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探析高性能混凝土的開裂問題

摘要:目前高性能混凝土除在高層建筑工程中有所應用外,在道路橋梁工程建設中的應用還較少,而且高性能混凝土的開裂問題較為普遍,因此筆者根據工程實踐,通過分析研究高性能混凝土開裂的原因,以期對道路橋梁建筑質量提供更好的借鑒。

關鍵詞:高性能混凝土概念開裂收縮

建筑技術發(fā)展到今天,對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量要求又高的工程,僅僅依靠提高強度是不夠的,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)是一種新型高技術混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土。它以耐久性作為設計的主要指標,針對不同用途要求,對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經濟性。為此,高性能混凝土在配置上的特點是采用低水膠比,選用優(yōu)質原材料,且必須摻加足夠數量的礦物細摻料和高效外加劑。

我國著名混凝土科學家吳中偉院士將hpc定義為:在大幅

度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作、以耐久性為設計指標的新型高技術混凝土。并認為高性能混凝土適用于任何強度等級的混凝土。提出hpc內部結構具有以下特點:①孔隙率很低,基本上不存在>100 nm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摻料等各級中心質增多④界面厚度小,孔隙率低、ca(oh)2數量減少,且取向程度下降,水化物結晶顆粒尺寸減少,更接近水泥石本體水化的分布。

具有這樣微結構的混凝土,必然會有密實度大、干燥收縮小、抗化學腐蝕性強等性質。與普通混凝土相比,高性能混凝土具有如下獨特的性能:

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

(2)高性能混凝土具有良好的工作性,混凝土拌和物應具有較高的流動性,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、自密實混凝土還具有良好的可泵性、自密實性能。

(3)高性能混凝土的使用壽命長,對于一些特護工程的特殊部位,控制結構設計的不是混凝土的強度,而是耐久性。能夠使混凝土結構安全可靠地工作50～100年以上,是高性能混凝土應用的主要目的。

(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構功能要求和施工工藝要求的混凝土,能最大限度地延長混凝土結構的使用年限,降低工程造價。

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筑物中的應用主要有:

(1)高層建筑中采用高性能混凝土有利于統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特點加快施工進度。密度變小,彈性模量高,提高結構剛度,這對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構的重量,顯著提高受彎構件剛度,在預應力結構中則可施加更高的預應力值,并可利用早強特點提高張拉。

(3)高性能混凝土具有較強的抵抗大氣環(huán)境作用和化學物質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部產生應力超過抗力而造成的。早期的混凝土抗拉強度低,較大的變形受到約束時容易引起開裂,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)護后,在不飽和的空氣中失去內部毛細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)境中相對濕度的降低,水泥漿體的干縮增大。在大多數土木工程中,混凝土不會連續(xù)暴露在使水泥漿體中c—s—h失去結構水的相對濕度下,故引起收縮的主要原因是失去毛細孔和凝膠孔的吸附水。計算完全干燥的純水泥漿體收縮量為10 000×10-6leefm實測數值達4 000×10-6?；炷恋母煽s是由表面逐步擴展到內部的,在混凝土中呈現濕度梯度,因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,致使表面混凝土承受拉力內部混凝土承受壓力當表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強度時,混凝土便產生裂縫。另外,水泥石也會由于集料的限制作用而出現裂紋。在約束條件下,混凝土收縮時,混凝土中產生拉應力,如果該拉應力大于其最大抗拉強度時,便產生裂縫。這種現象在混凝土剛拆模后表現尤為明顯,這時混凝土的強度很低,干縮卻非常大,同時由于混凝土拆模后和空氣接觸使周圍空氣溫度上升,由此導致周圍空氣的濕度降低,進一步加大了混凝土干縮。

3.2化學收縮

水泥水化后,固相體積增加,但水泥體系的絕對體積減小。所有的膠凝材料在水化后都有這個減縮作用,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的空間,使水泥密實,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部孔隙。因此,這種化學減縮在硬化前不影響硬化混凝土的性質?；瘜W減縮和水泥的組成有關?；瘜W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礦渣,則化學收縮會在一定范圍內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,以夏季有風的情況下施工最為普遍?；炷猎谛掳璧臓顟B(tài)下,拌和物中顆粒間充滿水,如果養(yǎng)護不足,表面失水速率超過內部水向表面遷移的速率時,則會造成毛細管中產生負壓,使?jié){體產生塑性收縮。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速、環(huán)境溫度、凝結時間和相對濕度等,內部因素是水灰比、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)保持混凝土表面的濕潤,如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護劑等。

3.4自收縮

自收縮是由于混凝土內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低進而造成毛細孔中水分不飽和并由此產生的負壓引起的混凝土收縮?；炷磷允湛s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和高強混凝土(以下簡稱hsc)的水膠比很低,能提供水泥水化的自由水分少,近年來由于對早期強度片面的追求,混凝土趨向于使用低的水灰比,較高早期強度發(fā)展率會使自由水消耗較快。hpc和hsc由于自干燥產生的原始裂縫,影響混凝土的強度和耐久性。

4結論

(1)影響開裂的因素是很復雜的,各種因素還可能會有相反的影響而相互抵消。應當根據不同工程的特點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,通過收縮的測定可以預測混凝土開裂的傾向,但必須有正確的方法和對條件的控制。

(3)高性能混凝土是以耐久性為標志的高技術混凝土,所謂高技術,不僅僅指實現混凝土高性能化的材料技術、制備技術,更要強調高性能的施工技術。