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现代混凝土技术对混凝土抗裂性影响之综述

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发表于 2019-9-18 02:17:39 |显示全部楼层
  混凝土应用越来越多。但在水泥混凝土施工中,混凝土开裂成为一项质量通病,甚至影响工程的验收。对混凝土的早期收缩开裂趋势的研究已被列为美国)新千年水泥混凝土的研究计划。可见混凝土收缩和抗开裂性能的研究已成为世界混凝土科学的关注点。
  然而,对于导致现代混凝土开裂的原因,学界无一例外地将矛头指向混凝土的主要材料——水泥。如Mehta、Neville和Aitein等从水泥工业的历史变迁反复探讨了近代混凝土开裂破坏的原因,一致认为是由于追求施工高速度从而力求发展早强高的水泥,这种水泥的主要特点是C3S含量高和细度细,同时为了满足混凝土的高强要求增加了单位体积的水泥用量。虽然我国的科技工作者客观地分析了混凝土开裂的原因,包括设计、用水量、水泥用量、硬化期间的养护、外加剂、温度变化等,但选用低C3A、低C3S、低水化热水泥成为首选的控制条件,并对水泥的技术指标、性能提出了要求以适应现代混凝土的需求。
  诚然,水泥作为混凝土的主要材料,由于其矿物组成、粉磨细度、混合材料品质等因素影响了混凝土的抗裂性,但其仅是混凝土工程——材料、工艺、管理三部曲中的一环。对于材料、施工管理方面影响混凝土抗裂性的文献很多,本文仅就现代混凝土技术对混凝土抗裂性的影响进行分析,望对减少混凝土工程的开裂有所裨益。管窥之见,仅供参考。
  廉慧珍和韩素芳两位混凝土界前辈在文献中详细阐述了现代混凝土技术的三个主要特征:使用外加剂、较低的水胶比和使用矿物掺和料。
  (1)高效减水剂的出现改变了水泥本身的流变性能,可以大幅降低混凝土的水胶比,在降低水泥用量的情况下可以不依靠水泥的品种而实现混凝土的改性。因此,外加剂已成为当代混凝土的重要组成部分。
  (2)由于矿物掺和料对混凝土强度的贡献显著依赖于水胶比,则当混凝土水胶比≥0.5时,掺和料的作用不能得以发挥。因此除了不考虑耐久性的结构,常用的C30、C40混凝土水胶比一般都低于0.5。
  (3)基于现代工程施工的泵送工艺,因此需要现代混凝土具有较大的坍落度。而在较低水胶比条件下和较大坍落度需求下,导致现代混凝土具有较大的胶凝材料用量。
  (4)为了降低现代高强度水泥及其较大用量造成的混凝土内部较高温升,也由于可持续发展战略的需要,矿物掺和料已逐渐成为现代混凝土必需的组分,而且有加大掺量的趋势,尤其是用于混凝土结构耐久性的设计,矿物掺和料是必需的组分。
  对于减水剂本身对混凝土开裂的影响,王超利用受限圆环法研究了不同外加剂(减水剂、减缩剂、膨胀剂)对混凝土开裂性能的影响。结果表明:从首条上表面裂缝产生的时间顺序来讲,掺减水剂的混凝土最早于第6 d即在上表面产生裂缝;不掺任何外加剂的基准混凝土于第19 d产生首条表面裂缝;掺膨胀剂的混凝土于第20 d产生首条表面裂缝;掺减缩剂的混凝土于29 d产生首条表面裂缝。由此可以看出,在混凝土配合比不变的情况下,减水剂的掺入使裂缝产生的时间大大提前。
  郑建岚等开展了两个方面的研究:一是减水剂类型和掺量对混凝土抗裂性的影响,二是减水剂品种对混凝土抗裂性的影响对比。
  对于方面一的研究,郑建岚等利用四种减水剂分别按照工程中配制高性能混凝土常用掺量的0.5倍以及常用掺量加入到胶凝材料体系中。结果表明,随着外加剂掺量从0.5倍的常用掺量增加到1.0倍的常用掺量,胶凝材料体系环形试件开裂龄期缩短;此外,不同类型的减水剂对胶凝材料体系抗裂性能影响不同,见图1。其中,“AP1”是聚羧酸型高效减水剂,“SNF1”为聚羧酸型外加剂,其他两种为萘系高效减水剂。
  对于第二方面的研究,郑建岚等对三聚氰胺型减水剂、聚羧酸型减水剂和萘系减水剂进行了研究。结果表明(见图2),虽然外加剂品种对混凝土的开裂时间影响很小,但使用三聚氰胺型减水剂(MEL)的混凝土开裂面积及最大裂缝宽度相对较小,其开裂面积分别是使用聚羧酸型减水剂(PCA)和萘系减水剂(FDN)的72%和55%,最大裂缝宽度是使用聚羧酸型减水剂和萘系减水剂的52%左右。
  从上述文献研究结果可以看出,减水剂本身就对混凝土的抗裂性造成不利影响。对于减水剂恶化混凝土抗裂性的机理,没发现有文献对此进行解释,不同减水剂品种混凝土抗裂性能的差别是由于外加剂的组分对混凝土收缩和凝结过程影响的不同而导致的。
  对于减水剂恶化混凝土抗裂性的机理,笔者认为主要是减水剂中碱的存在提高了混凝土中的碱含量。从减水剂的作用机理(固体颗粒表面吸附减水剂后形成双电层,增加表面电位,由此产生的静电斥力使固体颗粒分散;减水剂吸附层的相互作用产生的立体斥力使固体颗粒分散;搅拌水的表面张力的减小引起固体颗粒分散;溶入到水中的钙离子被捕捉后,降低了钙离子的浓度,从而抑制了阿利特的水化)来看,由于减水剂与水泥颗粒之间并不存在键合作用,因此减水剂的主要成分、聚合程度、支链多少与长短等都不会影响混凝土的抗裂性。但在各种减水剂的生产过程中都存在用碱中和剩余酸的工艺,导致减水剂中碱的存在(见表1),在配制混凝土时导致混凝土中的碱含量提高,并成为现代混凝土抗裂性变差的原因之一。
  Burrows认为碱是影响混凝土抗裂性能的最重要因素。碱使水泥快凝,标准稠度用水量增大,虽然能提高1d、3d强度,但降低28d强度。它还能与活性集料起碱集料反应,引起混凝土开裂。这些大家都很熟悉,但对碱使混凝土干燥收缩大和易开裂的影响认识不足。碱不但增大混凝土的收缩率,即使水泥的水化速率和自由收缩值相同,碱也使混凝土的抗裂性能明显下降。低碱水泥有良好的抗开裂性能,特别是当碱当量低于0.6%时,抗裂性大幅度提高。王善拔等认为,碱使水泥水化加快,化学减缩增大,早期收缩增大,水泥水化的加快使水化热释放速率加快,早期水化热增大从而增加早期的温度应变。此外碱使水泥水化产物变粗也可能是水泥抗裂性下降的重要原因。
  Springenschmid也认为,碱使高速公路出现表面开裂。他在给Burrows的信中写道:“我们因5%高速公路出现表面开裂而遇到很大的困难,这只限于那些含碱当量[w(Na2O)+0.658w(K2O)]超过1.0%水泥的路段,有时碱当量达1.3%,…”。据乔龄山报道,德国“道路建筑通函”18/1998(ARS18/1998)规定,用于高速公路的混凝土路面的水泥“总碱含量[w(Na2O)+0.658 w(K2O)]≤0.84%”,“最近又将使用CEMⅠ和CEMⅡ/A类水泥时的总碱含量[w(Na2O)+0.658w(K2O)]降为≤0.80%”。
  为改善混凝土的抗裂性,我国的CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中也指出,水泥的碱含量不宜超过水泥质量的0.6%。
  现代混凝土技术以及施工技术的发展,势必影响混凝土的配合比。表2对比分析了无减水剂、矿物掺和料混凝土和含减水剂、矿物掺和料混凝土的配合比。从表2的对比可以发现:
  (1)以C30混凝土为分析对象,可见基于现代混凝土技术的混凝土在水胶比、骨胶比两个参数上发生了显著的变化。现代混凝土技术降低了混凝土的水胶比,由无减水剂时的0.58降低为使用减水剂后的0.45,使用水量减少了13%,常用的C30、C40混凝土水胶比一般都低于0.5;现代混凝土技术降低了混凝土的骨胶比,由无减水剂时的5.4降低为使用减水剂后的4.5,在较低水胶比条件下和较大坍落度需求下,导致现代混凝土具有较大的胶凝材料用量。
  (2)以使用减水剂、矿物掺和料之后的不同强度等级混凝土为分析对象,可见配制混凝土强度越高,混凝土的水胶比和骨胶比越低,且与混凝土强度成对数关系(见图3和图4)。
  据F.M.李介绍,由于自收缩的原因,普通硅酸盐水泥100d的减缩值为6.3%~6.9%;又据内维尔介绍,混凝土的自身收缩的数值在0.04~0.10mm/m之间。由于干燥的原因,净浆的干燥收缩可达4.0 mm/m,一般混凝土的干燥收缩在0.3~0.6 mm/m之间。巨大的收缩量会导致约束条件下净浆硬化结构的破坏。
  为了解决此问题,混凝土应运而生,利用骨料的骨架作用限制水泥浆体的收缩。吴中伟、廉慧珍在其《高性能混凝土》一书中进行了详细的介绍,并指出:集料因其弹性模量大于水泥浆体的弹性模量,故在混凝土中起限制变形的作用。
  集料用量对混凝土自收缩的影响见图5和图6。从图中结果可见集料用量或骨胶比显著影响着混凝土的自收缩,并进而影响混凝土的抗裂性。因此,基于现代混凝土技术的混凝土骨胶比的降低,也是现代混凝土抗裂性变差的原因之一。
  减水剂的使用,在保持混凝土具有较高流动性的情况下,大幅度降低了混凝土的水胶比,从而使混凝土具有较高的强度以发挥矿物掺和料的作用。但较低的水胶比却带来了混凝土自收缩的增加,大大增加了混凝土早期开裂的风险,此为现代混凝土抗裂性差的另一原因。
  表3为笔者等在制定JC/T 2234—2014《水泥早期抗裂性试验方法》标准时进行的不同用水量下的净浆抗裂性的试验结果。从表3的结果可以看出,水泥净浆的用水量显著影响水泥的抗裂性,随着水灰比的降低,水泥的抗裂性呈线。
  对不同水胶比的高强度混凝土的早期开裂行为进行了研究,得出了水胶比在0.30~0.40之间时水胶比越低混凝土开裂趋势越大的结论,见图8。
  之所以混凝土的水胶比显著影响其抗裂性,原因是低水胶比增大了水泥浆体的自收缩。“在与外界无交换的情况下,水泥浆体试件内部含水率随水灰比的降低而下降。因无水分的补充,故随着水泥水化的进行,试件表面的水分向内部迁移。水灰比越小,这种迁移越困难,内外含水差别越小,内部含水率越小(见图9)。在混凝土硬化后,水泥的化学减缩会使混凝土的内部形成毛细孔。当孔隙水的迁移速率低于毛细孔形成速率时,则内部含水率自发地降低,使毛细孔趋于不饱和状态,发生自干燥现象,引起毛细孔压力增大而产生自收缩。水泥浆体内部相对湿度由100%降低到80%时,毛细孔压力从0增加到30 MPa”。
  从图10的结果可见,降低混凝土的水胶比,会导致混凝土早期收缩大大增加(7 d龄期前);而从图11的结果可以看出,降低水泥浆体的水胶比除了增大浆体的自收缩外,还影响自收缩出现的时间:当水胶比低于0.30时终凝后就开始产生自收缩。
  根据宫泽伸君等的试验结果,水灰比为0.4时,自收缩占总收缩的40%;水灰比为0.3时,自收缩占总收缩的50%;水灰比为0.17时,自收缩占总收缩的100%。
  另外,现代混凝土的低水胶比也是导致塑性开裂的主要原因。混凝土的塑性开裂是指在混凝土塑性阶段,在高温或风速较大的季节,大面积暴露的新鲜混凝土表面,在混凝土终凝之前产生收缩裂纹。塑性开裂产生的直接原因就是:水蒸发速度大于混凝土表面的泌水速度。因此,要避免混凝土的塑性开裂,必须保证混凝土有一定的泌水率和泌水时间(即稳定时间)。图12为笔者等制定JC/T 2153—2012《水泥泌水性试验方法》标准时的试验结果,此结果表明,为降低塑性开裂风险,混凝土应具有一定时间的泌水和泌水量。文献也介绍了Wittmann的研究结果,即水灰比减小增大了塑性开裂的风险。而现代混凝土的低水胶比趋势则明显降低了混凝土的泌水或根本无水可泌(见图9),加剧了现代混凝土的塑性开裂。
  以上研究结果表明,混凝土配合比——水胶比和骨胶比显著影响混凝土的抗裂性。而基于现代混凝土技术的低水胶比、低骨胶比,则恶化了混凝土的抗裂性,无论是塑性开裂还是早期开裂、甚至后期开裂。因此,如何在控制原材料的情况下,调整现代混凝土的配合比来提高混凝土的抗裂性,值得业界考虑。
  年12月1日新版的JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》正式实施。此次修订是继2000年后、相隔11年的重大修订。但本规程出台后引来一些意见。指出:虽在《规程》条文说明第3.0.1表明该《规程》修订的目的:“……强调混凝土配合比设计应满足耐久性能要求,这是本次修订的重点之一……”,但是除了在前言中说明本次修订的主要技术内容的第2点是:“增加并突出了混凝土的耐久性的规定”和强制性条文第6.2.5条“对耐久性有设计要求的混凝土应进行相关耐久性试验验证”,此外基本上未见有关耐久性的规定。指出:由于钢筋混凝土结构的配筋率越来越高、混凝土强度等级越来越大,混凝土结构开裂,特别是早期开裂的现象已经非常普遍,严重威胁到了钢筋混凝土结构的服役寿命。开裂虽然算不上直接意义的耐久问题,但“一旦开裂,则在仅有不到一个月的湿热气候下,就有可能引起钢筋的锈蚀。对于在一年中的大部分季节处于湿热气候的深圳,则钢筋锈蚀就成为主要问题,但是一年中大约有2个月相对湿度在50%以下,碳化收缩与干燥收缩联合作用而发生的开裂倾向也是需要重视的”。但遗憾的是该规程限定的是胶凝材料的最少用量,而非最大用量(见JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》)。
  为了降低现代高强度水泥及其较大用量造成的混凝土内部较高温升,也由于可持续发展战略的需要,矿物掺和料已逐渐成为现代混凝土必需的组分,而且有加大掺量的趋势,估计目前国内混凝土中的矿物掺和料占到胶凝材料的20%~40%。但矿物掺和料的使用,带来另一个问题,即“大掺量矿物掺和料使胶凝材料中SO3不足”,并导致“混凝土早期强度低、凝结缓慢、收缩大”,由此提高混凝土开裂的风险,恶化混凝土的抗裂性。
  另外,胶凝材料中SO3不足还会导致其他的不良影响:在SO3不足的情况下只能生成单硫型水化硫铝酸盐。单硫型水化硫铝酸盐在混凝土中是不稳定的,易向三硫型水化硫铝酸盐转化,同时发生体积膨胀,扩大到原来的2.2倍。单硫型水化硫铝酸盐在低温冰冻条件下不稳定,有CO2和氯盐侵入易分解为单氯化物、碳酸盐和石膏,进而转化为钙矾石,由此导致二次钙矾石结晶膨胀的风险,应引起相关业界的重视。
  混凝土工程的开裂现象是多因素的综合结果,涉及混凝土所用的材料、混凝土的配合比、混凝土的生产以及施工管理等诸多因素。
  单就基于现代混凝土技术的混凝土特点而言,减水剂、矿物掺和料的使用以及现代混凝土的低水胶比、低骨胶比增加了混凝土开裂的风险,恶化了混凝土的抗裂性,且随混凝土强度等级的提高混凝土开裂的风险增大。
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