混凝土塑性收缩开裂影响因素及防治措施研究

2014-03-24全世海天津广播电视大学理工学院天津300191

长江大学学报(自科版) 2014年19期

全世海 (天津广播电视大学理工学院,天津 300191)

全世海 (天津广播电视大学理工学院,天津 300191)

随着混凝土技术的快速发展,混凝土塑性收缩开裂加剧的问题同时也摆在研究者面前。对混凝土塑性收缩开裂影响因素(包括环境因素、水灰比、矿物掺合料、化学外加剂等)进行了研究,并提出了预防混凝土塑性收缩开裂的相关措施,如合理使用外加剂(如膨胀剂、纤维和减缩剂)、加强早期养护等,以便为提高混凝土施工质量提供帮助。

混凝土;塑性收缩;塑性开裂;防治措施

塑性收缩是导致混凝土塑性开裂的主要诱因,其中以蒸发失水引起的拉伸收缩开裂为主,当水分蒸发速率大于表面泌水速率,毛细管负压产生的收缩应力大于混凝土塑性抗拉强度时,混凝土暴露在外的较薄砂浆层内便开始产生塑性收缩开裂。混凝土塑性收缩开裂加速了混凝土劣化的进程,且塑性裂缝成为侵蚀性物质渗透到混凝土内部的重要通道,加剧钢筋的腐蚀,同时为后期其他收缩(如干燥收缩、温度收缩、碳化收缩和自收缩等)提供开裂的基础,这严重影响到混凝土结构的耐久性和使用寿命[1]。因此,重视混凝土塑性收缩开裂影响因素的探究,寻求防治塑性收缩开裂的有效措施,可以为提高混凝土施工质量提供重要保障。下面,笔者对混凝土塑性收缩开裂的影响因素及防治打措施进行了研究。

1 影响混凝土塑性收缩开裂的因素

1.1 环境因素

环境因素如风速、相对湿度的变化,主要通过影响混凝土拌合物的水分蒸发速率来影响混凝土塑性收缩开裂的情况[2]。增大相对湿度或减小风速,可降低水分蒸发速率,减小毛细管失水收缩,推迟毛细管达到临界压力的时间,从而减小塑性收缩开裂的几率或降低开裂程度。同时,环境温度的变化,除了影响混凝土拌合物的水分蒸发速率外,还影响混凝土塑性抗拉强度的变化[2]。例如,环境温度升高时,一方面拌合物的水分蒸发速率增大引起塑性收缩应力增大,另一方面拌合物水化反应加剧,促进塑性抗拉强度的增长。

1.2 水灰比

不同水灰比对毛细管压力及塑性收缩应力的影响不同,引发混凝土塑性收缩开裂的状况也不同[3]。如在0.4～0.7范围内,当水灰比(w/c)从0.4提高到0.5时,塑性收缩增长迅速;当w/c为0.52时,达到开裂最多的临界塑性状态;之后再继续提高w/c,塑性收缩呈减小趋势[4]。此外,杨长辉等[5]研究了不同水灰比对混凝土塑性收缩开裂和水分蒸发速率的影响。在0.35～0.65范围内,新拌混凝土的水分蒸发速率随w/c的提高而增大;当w/c＜0.5时,塑性收缩开裂面积随w/c的提高而增大,开裂面积最大值对应的w/c约为0.5,当w/c＞0.5时,塑性收缩开裂面积随w/c的提高而减小。

1.3 矿物掺合料

粉煤灰、硅灰、高炉矿渣等工业副产品作为矿物掺合料在混凝土工程中得到越来越广泛的应用,上述矿物掺合料的种类、细度、化学成分不同,对混凝土塑性收缩开裂的影响也不同。

1)粉煤灰粉煤灰对混凝土塑性收缩开裂的影响主要通过以下3种效应来实现[6]:①増塑减水效应。粉煤灰中的球状玻璃体起着“滚珠”作用,增大拌合物的流动性,相当于增加了拌合物体系中可供蒸发的自由水量。②火山灰效应。粉煤灰活性低,这决定其在掺入混凝土的早期基本不参与水化反应,当等量替代水泥后,拌合物的凝结硬化速度减慢,同一时刻的塑性抗拉强度降低,这样不利于抵抗塑性收缩开裂。③填充效应。低活性粉煤灰相当于微集料,掺入混凝土后可提高拌合物的密实度,阻碍水分蒸发通道,有利于抑制水分蒸发,从而减少混凝土的塑性收缩开裂。以上3种效应的综合作用决定粉煤灰的掺入对混凝土塑性收缩的影响并不简单的表现为增大或减小,而与粉煤灰的种类、等级、掺量以及拌合物的实际水胶比(w/b)有关。王涛等[3]研究了掺与不掺粉煤灰对砂浆(w/b=0.55)塑性收缩开裂的影响,认为掺F类粉煤灰(低钙灰)对塑性收缩开裂具有抑制作用,掺C类粉煤灰(高钙灰)时塑性收缩开裂的几率增大。王川等[4]分析了不同水胶比(0.34～0.45)条件下不同粉煤灰掺量对混凝土塑性收缩开裂的影响,研究表明,w/b＜0.36时,粉煤灰的掺入对塑性收缩开裂具有抑制作用;w/b≥0.36时,粉煤灰的掺入将增大拌合物的塑性收缩,但开裂程度并不与粉煤灰的掺量成比例,而与拌合物的实际水胶比有关。王海阳等[6]研究粉煤灰掺量和细度对高强混凝土(w/b=0.30)塑性收缩开裂的影响,认为掺入粉煤灰具有抑制高强混凝土塑性收缩开裂的作用,且随掺灰量和细度的增加,抑制作用越显著。

2)矿渣粉矿渣粉具有缓凝作用,其水化需要水泥水化产物氢氧化钙的激发,其等量替代水泥后使混凝土的凝结时间延长,这虽然不利于混凝土塑性抗拉强度的增长,但同时又可能因推迟毛细管达到临界压力的时间而对抑制塑性收缩开裂有利[4]。王玲等[7]选择不同细度矿渣进行塑性收缩开裂影响试验,发现比表面积6000cm2/g矿渣混凝土的塑性收缩开裂情况比4000cm2/g矿渣混凝土有明显的加重。张守治等[8]研究了比表面积为3215cm2/g矿渣的不同掺量对高强混凝土(w/b=0.30)塑性收缩开裂的影响,认为矿渣粉在低掺量时(＜10%)对高强混凝土塑性收缩开裂有一定抑制作用,但随掺量的增加,塑性收缩开裂会加剧。

3)硅灰与粉煤灰和矿渣粉相比,硅灰具有更小的颗粒尺寸,等量替代水泥后能填充于水泥颗粒之间,可以形成致密的混凝土结构,在水分蒸发速率相同的情况下能显著增大毛细管负压,加剧混凝土的塑性收缩开裂。同时,硅灰极大的比表面积对水的吸附作用会显著降低混凝土的泌水率,由于混凝土表面水分蒸发无法得到及时补偿,也将增加混凝土的塑性收缩开裂几率[8]。

1.4 化学外加剂

化学外加剂的掺入在改善混凝土微观结构、提高混凝土各种性能的同时,也以不同的方式影响混凝土的塑性状态。如新拌混凝土使用过量的缓凝剂,因凝结时间延长和强度发展慢,更容易产生塑性收缩开裂[9]。新拌混凝土使用减水剂可有效降低水的表面张力,从而抑制混凝土的塑性收缩开裂,同时减水剂又有助于分散水泥颗粒,解絮水泥颗粒包裹的游离水,改善混凝土的工作性能,从而加剧混凝土的塑性收缩开裂,上述两方面作用的结果与减水剂的种类、掺量等因素有关[10]。缪昌文等[11]的研究表明,聚羧酸类减水剂掺入混凝土后,能够有效改善水泥水化产物的形态,降低多害孔和有害孔含量,使水泥石结构更加致密。刘丽霞等[12]研究了不同减水剂对混凝土塑性收缩与抗裂性能的影响,结果表明,与萘系和氨基磺酸盐系减水剂相比,掺聚羧酸类减水剂的混凝土塑性收缩开裂程度小。

2 预治混凝土塑性收缩开裂的措施

2.1 合理使用外加剂

1)膨胀剂膨胀剂的作用机理是利用其自身水化产生的具有较大膨胀性水化产物来实现对混凝土收缩的控制和补偿,主要补偿温度收缩和干燥收缩[13]。因此,利用膨胀剂配制补偿收缩混凝土是控制混凝土结构裂缝的有效方法。但对于大体积高强混凝土而言,如何补偿在水化早期发生的大幅度收缩也是膨胀剂面临的新问题。此外,由于膨胀剂完成水化反应所需的水量大,在应用中需要特别注意加强早期保湿养护。

2)纤维掺加纤维被认为是当前抑制混凝土塑性收缩开裂的最有效方法之一[1]。在众多的纤维品种中,包括聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等,其中聚丙烯纤维是应用最为广泛的品种。纤维的掺量、直径、长度、几何形状等直接影响其抑制塑性收缩开裂的效果。研究表明[14],低密度长的聚丙烯纤维能够显著降低混凝土的塑性收缩开裂程度,但会使混凝土工作性能变差,并存在老化问题;高弹性模量的钢纤维或碳纤维在抑制收缩的同时具有较好的增强增韧效果。闫振鹏等[15]研究了高弹模PVA纤维和低弹模PP纤维混合使用对混凝土早期抗裂性能的影响,结果表明,混杂纤维的抗裂、增强效果要优于单一品种的纤维。

3)减缩剂减缩剂的作用机理就是通过降低孔隙水的表面张力来减小毛细孔失水所产生的收缩应力,可以有效减少新拌混凝土的水分蒸发,对混凝土早期(24h内)的塑性收缩开裂具有较好的抑制作用[16]。钱春香等[17]从塑性抗拉强度、表面水分蒸发率和孔结构3个方面对减缩剂的作用机理进行了探讨,研究认为,当减缩剂对塑性抗拉强度的降低幅度大于对毛细管收缩应力的降低幅度时,减缩剂将劣化塑性收缩抗裂性能,反之则优化塑性收缩抗裂性能。

2.2 加强早期养护

1)外养护外养护方法包括直接喷洒水、覆盖湿草袋、覆盖塑料膜等传统养护方式,也包括采用涂刷养护剂的化学养护法。采用外养护方法时应注意如下几点:①在混凝土初凝后即应进行保湿养护;②初凝前后以及初凝到终凝这段时间内应留意观察混凝土的表面状况,若出现裂缝应及时进行抹面收光,这样可有效去除较浅的塑性裂缝;③进行表面积较大的混凝土施工时可以采用塑料布封闭养护的方法;④高温季节可设置风障、遮荫棚对混凝土表面进行遮盖并进行喷水养护,低温季节养护时应增加保温材料的覆盖厚度。

2)内养护内养护方法的实质是在混凝土中引入具有较高吸水率和良好吸放水能力的材料,其预吸水随着水泥的水化逐渐释放,通过补充水分来对混凝土进行养护。起初,主要采用预浸轻集料进行内养护,但该方法存在一定缺陷,即使用预浸轻集料会造成混凝土的强度和弹性模量明显降低[18]。目前,学者提出利用高吸水树脂进行内养护的方法。与预浸轻集料相比,高吸水树脂具有吸水倍率高、保水性能好、掺量少、对混凝土拌合物的强度不利影响小等特点,是今后混凝土内养护中须重点关注的材料[18]。

3 结语

混凝土塑性收缩开裂的形成机理复杂,影响因素众多,如环境因素、水灰(胶)比、矿物掺合料、化学外加剂等。为了有效防治混凝土塑性收缩开裂,应着重从减小表面水分蒸发速率、改善混凝土拌合物的均质性和保水性、提高混凝土塑性抗拉强度等方面进行考虑。值得注意的是,有些单一的减缩防裂措施往往起着相反的作用,如纤维在减少塑性收缩开裂的同时会导致混凝土强度的显著降低。因此,今后应重点探讨2种或多种防裂措施,如膨胀剂分别与减缩剂、纤维、内养护的复合应用问题,以寻求最大限度减少混凝土塑性收缩开裂的新途径。由于防治混凝土塑性收缩开裂是一项系统工程,还有很多技术瓶颈有待突破,因而加强塑性收缩影响因素及防裂措施的研究对提高混凝土工程施工质量具有重要意义。

[1]桂苗苗.混凝土早期塑性收缩开裂的研究进展[J].材料导报,2011,25(11):76-78.

[2]杨长辉,王海阳.环境因素变化对高强混凝土塑性开裂的影响[J].混凝土,2005,26(5):27-32.

[3]王涛,邵正明,仲晓林.混凝土塑性收缩裂缝的影响因素及预防措施[J].混凝土,2003,24(1):53-54.

[4]王川.大流动性混凝土塑性收缩裂缝研究[D].重庆:重庆大学,2002.

[5]杨长辉,王川,吴芳.水灰比对混凝土塑性收缩裂缝的影响[J].重庆建筑大学学报,2003,25(2):77-81.

[6]王海阳,杨长辉.粉煤灰掺量和细度对高强砼塑性开裂的影响[J].粉煤灰综合利用,2005,18(2):20-23.

[7]王玲,高春勇,白杰,等.高强高性能混凝土塑性收缩的研究[A].水泥基材料论文集[C].北京:中国硅酸盐学会,2003:124-126.

[8]张守治,汪守淳,乔艳静,等.矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响的研究[J].混凝土与水泥制品,2010 36(5):24-27.

[9]杨长辉,王川,吴芳.混凝土塑性收缩裂缝成因及防裂措施研究综述[J].混凝土,2002,23(5):33-36.

[10]李贞,杨长辉,黄义雄.聚羧酸减水剂对混凝土早期开裂性能的影响研究[A].第三届两岸四地高性能混凝土国际研讨会论文集[C].武汉:中国硅酸盐学会高性能混凝土委员会,2012:107-113.

[11]缪昌文,刘加平,刘建忠.外加剂对混凝土耐久性的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2006,36(2):253-258.

[12]刘丽霞,杨长辉,吴芳,等.掺聚羧酸减水剂的高强混凝土塑性收缩与抗裂性能研究[J].混凝土,2009,30(10):80-82.