高性能混凝土非结构性裂缝控制综述.doc

高性能混凝土 非结构性裂缝控制综述 摘摘要要 为了提高混凝土工程的使用年限 高性能混凝土在工程中的应用越来越普遍 但由于高性能混凝土是一种新型高技术混凝 土 在原材料组成上有所不同 在配合比设计及施工工艺上有其特殊要求 故其性能由于受到影响其性能的因素变化相对于普通 混凝土更加敏感 本文通过高性能混凝土的非结构性裂缝产生的机理 影响因素进行分析 以期达到在原材料的选择 配合比设 计 施工中严格控制高性混凝土非结构性裂缝 达到提高高性能混凝土耐久性的目的 关关键键词词 高性能混凝土 非结构性裂缝 1 前前言言 高性能混凝土 High Performance Concrete 简称 HPC 一词最早由美国混凝土协会 于 1990 年提出 具体指由优质水泥 集料 饮用 水 活性细掺料和高效外加剂制成的 同时具有优 良耐久性 工作性和强度的匀质混凝土 这一概念 的提出立即得到了国际土木工程界的广泛接受和引 用 各国根据不同工程要求 相继提出了具有不尽 相同内涵的高性能混凝土的定义 这些定义的不同 点主要体现在对高性能中耐久性 工作性 强度等 的侧重不同 如加拿大提出的高性能混凝土指按专 门用途设计的混凝土 对HPC 的强度没有作出明确 要求 欧洲混凝土协会则视高性能混凝土为水胶比 小于 0 4 的混凝土 日本将流态自密实免振捣混凝 土称为高性能混凝土 中国工程院院士吴中伟教授 认为 HPC 是一种新型高技术混凝土 是在大幅度 提高常规混凝土性能的基础上 采用现代混凝土技 术 选用优质原材料 在妥善的质量管理条件下制 成的 除水泥 水 集料外 HPC 必须采用低水胶 比和掺加足够细掺料与高效外加剂 HPC 必须同时 保证下列诸性能 耐久性 工作性 各种力学性能 适用性 体积稳定性和经济合理性 高性能混凝土制作的主要技术途径是采用优质 的化学外加剂和矿物外掺合料 前者可以改善工作 性 生产低水胶比的混凝土 控制混凝土坍落度损 失 提高混凝土的致密性和抗渗性 后者可参与水 化 起到胶凝材料的作用 改善界面的微观结构 堵塞混凝土内部空隙 提高混凝土耐久性 高性能 混凝土的低水胶比与矿物掺合料的大量掺入使高性 能混凝土的硬化结构与普通混凝土有很大的差异 结构的差异在带来高性能混凝土诸多性能上的突破 的同时 随之而来的是它一些本质上的缺点 如发 生在初凝前的塑性收缩大 自收缩大 主要发生在 早期 温度收缩大 温度收缩出现的时间提前 水 分向周围环境散失而引起的干燥收缩相对来说较小 但其实测值 其中包括部分自收缩 并不小 即高 性能混凝土的自收缩与温度收缩较大 高性能混凝 土的早期收缩大 早期弹性模量增长快 抗拉强度 并无明显提高 比徐变变小等因素共同导致了高性 能混凝土 特别是高强混凝土 早期抗裂性差 2 高高性性能能混混凝凝土土非非结结构构性性裂裂缝缝的的种种 类类和和产产生生机机理理 混凝土的非结构性裂缝主要有 1 塑性收缩裂缝 在高温或风速教大的季 节 大面积暴露的新鲜馄饨表面 在混凝土终凝之 前容易产生塑性收缩裂缝 当蒸发速率超过泌水速 率时 水的蒸发面由表面深入到新鲜混凝土表面以 内 使蒸发面形成凹液面 凹液面产生的毛细管压 力使固体颗粒之间产生引力 Powers 提出如下计算 毛细管压力的计算公式 P 1 10 3 S W C 式中 P 颗粒之间的毛细管压力 水的表面张力 S 颗粒的比表面积 W C 混凝土的水胶比 水泥基材料毛细管压力随着时间的变化趋势 可分为三个阶段 在第一阶段 颗粒之间的距离较 大 形成毛细管压力较小 第二阶段 颗粒之间的 水形成弯液面而且曲率半径不断减小 毛细管压力 P 也随之而增大 并达到最大值 此时的毛细管压 力称之为临界压力 或突破压力 进入第三阶段 由于水泥水化的不断进行 混凝土表面的水不能填 充所有空隙而呈非连续状态 毛细管压力随之迅速 下降 这种颗粒之间的毛细管压力引起应力而使得 混凝土表面收缩 当混凝土处于塑性状态时 混凝 土表面抗拉强度很低 在P 值大于混凝土表面抗拉 强度时 则产生塑性收缩裂缝 在高性能混凝土中 由于使用了掺合料和化学 外加剂 并且水灰比较低 与传统的四组分混凝土 有着完全不同的组成 故影响高性能混凝土塑性收 缩开裂的因素与影响普通混凝土塑性收缩开裂的因 素有所不同 1 高效减水剂减小水灰比的影响 高性能混 凝土掺用高效减水剂或缓凝型高效减水剂以降低水 胶比 由Powers 公式可知 表面颗粒之间的引力 加大 高性能混凝土中掺缓凝型高效减水剂在延缓 水泥水化的同时 也降低了终凝前混凝土表面的抗 拉强度 延长了表面失水的时间 增加了出现塑性 收缩裂缝的可能性 2 胶凝材料和矿物掺合料对高性能混凝土塑 性收缩的影响 根据有关资料 水泥用量和胶凝材 料总量增加对混凝土塑性收缩有增加的趋势 粉煤 灰 磨细矿渣及硅灰的使用使混凝土浆体内部颗粒 堆积更加密实 表面部分细小颗粒的存在使毛细管 压力增大 颗粒之间的引力也随之增大 增加了出 现塑性收缩裂缝的可能性 这点从由Powers 公式的 颗粒比表面积增加 毛细管压力增加可以看出来 2 自缩裂缝 塑性收缩裂缝和干缩裂缝不 同 虽然都是由于混凝土失水产生的表面张力引起 但干缩主要是由于混凝土终凝后内部水泥石的空隙 气孔 毛细孔 凝胶孔 水蒸发而产生 干缩量 随龄期逐渐增长 形成的干缩裂缝一般垂直于长度 方向或在边角呈450 由于高性能混凝土结构致密 炭化收缩值很小 因而干缩引起的高性能混凝土自 收缩是导致高性能混凝土产生裂缝的主要因素之一 关于高性能混凝土自收缩产生的机理和自收缩模型 目前都停留在推测和预测阶段 尚没有深入的理论 分析与经过大量的实验研究来证实 同济大学蒋正武等总结分析混凝土自收缩的 主要影响因素有以下几个方面 1 水泥矿物组分与水泥类型 水泥继续水化 是自收缩的根本原因 水泥矿物成分的水化速率 水化程度与水化结合水含量是影响自收缩大小的关 键 水化速率最快的C3A 影响最大 其结合含水量 也最高 其次C4AF C3S 与 C2S 影响最小 不同水 泥类型对自收缩的影响 实质上是不同矿物成分对 其的影响 高铝水泥与早强水泥因C3A 含量高 自 收缩较大 低热水泥和中热水泥因C2S 含量高而自 收缩较小 对矿渣水泥 则水化后期的自收缩值较 高 2 自收缩是由于混凝土自干燥引起的本身不 可避免的现象 对低水胶比的混凝土 水胶比越低 与干缩相比 自收缩的比例增大 3 不同的矿物掺合料极其矿物组成 细度和 活性与混凝土自收缩关系密切 文献和实践都表明 掺入优质粉煤灰可以降低高性能混凝土的自收缩 4 集料对混凝土的自收缩有限制作用 3 温度收缩裂缝 温度收缩裂缝主要在大体 积混凝土中体现 大体积混凝土的开裂 从根本上 说是由于混凝土结构与结构之间或结构不同部位之 间的温度应力超过混凝土的抗裂能力而产生的 例 如 浇注在岩基或者老混凝土基础上的大体积混凝 土 在温度升温阶段 新浇混凝土体积膨胀 因受 到基础的约束产生受压的温度应力 但由于此时的 混凝土龄期短 弹性模量低 因此 其压应力值很 低 而在混凝土降温阶段 新浇混凝土的体积产生 收缩 因受到基础的约束产生的温度应力为拉应力 当拉应力值超过混凝土的抗拉强度时 或者受拉变 形超过其极限拉伸能力时 变会产生裂缝 同时 混凝土的干缩变形与温度应力的叠加助长了开裂的 产生和发展 按照绝热温升公式 Q J 571 2 C3S 260 4 C2S 840 C3A 126 C4AF 式中 C3S C2S C3A C4AF 水泥中各矿物成分含 量百分率 可知 影响大体积混凝土的温度裂缝的水泥材料 方面的原因主要是水泥的用量以及水泥中矿物组分 的含量 4 炭化收缩产生裂缝 空气中含有一定比例 的 CO2 它们在一定相对湿度下会使水泥硬化浆体 的水化产物 如Ca OH 2 水化硅酸钙 水化铝 酸钙和水化硫铝酸钙分解 并释放出水分 从而引 起收缩 炭化收缩的大小主要受混凝土养护制度和 环境湿度影响 并与掺加的掺合料有关 不均匀的 收缩也会导致在硬化混凝土中产生内应力 甚至发 生裂缝 5 水泥安定性不良和碱集料反应导致混凝土 内部不均匀变形 严重的导致混凝土崩裂 该种裂 缝对混凝土结构具有严重的破坏 这里不做机理分 析 3控控制制高高性性能能混混凝凝土土非非结结构构性性裂裂缝缝的的 措措施施 1 在原材料的选择上 高性能混凝土所用 的原材料 除传统混凝土所用的水泥 砂 石 水 以外 还有高效外加剂和矿物掺合料 有些高性能 混凝土还掺加一定的纤维 使用高效减水剂和磨细 矿物掺合料是使混凝土达到高性能的主要技术措施 前者能降低混凝土的水胶比 增大坍落度和控制坍 落度的损失 赋予混凝土高的致密性和良好的工作 性 后者能填充胶凝材料的孔隙 参与胶凝材料的 水化 除提高混凝土的致密性外 还改善混凝土的 界面结构 提高混凝土的耐久性与强度 由于高性 能混凝土的高性能要求和配置特点 原材料中原来 对普通混凝土影响不明显的因素 对高性能混凝土 就可能影响显著 因此 高性能混凝土所用原材料 的要求与普通混凝土有所不同 1 水泥 国外研究用于高强高性能混凝土的 特种水泥有球型水泥 调粒水泥 超细磨水泥和高 贝特水泥等 但是国内基本上无这方面的水泥的大 量生产 所以一般不使用 根据高性能混凝土的特 点 从国内实际情况出发 高性能混凝土选用的水 泥要综合考虑其各项性能 很重要的一点就是要选 择流变性好 早期反应性能低并能与外加剂有着良 好的适应性的水泥 需要特别说明的是 配制高性 能混凝土不一定必须使用高强度水泥 2 矿物掺合料 当前用量较多的是磨细矿渣 粉煤灰 硅灰 水泥水化初期 胶凝材料中的矿渣微粉分布并 包裹在水泥颗粒的表面 能起到延缓和减少水泥初 期水化产物相互搭接的隔离作用 从而改善混凝土 的工作性 磨细矿渣在碱激发 硫酸盐激发或复合 激发下具有反应活性 与水泥水化产生Ca OH 2 发生二次水化反应 生成低钙型的水化硅酸钙凝胶 在水泥水化过程中激发 诱导水泥的水化程度 加 速水泥水化的反应进程 还能改善混凝土的界面结 构 从而显著地改善并提高混凝土的强度和耐久性 由于磨细矿渣的掺入 延缓了胶凝材料的水化速度 使混凝土的早期温升得到控制 有利于控制混凝土 的内外温度差 减少温度裂缝的产生 但在需要抗 冻的条件下使用矿渣时候 就需要掺加适量早强剂 防冻剂 磨细矿渣的细度对高性能混凝土的影响巨 大 粒径在45 m 的矿渣颗粒很难水化反应 因此 要求用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过 400m2 kg 以较充分的发挥其活性减少泌水性 矿 渣磨得越细 活性越高 泌水越小 但不利于降低 早期水化热及减少收缩 一般说来 用于高性能混 凝土中的矿渣细度要求达到400m2 kg 以上 但是最 佳细度和掺量需要综合考虑混凝土工程的性能要求 混凝土的温升 自收缩和磨细的电耗成本 粉煤灰过去作为粉煤灰水泥的混合材 混凝土 中降低成本和水化热功能的掺合料在我国已经被广 泛运用 具有胶凝材料性质的粉煤灰作为矿物掺合 料代替部分水泥配制高性能混凝土 在我国还有很 大的发展潜力和空间 粉煤灰的作用机理 除火山 灰材料特性的作用 消耗水泥水化时生成薄弱的 而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶 由于 水化缓慢 只有在后期才生成少量C S H 凝胶 填 充于水泥水化生成物的孔隙 使其更加密实 以外 对于高性能混凝土用的优质和磨细粉煤灰 还存在 着形态效应 填充效应和微集料效应 对混凝土的 工作性提高显著 会延长混凝土的凝结时间 降低 混凝土的水化热 同时提高混凝土的耐久性 但是 对于有抗冻要求的混凝土 其粉煤灰的掺量需要严 格控制 由于硅灰的颗粒细小 比表面积大 具有SiO2 纯度高 火山灰活性等物理化学特点 把硅灰作为 矿物掺合料加入混凝土中 对混凝土的性能会产生 多方面的良好效果 无定形和极细的硅灰对高性能 混凝土有益的影响主要表现在物理和化学两个方面 起超细填充料作用 在早期水化过程中起晶核作用 并有高的火山灰活性 硅灰的掺入可以大幅度提高 混凝土的强度 增加混凝土的致密度 改善混凝土 的离析和泌水性能 4 化学外加剂 要求所选用的外加剂除满足 相关要求外 要特别注意其与水泥及掺合料的适应 性问题 最佳掺量问题 确保外加剂达到减水要求 满足坍落度损失要求及其他相关要求 上述三种矿物掺合料都能够有效的改善混凝土 的性能 一定程度上阻止混凝土的碱集料反应 提 高混凝土的致密性 但是需要根据具体的原材料及 工程的具体环境 要求 选择合理的水泥及掺合料 掺量及考虑几种材料共同使用以便于扬长避短 达 到使用要求 2 在施工工艺及养护要求上来讲 高性能 混凝土在防止非结构性裂缝方面比普通混凝土具有 更严格的要求 对于前面所描述它一些本质上的缺 点 如发生在初凝前的塑性收缩大 自收缩大 主 要发生在早期 温度收缩大 温度收缩出现的时间 提前 水分向周围环境散失而引起的干燥收缩相对 来说较小 但其实测值 其中包括部分自收缩 并 不小 即高性能混凝土的自收缩与温度收缩较大 高性能混凝土的早期收缩大 早期弹性模量增长快 抗拉强度并无明显提高 比徐变变小等因素共同导 致了高性能混凝土 特别是高强混凝土 早期抗裂 性差等情况 除了在原材料选择和配合比优化方面 做必须的严格要求外 在施工工艺及养护要求上也 需要更加严格的控制 对于塑性收缩裂缝 在施工工艺上需要加强抹 面压面 并在终凝后及时加强养护 也可以考虑掺 加一定量的纤维来达到控制塑性收缩裂缝的目的 对于自收缩产生的裂缝控制 可以从纤维增强 膨 胀剂补偿收缩及减缩剂减小收缩等几