淺析高性能混凝土的開裂問題

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建筑技術(shù)發(fā)展到今天,對(duì)混凝土提出了更高要求,特別是一些施工難度大、環(huán)境惡劣、維修工作困難而混凝土質(zhì)量要求又高的工程,僅僅依靠提高強(qiáng)度是不夠的,必須同等改善混凝土工作性能。為滿足這些要求,混凝土必須向高性能方向發(fā)展。

　　1高性能混凝土的概念及特征

　　高性能混凝土(HPC)是一種新型高技術(shù)混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo),針對(duì)不同用途要求,對(duì)下列性能重點(diǎn)予以保證:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。為此,高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是采用低水膠比,選用優(yōu)質(zhì)原材料,且必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。

　　我國(guó)著名混凝土科學(xué)家吳中偉院士將HPC定義為:在大幅

　　度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作、以耐久性為設(shè)計(jì)指標(biāo)的新型高技術(shù)混凝土。并認(rèn)為高性能混凝土適用于任何強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。提出HPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):①孔隙率很低,基本上不存在>100nm的大孔;②水化物中Ca(OH)2減少,C-S-H和AFt增多;③未水化的顆粒多,未水化顆粒和礦物細(xì)摻料等各級(jí)中心質(zhì)增多;④界面厚度小,孔隙率低、Ca(OH)2數(shù)量減少,且取向程度下降,水化物結(jié)晶顆粒尺寸減少,更接近水泥石本體水化的分布。

　　具有這樣微結(jié)構(gòu)的混凝土,必然會(huì)有密實(shí)度大、干燥收縮小、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等性質(zhì)。與普通混凝土相比,高性能混凝土具有如下獨(dú)特的性能:

　　(1)高性能混凝土具有一定的強(qiáng)度和高抗?jié)B能力,但不一定具有高強(qiáng)度,中、低強(qiáng)度亦可。

　　(2)高性能混凝土具有良好的工作性,混凝土拌和物應(yīng)具有較高的流動(dòng)性,混凝土在成型過程中不分層、不離析,易充滿模型;泵送混凝土、自密實(shí)混凝土還具有良好的可泵性、自密實(shí)性能。

　　(3)高性能混凝土的使用壽命長(zhǎng),對(duì)于一些特護(hù)工程的特殊部位,控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不是混凝土的強(qiáng)度,而是耐久性。能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50～100年以上,是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的。

　　(4)高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性,即混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱,硬化后期具有較小的收縮變形。

　　概括起來說,高性能混凝土就是能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土,能最大限度地延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限,降低工程造價(jià)。

　　2高性能混凝土的使用范圍

　　高性能混凝土在房屋建筑和一般構(gòu)筑物中的應(yīng)用主要有:

　　(1)高層建筑中采用高性能混凝土有利于統(tǒng)一柱子尺寸和模板規(guī)格,方便施工,并可利用高性能混凝土的早強(qiáng)特點(diǎn)加快施工進(jìn)度。密度變小,彈性模量高,提高結(jié)構(gòu)剛度,這對(duì)于高層建筑來說是非常重要的。

　　(2)采用高性能混凝土可以顯著降低結(jié)構(gòu)的重量,顯著提高受彎構(gòu)件剛度,在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中則可施加更高的預(yù)應(yīng)力值,并可利用早強(qiáng)特點(diǎn)提高張拉。

　　(3)高性能混凝土具有較強(qiáng)的抵抗大氣環(huán)境作用和化學(xué)物質(zhì)侵蝕的能力以及耐磨能力,充分利用高性能混凝土具有耐久性的特性,廣泛應(yīng)用于露天工程或地下工程。

　　3高性能混凝土開裂問題研究

　　非荷載引起的混凝土開裂,主要是混凝土在約束條件下的收縮或局部的膨脹變形在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力超過抗力而造成的。早期的混凝土抗拉強(qiáng)度低,較大的變形受到約束時(shí)容易引起開裂,這取決于混凝土自身組成材料、配合比以及其所處環(huán)境和約束條件。下文主要分析收縮引起的混凝土的早期開裂問題。

　　3.1干燥收縮

　　干燥收縮是指混凝土停止養(yǎng)護(hù)后,在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮,它不同于干濕交替引起的可逆收縮。隨著環(huán)境中相對(duì)濕度的降低,水泥漿體的干縮增大。在大多數(shù)土木工程中,混凝土不會(huì)連續(xù)暴露在使水泥漿體中C—S—H失去結(jié)構(gòu)水的相對(duì)濕度下,故引起收縮的主要原因是失去毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水。計(jì)算完全干燥的純水泥漿體收縮量為10000×10-6;LeeFM實(shí)測(cè)數(shù)值達(dá)4000×10-6?；炷恋母煽s是由表面逐步擴(kuò)展到內(nèi)部的,在混凝土中呈現(xiàn)濕度梯度,因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮,致使表面混凝土承受拉力內(nèi)部混凝土承受壓力;當(dāng)表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土便產(chǎn)生裂縫。另外,水泥石也會(huì)由于集料的限制作用而出現(xiàn)裂紋。在約束條件下,混凝土收縮時(shí),混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力,如果該拉應(yīng)力大于其最大抗拉強(qiáng)度時(shí),便產(chǎn)生裂縫。這種現(xiàn)象在混凝土剛拆模后表現(xiàn)尤為明顯,這時(shí)混凝土的強(qiáng)度很低,干縮卻非常大,同時(shí)由于混凝土拆模后和空氣接觸使周圍空氣溫度上升,由此導(dǎo)致周圍空氣的濕度降低,進(jìn)一步加大了混凝土干縮。

　　3.2化學(xué)收縮

　　水泥水化后,固相體積增加,但水泥體系的絕對(duì)體積減小。所有的膠凝材料在水化后都有這個(gè)減縮作用,大部分硅酸鹽水泥在水化后體積總減少量為7%～9%。在硬化前,所增加的固相體積填充原來被水所占據(jù)的空間,使水泥密實(shí),而宏觀體積減縮;在硬化后,則宏觀體積不變而水泥——水體積減縮后形成內(nèi)部孔隙。因此,這種化學(xué)減縮在硬化前不影響硬化混凝土的性質(zhì)?；瘜W(xué)減縮和水泥的組成有關(guān)?；瘜W(xué)收縮和水化程度成正比,HPC存在大量未水化水泥顆粒,盡管其單位體積膠凝材料用量較大,其化學(xué)收縮和普通混凝土相比仍然較小。但如摻用活性很高的礦物摻和料如硅灰或超細(xì)礦渣,則化學(xué)收縮會(huì)在一定范圍內(nèi)隨其摻量的增加而增加。

　　3.3塑性收縮

　　塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段,是指塑性階段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而產(chǎn)生的收縮,多見于道路、地坪、樓板等大面積的工程,以夏季有風(fēng)的情況下施工最為普遍。混凝土在新拌的狀態(tài)下,拌和物中顆粒間充滿水,如果養(yǎng)護(hù)不足,表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時(shí),則會(huì)造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓,使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。塑性收縮常伴隨著不可見裂縫的發(fā)展。

　　HPC的水灰比低,自由水分少,輔助膠凝材料對(duì)水有更高的敏感性,在上述工程中容易發(fā)生塑性收縮而引起的表面開裂。影響塑性收縮開裂的外部因素是風(fēng)速、環(huán)境溫度、凝結(jié)時(shí)間和相對(duì)濕度等,內(nèi)部因素是水灰比、輔助膠凝材料、漿集比、混凝土的溫度;延緩混凝土凝結(jié)速率等措施都能控制塑性收縮,最有效的方法是終凝前(開始常規(guī)養(yǎng)護(hù))保持混凝土表面的濕潤(rùn),如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等。

　　3.4自收縮

　　自收縮是由于混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低進(jìn)而造成毛細(xì)孔中水分不飽和并由此產(chǎn)生的負(fù)壓引起的混凝土收縮。混凝土自收縮是在混凝土與外界無水分交換的條件下發(fā)生的。低水灰比的HPC和HSC的自收縮比普通混凝土的自收縮大得多。HPC和高強(qiáng)混凝土(以下簡(jiǎn)稱HSC)的水膠比很低,能提供水泥水化的自由水分少,近年來由于對(duì)早期強(qiáng)度片面的追求,混凝土趨向于使用低的水灰比,較高早期強(qiáng)度發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快。HPC和HSC由于自干燥產(chǎn)生的原始裂縫,影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

　　4結(jié)論

　　(1)影響開裂的因素是很復(fù)雜的,各種因素還可能會(huì)有相反的影響而相互抵消。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同工程的特點(diǎn)和條件分析不同組成和配合比的混凝土開裂的傾向。

　　(2)在約束條件下的收縮是引起混凝土開裂的潛在因素,通過收縮的測(cè)定可以預(yù)測(cè)混凝土開裂的傾向,但必須有正確的方法和對(duì)條件的控制。

　　(3)高性能混凝土是以耐久性為標(biāo)志的高技術(shù)混凝土,所謂高技術(shù),不僅僅指實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的材料技術(shù)、制備技術(shù),更要強(qiáng)調(diào)高性能的施工技術(shù)。