粉煤灰蒸压加气混凝土裂缝成因分析与抗冻融措施

粉煤灰蒸压加气混凝土裂缝成因分析与抗冻融措施

1929年，瑞典开始生产加汽混凝土产品。到目前为止，已有几十年的历史。第二次世界大战前，世界上的气混凝土总量不超过100万件3m，主要集中在北欧三国（瑞典、挪威和芬兰）。第二次世界大战后，欧洲、东欧、前苏联、日本等国家相继引入了施气混凝土生产技术，气混凝土行业也取得了很大进展。目前，50多个国家和地区正在生产和应用气混凝土产品，主要用于墙上和屋顶。伊通公司最早采用油母页岩烧石灰作为生产加气混凝土的原材料及其组合,后发展为生石灰-水泥-砂子配料.其中,胶结料以石灰为主,水泥仅占5%.西波列克斯公司最早以水泥-砂配置生产加气混凝土,后又开发了水泥-矿渣-砂组合、水泥-生石灰-砂组合.目前,胶结料中以水泥为主,水泥比例超过生石灰.海波尔、威汉均以水泥-生石灰-砂为组合,在胶结料中也以水泥为主,水泥比例高于生石灰.在国外仅有波兰和罗马尼亚、英国少数企业应用水泥-生石灰-粉煤灰组合生产加气混凝土产品,并在理论上进行了系统的研究.20世纪50年代后期,我国开始对加气混凝土进行研究,尤其是1965年引进瑞典西波列克斯技术专利技术后,对加气混凝土的研究更为深入、广泛.但从瑞典引进的西波列克斯技术因采用水泥-矿渣-砂为原料,故要用大量的水泥和矿渣,这不适合我国国情.我国是个燃煤大国,尤其随着电力工业的迅速发展,每年粉煤灰排放量达1亿t.为了使这些粉煤灰变废为宝,在我国采用石灰-粉煤灰(掺一部分水泥)的原材料路线是较为合适的.随着加气混凝土中的粉煤灰应用,其弊端也不断出现.因此笔者在提出对粉煤灰、石灰进行活化的同时,采取加入纤维、外加剂等措施,对粉煤灰加气混凝土的通病-收缩开裂、抗冻融性差等问题进行探讨.1病理分析1.1生产过程中的破裂1.1.1粉煤灰的活性原材料质量对加气混凝土本身的性质影响至关重要,因此在生产过程中必须严把原材料的质量.水泥水化时,除了能生成大量的水化硅酸钙、水化铝酸钙等相互水化物外,还能析出大量的Ca(OH)2.在蒸压条件下,这些游离的Ca(OH)2与含硅材料中的SiO2和Al2O3相互作用,以水热合成方式生成水化硅酸钙和水化铝酸钙.因此,要严格控制Ca(OH)2量,以免使加气混凝土强度过低出现裂纹.两种方式所产生的水化矿物质可同时提高制品的强度.由于水泥中CaO含量约为60%,而其中有20%左右经过水化析出游离的Ca(OH)2,故水泥中游离Ca(OH)2含量过低会导致制品开裂.粉煤灰作为生产加气混凝土的主要硅质材料,其活性主要与密度、细度以及其中的玻璃体含量有关.未经球磨的原状粉煤灰,在细度较粗或含碳惰性物质较多时,其活性差;与水泥、石灰反应不能充分进行,水化产物少、制品强度发展较慢且低,不仅影响浇注的稳定性,而且坯体性能差,硬化时间长,很难符合切割机对坯体的要求,切割时易产生裂纹.石灰是生产加气混凝土中必不可少的成份,所用石灰以中速石灰为宜.消化时间在7min~15min的石灰一般称为中速石灰.如用快速石灰短时间内消解完毕发热集中在前期,不但料浆稠化快,发气不疏畅,而且坯体静停段体表散热较坯心多,造成体中温度高边角部位温度低,坯体各部位硬化不一致,可导致切割时抵抗变形能力差,容易造成多处裂纹.石膏在加气混凝土生产中是一种调节剂,虽用量不大,但作用极为重要.使用同等材料时,如石膏配入偏多将抑制石灰消解和铝粉发气,从而使粉煤灰与钙质材料的水化反应速度降低,反应产物将以凝胶为主体,不仅数量少,坯体硬化速度慢,而且塑性强度也较差,在切割钢丝行走过程中极易产生裂纹.所以应适当减少石膏用量,选择一个最佳的配合比.1.1.2蒸压养护工艺加气混凝土料浆的水料比即加气混凝土料浆的稠度.其控制的大小直接影响着料浆的稠化与铝粉发气是否同步,同时也对制品坯体的强度发展、以及制品的最终性能指标有着非常重要的影响.蒸压养护过程中,制品裂缝的产生主要发生在升温阶段.在此阶段,由于坯体的内外受热不均匀,再加上升温速度快,故坯体的强度不足以抵抗由于温度梯度造成的应力而被拉裂.这种裂缝一般出现在坯体的上部和四角,且四角比较严重.通过生产实践发现,造成坯体强度低,水料比过大也是影响因素之一.蒸养温度与压力较低时,粉煤灰颗粒表面只是部分水化,水化产物总量偏少,主要依靠水泥水化产物将粉煤灰颗粒包裹并粘结在一起,颗粒间结合力弱,因此抗压强度较低.蒸养温度与压力较高时粉煤灰颗粒表面能够充分水化,生成结晶较好和较多的水化产物,这些水化产物相互穿插紧密结合在一起,使结构致密、空隙减少,抗压强度提高.因此,当强度较高时会抑制裂缝的产生.在加气混凝土生产中最常用的蒸压养护制度一般分为4个阶段,即抽真空、升温、恒温、降温.每个阶段的蒸压养护参数对其所蒸压养护的制品各有影响.如果一个环节或参数控制不当,都会给蒸压制品带来不良的影响.如果制品坯体强度太低、透气性差、抽真空速度太快,会使坯体在蒸压养护过程中出现裂纹等缺陷.在升温阶段,由于坯体表面温度不仅大大低于通入蒸压釜的蒸汽温度,而且也低于生成的冷凝水温度,蒸压釜内的温度高于坯体表面温度,坯体中心温度又滞后于坯体表面温度的增长,坯体表面与中心的温差在升温结束时达到最大值.温度的增加使坯体膨胀,而坯体表面与中心温度低,其膨胀值小,从而使坯体受到拉应力.因此,无论坯体表面和介质之间,或是坯体中心与坯体表面之间,其温差最大.此时,坯体承受湿差和温差的应力变化,制品的裂缝也多在此时产生.经过抽真空、升温、恒温3个阶段后,加气混凝土制品在抗压强度等性能指标方面已达到要求.但在降温阶段,制品表面水分的迅速蒸发和温度的迅速降低都将产生收缩,制品内部温度和水分均大于表层.所以,制品内部产生的收缩也大于表层,更容易产生裂纹.1.2使用过程中，用磷酸混凝土泡沫1.2.1墙体的温度分布温度影响着水的蒸发速度,温度越高,水的蒸发速度越快,加气混凝土失水速度也越快,收缩越剧烈.加之不同材料的线膨胀系数不同,在温度变化时,尺寸变化不一致,引起材料的热胀冷缩,当约束条件下温度变形引起的温度应力足够大时,墙体就会产生温度裂缝.由于加气混凝土砌块砌体的抗拉、抗剪强度较小,因此,建筑物在温度变化时,由温差引起的变形差异导致温度应力后,钢筋混凝土部分与砌体之间将出现温度裂缝.1.2.2混凝土斑块的收缩无论何种工艺生产的砌块,其中的主要胶凝成份都是水化硅酸钙凝胶.该凝胶具有比表面积大,无定型和干缩大等特点.砌块在使用过程中出现干燥收缩,从而产生收缩应力.强度较低的加气混凝土砌块在收缩应力作用下会出现断裂或出现砌筑砂浆与砌块间开裂.马保国等人认为:这种收缩是由于毛细孔和部分凝胶水蒸发引起的.毛细孔水的蒸发使毛细孔内水面下降,弯月面的曲率变大.在表面张力的作用下,毛细孔内便形成毛细管收缩应力.随着孔内水分的不断减少,这种收缩应力不断增加,导致制品收缩开裂.1.2.3混凝土试件表面微裂纹的形成机理FumiakiMatsushita等人认为,碳化是影响蒸压加气混凝土老化开裂的主要因素,托勃莫来石C-S-H是加气混凝土的主要水化产物,在使用的过程中,它在有水分存在的情况下与二氧化碳反应最终分解成硅凝胶和碳酸钙.碳化产生的收缩加剧加气混凝土试件表层的收缩,使试件表面的微裂纹扩展,同时使加气混凝土试件的抗压强度和抗折强度降低.久而久之,将会导致砌体失效以致建筑物表面产生裂纹.1.2.4加热器混凝土制品抗冻性影响粉煤灰加气混凝土试件在较高含水率状态下表现出抗冻融循环能力较差,而在较低的含水率状态下,抗冻融循环能力较好.在实际工程中,加气混凝土制品通常不会用于长期接触水的环境中,而且经过较长时间的使用后,加气混凝土制品达到气干状态,其含水率很低,通常小于10%,甚至可以达到3%~5%,在此含水率状态下,加气混凝土制品的抗冻性较好.然而,由于加气混凝土制品在使用过程中容易产生裂缝,导致水从裂缝中渗透进来,使其含水率处于较高状态.冻融循环作用导致加气混凝土抗压强度降低,表现为抗冻性较差,最终导致开裂.1.2.5施工操作中的影响施工中,砌块墙体上留有的脚手眼以及层面的损坏部位等,要用不规则砌块或异物进行填塞,或者使用不配套的浆料修补,不然该处也易发生开裂.1.3固体粒子的压力效应.通过对以上一系列原因的综合论述笔者认为,由于加气混凝土砌块的自身材性、块体大、干燥风干快、体积收缩明显、吸水性强、抗剪切强度低等特点,以及原材料施工和使用管理等不合理因素的影响,墙体开裂成为一种普遍现象.同时导致墙面抹灰层在同一部位开裂,这不仅影响建筑美观和墙体的整体性能,同时还将影响建筑物的使用寿命,进而严重影响加气混凝土的应用前景.在相当程度上阻碍了加气混凝土这种新型建筑材料的发展.在此背景下,众多专业人士认为,加气混凝土的开裂与其孔结构、胶体粒子有着密不可分的关系.其开裂的主要作用机理是:(1)胶体粒子表面的张力作用.由于粒子表面张力主要依赖于环境相对湿度的变化,相对湿度降低,表面张力增加,从而使固体粒子在压力作用下产生收缩变形.(2)相邻粒子间吸附水分子的拆开压力作用.在一定状态下的系统中,相邻固体粒子间吸附有一定厚度的水分子层,当水分子层厚度超过相邻粒子的固有距离时,则会对相邻粒子产生一定的拆开力.由于吸附水分子层厚度依赖于系统中的相对湿度,当相对湿度下降时,吸附水分子层厚度减小,相应拆开压力也减小,两固体粒子的距离变小而产生收缩变形.(3)毛细孔水由饱和变为不饱和时产生的负压作用.由于毛细孔失水引起的干缩约占通常条件下引发干缩的80%,它在相对湿度95%~50%时会引起干缩.由于干燥,毛细孔内的水面下降,而在毛细管中形成弯月面半径(r),在水的表面张力(Q)和弯月面的作用下,水内部的压力比外部压力小,根据力学平衡关系,压力差为:式中:△P—毛细孔压力差,kg/cm3;R为气体常数(8.135×107尔格/K克分);T为温度,K;ρ为水的密度,g/cm3;M为水的分子量18.02;P/Po为相对湿度.根据式(1),相对湿度与毛细孔压力差的关系为:随着相对湿度降低,毛细孔内不断失水,毛细孔压力差越来越大,导致了加气混凝土砌块的干缩变形.然而大孔毛细管抽吸功能较低,水分的吸收主要是通过小孔的毛细管力作用的影响.(4)冻融循环作用.然而,在北方除以上理论外,加气混凝土砌块还经受冻融破坏.冻融破坏本质上是一个物理过程,由孔隙水结成冰后引起的直接冰胀压力和过冷水迁移引起的渗透压力大于材料自身抗力所致.当零度以下水结冰后,体积膨胀约9%.在约束条件下产生冻胀应力导致孔壁破坏.在结冰与融化过程中,会发生水分迁移.受冻时由于加气混凝土表面温度低,先结冰把水分挤向加气混凝土内部,融化时外部先融化内部应力增大,又将水分挤向表面.同时由于过冷水的存在,其蒸汽压比同温度下冰的蒸汽压高,将发生凝胶水向毛细孔中冰的界面渗透,由于渗透压的存在引起膨胀破坏.最终在破坏应力的作用下,加气混凝土砌块自身收缩应力与膨胀应力大于其自身的抗拉强度,而最终导致加气混凝土裂纹的产生,严重影响建筑物的使用与美观.究其根本,如能提高自身抗拉强度则能有效抑制其裂纹的产生.2预防和处理2.1不同粉煤灰用量的影响石灰在加气混凝土中起钙质材料作用,石灰与粉煤灰中的SiO2和Al2O3进行水热合成反应生成水化硅酸钙等水化产物.石灰的均匀分散与水热合成反应过程有较为密切的关系.因此石灰要选用定点窑生产的中速石灰,浇注时增加搅拌时间,适当增加石灰用量,改善静停保温设施,改善坯体内部结构和温度的均匀性,并将石灰活化使其在水热反应中加快钙硅反应.粉煤灰主要矿物成分是铝、硅玻璃体,具有火山灰活性,但与矿渣玻璃体不同.粉煤灰的活性很难激发.在蒸压养护下,粉煤灰参与钙硅水热反应但水化反应程度也仅有40%左右.将粉煤灰活化增加粉煤灰的分散度,提高粉煤灰在蒸压养护前的应能力,使蒸压养护初始阶段由于粉煤灰预先水化形成大量水化硅酸钙凝胶,促进C2SH向CSH转化,促进托贝莫来石相的形成,使加混凝土气孔间壁水化物晶体相和胶体相匹配合理.因此,对石灰与粉煤灰进行活化后能显著加快水化速率,提高早期强度,有效地增加自身的强度.在一定程度上抑制裂纹的产生.但为了能够更好地解决其开裂与吸水率过高的问题,纤维与外加剂的加入是必要的.2.2纤维混凝土的作用机理纤维在普通混凝土中的应用已为人们所熟知.然而纤维在加气混凝土中的应用研究在国内较少.纤维混凝土中的纤维在混凝土中呈现三维乱向分布,并有不同程度及类型的定向性;再由于纤维混凝土是一种多相、多组分、非均质且不连续的材料,加之纤维形状和表面性能及不同的施工方式,造成纤维不同形式的分布,导致纤维增强机理,十分复杂.虽然自纤维混凝土问世后,有诸多研究者对其理论进行研究,但迄今为止,尚无一个无争议的理论来反映纤维增强的本质.比较一致的观点认为:由于纤维的掺入,对混凝土基体产生了增强、增韧和阻裂等效应,从而增加了混凝土的强度、韧性、耐腐蚀性等性能,改变混凝土的脆性、易开裂性及其破坏形态,延长了混凝土的使用寿命.在纤维混凝土中,纤维的主要作用在于吸收水泥基材开裂时释放的能量,因而阻止基材中裂缝的扩展.其阻裂机制和阻裂效果主要取决于纤维的种类与性能、纤维的体积率、纤维的长度与分布情况、纤维的取向、纤维与水泥基材的粘结强度等.GerdWeidemann等人通过使用计算机对蒸压加气混凝土进行断层扫描认为,纤维在蒸压加气混凝土中的分布取向都会对其抗压与抗弯性能等有重要影响.由于纤维贯穿孔隙在加气混凝土内部形成钢筋网络结构,有效地抑制了加气混凝土自身的收缩应力所造成的应力破坏,同时解决了经冻融循环所造成的表层开裂脱落问题,大大改善了加气混凝土的耐久性.同时,由于纤维的