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每日一科普(第1期):混凝土裂缝产生的原因

2016/3/23 15:33:20 来源:建材网 浏览量:1198

混凝土,特别是商品混凝土浇筑以后,有时会发生有裂纹,是什么原因是混凝土构件产生裂纹呢?主要有以下原因材料方面的影响。国内外曾作过一系列劈裂抗拉强度试验和周向拉伸试验,对混凝土的早期抗拉强度和极限拉伸随龄期的变化规律进行了分析,对于普通混凝土其强度主要取决于水泥是强度及其与骨料表面的粘结强度,而这又与水泥标号、水灰比及骨料性质有密切联系。通过计算规律、数据及工程实践探索,我们总结了以下几个是裂缝产生的材料方面的因素:

1 水泥

普通混凝土的强度取决于水泥石的强度及其与骨料表面的粘结强度。混凝土的收缩也有很大部分来来源于水泥石的收缩,水泥石的结构是由未水化的水泥颗粒、水化产物及孔隙组成。水化产物晶体共生交错,形成结晶网络结构,在水泥石中起重要的骨架作用,相互接触而发展了水泥石的强度。但其中内部的孔隙会影响水泥石强度的发展。

由于水泥石的孔结构由水泥细度与颗粒组成决定,所以水泥颗粒越细,其水化、凝结硬化速度越快,水化也越充分,有利于其早期和后期强度的提高。根据前苏联的试验资料,水泥性质对混凝土的收缩影响很小,即使净水泥浆表现出较大的收缩也不意味着由这种水泥制造的混凝土的收缩也大。对于水泥细度,只是当粒径大于15 的水泥由于不易水化,对收缩起约束作用之外,更细的水泥并不影响混凝土的收缩。

一般情况,水泥的化学成分对收缩并无影响,只是当石膏产量不足才表现出较大的收缩。目前,在高层建筑施工中,主要由于随着混凝土技术的发展,混凝土强度也由原来C25、C30发展到现在C50、C60,混凝土强度等级的提高,水泥用量也随之增加,直接导致水化热的提高,增加了早期混凝土的热胀,从而加大了混凝土温度降低后的冷缩。

2 骨料

水泥石与骨料的粘结力与骨料的表面情况有关,骨料的表面粗糙,则与水泥石粘结力较大,故在原材料及坍落度相同的情况下,用碎石比用卵石强度来的高。***骨料粒径,可以减少用水量,而使混凝土的收缩和泌水随之减少。同时骨料本身的强度一般比水泥石强度高(轻骨料除外),所以不直接影响混凝土强度,但若骨料经风化等作用而强度降低时,则用其配制的混凝土强度也降低。

混凝土中骨料重量与水泥重量之比称为骨灰比。骨灰比对35Mpa以上的混凝土强度影响较大。在相同水灰比和坍落度下,混凝土强度随骨灰比的***而提高,因为骨料增多后表面积***,吸水量也增加,从而降低了有效水灰比,使混凝土强度提高。另外水泥砂浆相对含量减少,致使混凝土内总孔隙率体积减少,也有利于混凝土强度的提高。在混凝土内部,骨料对水泥石的收缩起约束作用。

混凝土的收缩对净水泥浆收缩的比取决于混凝土的骨料含量V(以体积的%计)。骨料含量越大则收缩越小。在实际施工中考虑到泵送混凝土的要求,规范对骨料的粒径和级配都做出了限制。现在一般商品混凝土的砂率在40%以上,比普通混凝土的用砂量高,石子粒径5-25mm,比普通混凝土的石子粒径要小。由于细骨料的增多,减弱了混凝土之间的连接能力,***了裂缝产生的机会。

3 水灰比、坍落度

水灰比是混凝土进行拌和时候的一个敏感指标。这个指标对混凝土的各项影响较大。在采用同一种水泥(品种和标号相同)时,混凝土的强度主要取决于毛细管孔隙率或胶空比,这些参数都难于测定,但是充分密实的混凝土在任何水化程度下毛细管孔隙率可由水灰比所确定。在水泥标号相同情况下,水灰比越小,水泥石强度越高,与骨料的粘结力也越大,混凝土的强度也越高。同时为考虑对混凝土和易性、水泥用量等方面的要求,水灰比又不易太小,否则将影响强度的发展。当混凝土承受干燥作用时,首先是大空隙及粗毛细孔中的自由水分因物理力学结合遭到破坏而蒸发,这种失水不引起收缩。

环境的干燥作用使得细空中的水产生毛细水压力,水泥石承受这种压力后产生压缩变形而收缩,即“毛细收缩”,使混凝土收缩变形的一部分。待毛细水蒸发后,开始进一步蒸发物理——化学结合的吸附水,首先蒸发引起显著的水泥石压缩,产生“吸附收缩”,是收缩变形的主要部分。混凝土的收缩来源于水泥石的收缩,水灰比大,收缩大。所以较高的水灰比可能会有两种影响:养护前期,孔隙水处于饱和阶段,收缩量小,但是后期如果养护条件恶化(比如拆模后的暴晒),导致孔隙水丧失过快,相反会引起混凝土收缩量的***。但目前为便于泵送混凝土,商品混凝土的坍落度一般在250px以上,有一些高层建筑施工时,坍落度甚至要超过500px,所以水灰比一般在15px左右。

造成混凝土在硬化过程中由于水分蒸发和胶凝体失水后引起干缩量***,产生裂缝的概率也加大。尽管采用减水剂后,可降低水灰比,也有利于泵送,但由于商品混凝土的现场质量控制不严,出现随意向已拌好的混凝土中加水的现象并在加水以后又不进行二次搅拌,造成混凝土水灰比***,严重影响混凝土拌合物的质量,使混凝土产生收缩裂缝的机会大大增加。

4 外加剂、外掺料

在混凝土中加入各种外加剂可以使混凝土获得一些必要的特性。目前商品混凝土中应用的外加剂种类繁多,主要有:加气剂、塑化剂、高效减水剂、矿物质掺料等。掺加加气剂对混凝土有两种作用:从成分方面有增加收缩的作用;另一方面可以减少含水量,又减少收缩的作用。二者共同作用对收缩几乎不产生明显影响。在混凝土中掺加各种塑化剂,高效减水剂可以在保证其他组分用量不变的前提和保持良好的工作性条件下,大幅度减少用水量,降低水灰比,一方面可提高早期强度和后期强度,另一方面可以减少收缩。但过量的掺加塑化剂和减水剂又会显著增加收缩。近代混凝土中掺加活性粉料——粉煤灰的研究应用获得很大发展。

由于可提高工作性,降低水化热(掺水泥用量的15%,降低水化热的15%左右),得到了大量应用,特别是泵送大体积混凝土。但同时应当注意到掺粉煤灰的混凝土早期抗拉强度及早期极限拉伸有少量的降低(约10%-20%),后期强度不受影响。这是因为粉煤灰混凝土的强度主要取决于粉煤灰的火山灰效应,粉煤灰在混凝土中当氢氧化钙薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时,就开始发生火山灰效应。但由于氢氧化钙薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层,钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应,反应产物在层内逐渐聚集,水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时,不会使强度有较大增长,随着水解层被反应产物充满,粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系,从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的提高。

对于收缩的影响根据德国所做的实验提供的数据分析:掺加粉煤灰后,通常会***水泥浆的体积,所以用水量如果保持不变,则干缩可能会稍微***,但如果用水量因掺加粉煤灰而减小,则由于浆体***的收缩可得到补偿,超细矿物掺料则对***混凝土的性能影响更大。与水泥掺和使用后的水化产物主要为水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙,水化速度快,其体积减缩值大。以硅粉为例,化合后引起体积减缩为9.04%,粉煤灰和矿渣体积缩减分别为16.98%和13.34%。因此超细矿粉的掺入增加了***混凝土的自收缩值,也增加了它出现收缩裂缝的几率。

 


 

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