,黃義雄.聚羧酸減水劑對混凝土早期開裂性能的影響研究[A].第三屆兩岸四地高性能混凝土國際研討會論文集[C].武漢:中國硅酸鹽學會高性能混凝土委員會,2012:107-113.

[11]繆昌文,劉加平,劉建忠.外加劑對混凝土耐久性的影響[J].東南大學學報(自然科學版),2006,36(2):253-258.

[12]劉麗霞,楊長輝,吳芳,等.摻聚羧酸減水劑的高強混凝土塑性收縮與抗裂性能研究[J].混凝土,2009,30(10):80-82.

[13]李林香,謝永江,馮仲偉,等.混凝土的收縮及防裂措施概述[J].混凝土,2011,32(4):113-117.

[14]黨玉棟.減縮劑與內養護對水泥基材料體積穩定性的影響[D].重慶:重慶大學,2012.

[15]閆振鵬,安明喆,李化建,等.高抗裂低收縮纖維混凝土性能研究[J].混凝土與水泥制品,2012,38(8):43-47.

[16]王智,邢霄龍,石亮,等.減縮劑對水泥基材料早期性能影響[J].混凝土,2013,34(12):110-112.

[17]錢春香,耿飛,李麗.減縮劑的作用及機理[J].功能材料,2006,37(2):287-291.

[18]黃天勇,王棟民,劉澤.高吸水樹脂作為混凝土內養護劑的研究進展[A].2013年混凝土與水泥制品學術討論會論文集[C].武漢:中國硅酸鹽學會混凝土與水泥制品分會,2013:67-71.

[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,現主要從事混凝土裂縫成因與防治方面的教學與研究工作。