水泥细度对混凝土抗裂性能的影响.docx

摘要混凝土材料的普遍使用以及混凝土结构物在建筑、桥梁、道路等工程中的大量应用，要求混凝土具有较高的耐久性，而混凝土裂缝的产生是影响混凝土使用性能及耐久性的重要因素。混凝土产生裂缝的原因有很多：混凝土在塑性阶段终凝之前产生的塑性收缩裂缝、混凝土浇筑后硬化前产生的沉陷收缩裂缝、混凝土养护结束后产生的干燥收缩裂缝、混凝土自身水化过程中因化学减缩产生的裂缝、由于碳化作用引起混凝土体积收缩产生的裂缝、由于温度变化热胀冷缩产生的混凝土裂缝及由于腐蚀作用产生的裂缝等，这些裂缝相互作用导致裂缝不断扩展，降低了混凝土结构物的耐久性。裂缝的产生不仅影响了建筑物的美观，更加影响了建筑物的正常使用和结构的耐久性。本文将就水泥细度对混凝土抗裂性能的影响进行了分析，探究了水泥细度对混凝土早期裂缝的产生及混凝土中长期使用过程中劣化的影响。关键词：水泥细度，收缩膨胀，混凝土裂缝，相互作用1前言近年来，由于建筑行业的快速发展，混凝土的使用量越来越大，对混凝土质量和使用性能的要求也越来越高。混凝土是用水泥作胶凝材料，砂、石作骨料；与水（可含外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、密实成型、养护硬化制成的工程复合材料。硬化的混凝土含固、液、气相，是一种多元，多相，非均质复合水泥基材料。而水泥作为混凝土重要的成分，水泥的性能对混凝土的性能有着很大的影响，其中水泥的粉磨细度不仅影响混凝土的强度，更加影响混凝土的结构耐久性。开裂是影响混凝土耐久性的重要因素，混凝土结构物的结构发生变化或内外温度变化引起热胀冷缩是导致混凝土开裂的原因。影响混凝土开裂的因素很复杂, 当裂缝数量和尺寸达到一定程度时, 混凝土会因环境中腐蚀性介质的侵入而逐渐加速劣化。本文将根据混凝土结构中裂缝产生的类型，分析水泥细度对不同时间产生裂缝的影响。2收缩裂缝收缩裂缝是由湿度变化引起的,它占混凝土非结构性裂缝中的主要部分，在施工过程中，为保证混凝土的和易性，往往向混凝土中加入水泥水化所需水分多4-5倍的水。多出的水分以游离态存在，并在硬化过程中逐渐蒸发，从而在混凝土内部形成大量毛细孔、空隙甚至孔洞,造成混凝土体积收缩，根据收缩裂缝的形成机理与形成时间,工程中常见的收缩裂缝主要有塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝和干燥收缩裂缝三类,此外,还有自身收缩(化学减缩)裂缝和碳化收缩裂缝。2.1塑性收缩裂缝塑性收缩裂缝发生在混凝土塑性阶段, 终凝之前。 其形成原因是混凝土浆体中水分流向表面并迅速蒸,随着失水的增加,当蒸发速率超过了泌水达到表面的速率时，毛细负压产生的收缩力使混凝土表面产生急剧的体积收缩。 而此时混凝土尚未形成强度, 从而致使混凝土表面开裂。缝较浅, 中间宽、两端细, 长短不一, 且互不连贯。塑性收缩裂缝并不直接与水分损失, 蒸发速率或者收缩相关，实验证实特别干的混凝土或者大流动性混凝土对收缩裂缝不敏感，最多裂缝的临界塑性状态是在0.52 的水灰比时 , 低于或高于这个水灰比都不易产生塑性收缩裂缝。塑性收缩已被证实与毛细管压力有着直接的关系，如图1所示，可以看出，混凝土搅拌物在浇筑1小时后表面变干（开始了塑性收缩），于是毛细管压力在体系中得到了缓慢发展，大约2小时后毛细管压力增加的比率达到最大，直到3-4小时候达到最大值（达到破坏压力产生裂缝），此时混凝土的线性收缩值达到0.7510-3。图1 混凝土塑性收缩及毛细管压力毛细管压力与材料的塑性强弱关系较大，颗粒越细，比表面积越大，由于颗粒堆积而形成的毛细管半径越小，产生的毛细管力越大，同时由于细粉料具有较大的比表面积，混凝土表面的泌水速率减小，水泥细度越细，混凝土表面水分蒸发过程中产生的毛细管压力越大，形成塑性裂缝的可能性越大，反之产生的裂缝越小或不产生塑性裂缝。2.2化学收缩裂缝混凝土的化学收缩是指混凝土内水泥水化过程中,水化产物的绝对体积比水化前水泥与水的绝对体积之和减少的现象, 主要是由于水化反应前后化合物密度不同所致。化学收缩自水泥与水混合后即开始,至水泥水化完全结束。化学收缩只有极少部分表现为固相体积的减小,大部分转变为水泥浆体或混凝土内部的孔隙(或空气体积)。水泥水化过程中，硬化浆体形成的微结构抵抗了化学收缩力的作用，内部形成收缩孔，化学发应产生的体积收缩不能完全发应在宏观体积的变化，孔中的水分随化学反应逐渐减少。这一过程为混凝土的自干燥过程，自干燥产生自收缩，自收缩指初凝后由于水泥水化产生胶凝材料体积的微小收缩，硬化浆体的化学收缩空隙大部分被空气占据，自收缩只占极少部分，混凝土的自收缩与化学收缩关系见图2。图2 自收缩与化学收缩的关系水泥的水化程度反映了混凝土自收缩的大小，水灰比不变的条件下，水泥细度越大，水化速率越快，水化产物所占比例越大，由于水泥水化产物的平均密度较大，水化产物体积较小引起的化学减缩越大，同时由于硬化浆体结构的强度随水化速率的增大而增大，抵抗了化学收缩力的作用越大，内部形成的空隙越小，混凝土宏观体积收缩较大，混凝土的收缩幅度越大，收缩裂缝增多。混凝土的抗裂性越差。2.3 碳化收缩裂缝在混凝土的中长期使用过程中不可避免的要与外界的环境接触，容易受到大气中各种腐蚀介质的侵蚀，其中CO2作为一种酸性气体，对混凝土的侵蚀作用容易导致混凝土发生碳化，进而引发混凝土的收缩开裂。混凝土发生碳化的本质是空气中的CO2气体进入混凝土结构内部与混凝土的水化产物发生化学反应的过程。空气中的CO2通过混凝土内部的扩散与水反应生成碳酸，碳酸与不同的水化产物反应（不同水化产物碳化反应后的体积收缩不同，见表1），导致混凝土的腐蚀，随着该反应的进行，生成的碳酸钙将填充毛细孔而使毛细孔细化，对CO2气体的进一步扩散及碳酸化过程的继续进行起到一定的阻碍作用，但同时该反应将氢氧化钙中的以OH形式存在的结构水转变为了两分子的自由水，并存在于被细化的毛细孔中，即碳化形成的水与凝胶之间存在较强的结合能力，由干燥收缩的机理分析可知：当相对湿度下降时，碳化生成的这部分毛细水将蒸发，导致凝胶颗粒的表面张力增加而使水泥石处于压缩状态，从而产生碳化收缩。表1 水泥不同的水化产物发生碳化反应后的体积变化碳化收缩过程中毛细孔的相对湿度，一方面影响CO2在混凝土内部的扩散速率，另一方面影响碳化反应产生游离态水分的蒸发，如果孔内的相对湿度较小，由于水分不足，CO2较难形成碳酸导致碳化收缩的作用较小，如果相对湿度较大，CO2在混凝土的毛细孔的扩散受到影响，从而降低碳酸的浓度减少碳化收缩导致混凝土的体积变化及开裂。水泥细度与混凝土孔径分布密切相关，而孔径分布又是决定混凝土毛细压力的渗透作用，水泥细度越大，渗透压越大，CO2在混凝土中的扩散较为容易，导致碳化作用较大，同时由于形成密实的混凝土微结构，保水性较强，在相对湿度适合的条件下，水分蒸发较少，毛细作用力较小，碳化作用引起的收缩较小。水泥细度越大，水泥早期水化的用水量相对较大，水灰比较大，导致混凝土内部孔隙率较大，体积收缩较大，裂缝产生的可能性就越大。综合来说，在其他条件不变的条件下，水泥细度越大，由于碳化作用导致的收缩越大，混凝土产生裂缝的可能性就越大，所以根据碳化作用在工程中引起收缩裂缝来说，应该减小水泥颗粒的细度。3 温度裂缝温度裂缝是由于混凝土内外温差或季节气温变化过大而形成的。在混凝土浇筑过程中,水泥水化反应将放出大量的热(一般每克水泥可放出502J热量),使混凝土内部温度升高并在一定龄期出现温峰,之后下降。由于混凝土内部散热慢而表面散热快,必将在内外形成温差,为协调温度变形,混凝土表面将产生拉应力(即温度应力),当超过混凝土抗拉强度后将使之开裂。这种裂缝多为贯穿性的，且较深,严重降低结构的整体刚度;一般在施工结束几个月后出现。混凝土温度裂缝的产生与温度应力和约束有关，在水泥水化过程中由于水泥水化产生的水化热会使混凝土的温度升高，而由于混凝土内部与表面散热条件不同，水化热积聚在混凝土内部不易扩散，温度上升较多，这样就形成了外低内高的温差。由于外部约束和内部约束的存在，是混凝土不能自由变形，于是就会在混凝土内部形成温度应力，这种由于温度变化产生的变形受到约束而产生的应力称为温度应力。混凝土在水泥水化时, 会形成外低内高的温差,这种温差会使超大体积混凝土内部温度分布不均匀, 会引起质点发生的变形不一致, 从而产生内约束。超大体积混凝土中心由于温度较高, 所产生的热膨胀也较表面大, 因而在混凝土中心产生压应力, 而表面则产生拉应力。当表面拉应力超过混凝土的抗拉强度时, 就会在超大体积混凝土的外表面产生裂缝,这种裂缝比较分散、裂缝宽度小、深度也很小,俗称“表面裂缝”，见图3所示。图3 表面裂缝混凝土裂缝的产生与混凝土内外温差关，在外部环境不变的条件下，混凝土内部水泥的水化速率是影响混凝土内外温差的主要因素，水泥细度是影响水化速率的因素之一，在水灰比不变的条件下，水泥细度越大，颗粒的比表面积越大，这使混凝土中胶凝材料的水化速率加剧，放热速率变快（见图4），升温更加迅速，混凝土在短时间内产生大量的水化热，混凝土内外温差较大，混凝土表面越容易出现收缩开裂。在工程中，就温度收缩产生的裂缝而言，应尽量使用比表面积较小的水泥。图4 水泥细度对水泥水化放热速率的影响结语混凝土在早期和中长期的使用过程中，裂缝的产生是多种因素共同作用的结果，每种因素对于混凝土不同时期收缩或膨胀有不同的影响，就水泥细度而言，综合来讲，在混凝土早期的收缩与开裂中，随着细度的增加，水泥水化热与水化放热速率增加，水化放热峰值时间明显提前，导致温度裂缝的风险增加。新拌混凝土早期收缩明显增大，导致其早期裂缝明显增加，但水分蒸发速率与裂缝最大宽度反而减小。为保证混凝土的性能和耐久性，建议在工程中限制水泥细度的上限。参考文献 1 王铁梦.工程结构裂缝控制 M .北京:中国建筑工业出版社,1997 . 2 李瑞华, 梁斌万.混凝土施工中非结构性裂缝产生原因及防治 J.施工技术, 2002,(4). 3 鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展 J .混凝土, 2002,(5). 4 王宗昌, 屈芳民, 蔡荣生.混凝土结构裂缝的分类特征及密封处理 J .混凝土, 2002,(5). 5 徐铮澄.商品混凝土裂缝的成因与防治 J .