硬化混凝土裂縫微觀分析

何偉成，周漢章

1.東莞市尚龍混凝土有限公司，廣東 東莞 523619；2.廣州市正江混凝土有限公司，廣東 廣州 510000

0 前言

隨著我國市政工程和房建工程的不斷發展，混凝土結構在工程建設的應用不斷深入，建筑主體最重要的是穩固性和耐久性，混凝土是由砂、石、水泥、礦物摻合料、外加劑、水按不同比例混合而成，這就決定了混凝土在硬化的過程中會存在很多不定因素缺陷，微觀裂縫的存在和演變成為長期困擾著建筑工程技術人員的技術難題。微觀裂縫演變成其他宏觀裂縫會使建筑主體相應部位構件的承載力受到一定程度的削弱，微觀裂縫的演變與發展會造成混凝土分裂與滲漏、混凝土碳化加劇、消弱降低混凝土耐久性和抗壓強度，嚴重威脅著建筑物的正常使用［1］。

1 關于混凝土裂縫

1.1 裂縫類型

圖1 混凝土內部裂縫的發展

混凝土裂縫是指同一整體連續性的中斷或破壞，或同一整體在不同組別之間的粘結。根據斷裂的長度和寬度，可分為“微觀斷裂”和“宏觀斷裂”。“微裂紋”是一個小裂紋肉眼很難發現，裂縫寬度小于0.03mm。宏觀裂縫是“微觀裂縫”不斷擴展和發展的又一結果。裂縫寬度大于或等于0.03mm。從機理出發有幾種常見的混凝土裂縫，一是集料和水泥水泥膠結表面裂縫，也稱為界面過渡區斷層裂縫，主要是在粗和細骨料。二是水泥砂漿裂縫是指水泥砂漿硬化后，出現在骨料與骨料之間的裂縫。三是指骨料本身的斷裂［2］。如圖1 混凝土內部裂縫的發展。

1.2 微觀裂縫的定義

硬化混凝土的微觀裂縫是由于不一致的物理和化學性質的砂、石、水泥、摻合料、外加劑等材料決定，硬化后的水泥漿體受到內外因素的收縮，混凝土骨料的厚度阻礙了水泥漿體和混凝土的自由收縮，在孔隙水的蒸發和吸水作用下，骨料的收縮會導致水泥漿體的收縮，水泥漿體的收縮不會影響混凝土的外觀尺寸，但會導致混凝土骨料內部的粘結面和水泥漿體（界面過渡區）上出現微裂紋。即使沒有外部荷載作用或約束的外部負載，微觀裂紋在混凝土內部也難以用肉眼觀察的到，微觀裂紋生成的界面過渡區會逐步發展成宏觀裂縫。

2 裂縫的危害

2.1 安全系數降低

在建筑主體中如果澆筑硬化后的混凝土出現了裂縫，裂縫會對建筑物的主體產生很大的安全隱患，并且裂縫的面積和深度也會越來越大，混凝土的受力性能和耐久性會大大降低，如果裂縫不斷擴大得不到有效控制，會直接造成建筑物的倒塌，引發安全事故。

2.2 加速水的滲漏穿透

如果將混凝土的裂縫硬化后進行滲透，構筑成滿足雨季和濕潤的環境，水就會滲透到建筑物內部，引起腐蝕、脫落等現象，導致建筑物的損壞和廢棄。

2.3 加劇鋼筋的腐蝕

將混凝土裂縫鋼筋直接暴露在空氣中，腐蝕等有害物質二氧化硫，二氧化碳，造成鋼筋生銹，如果嚴重腐蝕，鋼筋應力將遭受嚴重破壞，變形鋼筋、擴張在一定程度上，混凝土的保護層會破裂，然后形成新的裂紋，新的裂縫可以產生新的腐蝕，因為這種情況最終的結果是混凝土蓋層斷裂，甚至導致建筑物無法使用成危險建筑物。

3 裂縫微觀分析

3.1 裂縫形成原因

圖2 微觀裂縫SEM

圖3 混凝土未完全水化SEM

混凝土形成后，各種固體顆粒之間有一層水膜。由于粗骨料、細骨料和細粉的相對密度不同，混凝土在完全水化之前會產生固體游離水。混凝土表面自由水可以使固體顆粒相互接近，并與水的體積混凝土毛細毛孔會相應縮小，這有利于提高密度。以往，當混凝土中自由水的蒸發速率大于自由水時，張力作用下毛細管孔隙水的損失會形成凹液面，從而產生毛細管壓力，引起混凝土漿體的體積收縮。混凝土沒有完全水化，也沒有形成一定的抗拉強度［3］，混凝土就會產生微觀裂縫，如：圖2、圖3 掃描電子顯微鏡SEM 圖。

3.2 不同組分材料原因

不同混凝土原材料不相適應引起的裂縫包括混凝土的干縮變形引起的裂縫，氯化物腐蝕產生裂縫，堿骨料反應產生裂縫，水泥水化熱產生裂縫等。不同混凝土原料不相容引起的裂縫包括混凝土干收縮變形引起的裂縫、氯離子腐蝕引起的裂縫、堿骨料反應引起的裂縫、水泥水化熱引起的裂縫。從微觀的角度來看水泥石和集料之間轉換的接口聚合是一個帶厚度的區。這一區域的結構和性質與水泥石本體有很大的不同。厚度的力量集料表面向水泥石逐漸過渡所以它被稱為“過渡區”。混凝土中的微裂紋及其硬化的發展趨勢都是從界面過渡區開始，并逐漸向砂漿基體方向發展，發展的過程中會導致越來越復雜的微裂紋，而細裂紋實際上是混凝土的薄弱環節，裂縫內部結構比較松散，為外界進入混凝土內部提供了腐蝕性介質，加快了混凝土性能的破壞。

3.3 不同組分材料混凝土成型微觀分析

3.3.1 材料選擇

粉煤灰1：沙角電廠II 級粉煤灰，細度20%。粉煤灰2：黃埔電廠III 級粉煤灰，細度27%

中砂1：河沙，細度模數2.5，含泥量1.1%；中砂2：機制砂，細度模數2.9，含泥量2.5%；石子：河源5～25mm連續級配碎石，壓碎指標8%，含泥量1.2%。水：自來水。外加劑：東莞市洛美建材科技有限公司（含固量為15%），水泥1：光大PO42.5R 水泥，水泥2：中材PII42.5R 水泥詳細技術指標如表1、2、3、4：

表1 光大水泥熟料化學成分與礦物組成 %

表2 光大水泥物理學性能

表3 中材水泥熟料化學成分與礦物組成 %

表4 中材水泥物理學性能

3.3.2 混凝土配合比及界面樣品制備

采用C30 普通泵送混凝土的配合比（單位：kg/m3）：水泥260，煤灰90，砂子800，石子1060，水155，減水劑6.6，為了便于制作粗集料與水泥石間的界面，混凝土的坍落度在200mm以上，在150mm×150mm×150mm的模具中成型，在粉碎骨料和水泥之間的界面之前，應在標準養護室中保存24h，然后保存28d，使試驗塊的界面不受人工接觸，以免污染界面。制備好后馬上試塊的無水乙醇，3 至5d，在一個密閉的容器中，然后在65℃干燥備用［3］。

表5 試驗設計表

3.3.3 樣品成型狀態及抗壓數據

表6 樣品成型狀態及抗壓數據

4 樣品SEM 成像及微觀分析

4.1 關于掃描電鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）是介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察方法。SEM 的優點是放大倍數高，可以連續調節2 到20 萬次。它的景深大，視野大，成像富有立體感。它可以直接觀察到各種樣品在不均勻表面上的細微結構。掃描電子顯微鏡（SEM）和x 射線能譜儀裝置，這樣我們可以同時組織形態學觀察和微區成分分析、掃描電子顯微鏡（SEM）原則上是用很薄的高能電子束掃描樣品，激發不同的物理信息，通過接受這些信息，放大和顯示圖像，測試樣品的表面形態的觀察［4］。

4.2 樣品SEM 成像圖

B 樣

C 樣

D 樣

E 樣

F 樣

G 樣

H 樣

4.3 圖樣微觀分析

通過SEM 測試技術，測試了A 樣品到H 樣品8 個不同界面區的狀況，通過成像圖可以看出8 個樣內部各個界面過渡區的微細裂縫、孔隙分布、微觀結構特征，從樣品A、C、E、G 圖片可以看出界面結構較為密實，表面形成大量絮團狀的水化產物其中E 樣和A 樣密實度最好，這幾個樣的共同搭配元原材料是細度較細的煤灰1 和含泥量小的中砂，從表6 成型狀態和力學性能看樣品A、C、E、G 的混凝土出機狀態和易性和經時塌損都比樣品B、D、F、H 好，而且28d 強度均比用煤灰2 和人工砂的搭配高這說明水泥煤灰中砂的適應性很好。

從E 樣、A 樣圖片可以出大部分煤灰表面已被絮團產物緊密地包裹起來，并且與周圍水化相互交織在一起［2］，從樣品A、C、E、G 圖看CH 晶體取向性和晶體尺寸及排列使得過渡界面區域的結構穩定致密，抑制了界面微裂紋的生長，提高了界面性能的穩定性［1］，表6 成型狀態和力學性能28d 強度也直接證實了良好的抗壓性能。

從樣品B、D、F、H 成像圖可以明顯看出界面過渡區ITZ 產物較為疏松，從D、H 圖片可以明顯看出ITZ 處存在微觀作用產生的微細裂縫，因為樣品B、D、F、H 均使用細度比較粗的煤灰且搭配的是粗顆粒的人工砂含泥量比較高細粉少，這也使得界面中水泥漿體含量比粗骨料少，從表6 成型狀態和力學性能看樣品B、D、F、H 混凝土出機狀態比樣品A、C、E、G 差很多表現出包裹性差、漿體不足、經時塌損大等，界面中C-S-H 凝膠的含量低于漿體，孔隙不能被有效的填充，孔隙率高于漿體，致使過渡界面區穩定性差眾多功能弱化，這也是混凝最薄弱環節后續直接降低混凝土強度。

5 總結

混凝土的綜合性能取決于各原材料的相容適應性和穩定性，各環節的細微變化與不適應都對整體性能起決定性作用，而界面過渡區作為混凝土微觀區域它更為特殊更為重要，它起到連接漿體粗細骨料的橋接整體的作用，過渡界面區孔隙率的大小、ITZ 結構、不規則的CH 晶粒，針棒狀的AFt 晶體和C-S-H凝膠界面的受碳化作用這些都影響著微觀裂縫的形成與發展和強度的高低，在混凝土原材料錯綜復雜和短缺的今天我們更應該關注混凝土微觀薄弱層面的影響及其發展。