浅析高性能混凝土的开裂问题

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建筑技术发展到今天,对混凝土提出了更高要求,特别是一些施工难度大、环境恶劣、维修工作困难而混凝土质量要求又高的工程,仅仅依靠提高强度是不够的,必须同等改善混凝土工作性能。为满足这些要求,混凝土必须向高性能方向发展。

　　1高性能混凝土的概念及特征

　　高性能混凝土(HPC)是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标,针对不同用途要求,对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此,高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比,选用优质原材料,且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。

　　我国著名混凝土科学家吴中伟院士将HPC定义为:在大幅

　　度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作、以耐久性为设计指标的新型高技术混凝土。并认为高性能混凝土适用于任何强度等级的混凝土。提出HPC内部结构具有以下特点:①孔隙率很低,基本上不存在>100nm的大孔;②水化物中Ca(OH)2减少,C-S-H和AFt增多;③未水化的颗粒多,未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多;④界面厚度小,孔隙率低、Ca(OH)2数量减少,且取向程度下降,水化物结晶颗粒尺寸减少,更接近水泥石本体水化的分布。

　　具有这样微结构的混凝土,必然会有密实度大、干燥收缩小、抗化学腐蚀性强等性质。与普通混凝土相比,高性能混凝土具有如下独特的性能:

　　(1)高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力,但不一定具有高强度,中、低强度亦可。

　　(2)高性能混凝土具有良好的工作性,混凝土拌和物应具有较高的流动性,混凝土在成型过程中不分层、不离析,易充满模型;泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。

　　(3)高性能混凝土的使用寿命长,对于一些特护工程的特殊部位,控制结构设计的不是混凝土的强度,而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上,是高性能混凝土应用的主要目的。

　　(4)高性能混凝土具有较高的体积稳定性,即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热,硬化后期具有较小的收缩变形。

　　概括起来说,高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土,能最大限度地延长混凝土结构的使用年限,降低工程造价。

　　2高性能混凝土的使用范围

　　高性能混凝土在房屋建筑和一般构筑物中的应用主要有:

　　(1)高层建筑中采用高性能混凝土有利于统一柱子尺寸和模板规格,方便施工,并可利用高性能混凝土的早强特点加快施工进度。密度变小,弹性模量高,提高结构刚度,这对于高层建筑来说是非常重要的。

　　(2)采用高性能混凝土可以显著降低结构的重量,显著提高受弯构件刚度,在预应力结构中则可施加更高的预应力值,并可利用早强特点提高张拉。

　　(3)高性能混凝土具有较强的抵抗大气环境作用和化学物质侵蚀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,广泛应用于露天工程或地下工程。

　　3高性能混凝土开裂问题研究

　　非荷载引起的混凝土开裂,主要是混凝土在约束条件下的收缩或局部的膨胀变形在内部产生应力超过抗力而造成的。早期的混凝土抗拉强度低,较大的变形受到约束时容易引起开裂,这取决于混凝土自身组成材料、配合比以及其所处环境和约束条件。下文主要分析收缩引起的混凝土的早期开裂问题。

　　3.1干燥收缩

　　干燥收缩是指混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩,它不同于干湿交替引起的可逆收缩。随着环境中相对湿度的降低,水泥浆体的干缩增大。在大多数土木工程中,混凝土不会连续暴露在使水泥浆体中C—S—H失去结构水的相对湿度下,故引起收缩的主要原因是失去毛细孔和凝胶孔的吸附水。计算完全干燥的纯水泥浆体收缩量为10000×10-6;LeeFM实测数值达4000×10-6。混凝土的干缩是由表面逐步扩展到内部的,在混凝土中呈现湿度梯度,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,致使表面混凝土承受拉力内部混凝土承受压力;当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时,混凝土便产生裂缝。另外,水泥石也会由于集料的限制作用而出现裂纹。在约束条件下,混凝土收缩时,混凝土中产生拉应力,如果该拉应力大于其最大抗拉强度时,便产生裂缝。这种现象在混凝土刚拆模后表现尤为明显,这时混凝土的强度很低,干缩却非常大,同时由于混凝土拆模后和空气接触使周围空气温度上升,由此导致周围空气的湿度降低,进一步加大了混凝土干缩。

　　3.2化学收缩

　　水泥水化后,固相体积增加,但水泥体系的绝对体积减小。所有的胶凝材料在水化后都有这个减缩作用,大部分硅酸盐水泥在水化后体积总减少量为7%～9%。在硬化前,所增加的固相体积填充原来被水所占据的空间,使水泥密实,而宏观体积减缩;在硬化后,则宏观体积不变而水泥——水体积减缩后形成内部孔隙。因此,这种化学减缩在硬化前不影响硬化混凝土的性质。化学减缩和水泥的组成有关。化学收缩和水化程度成正比,HPC存在大量未水化水泥颗粒,尽管其单位体积胶凝材料用量较大,其化学收缩和普通混凝土相比仍然较小。但如掺用活性很高的矿物掺和料如硅灰或超细矿渣,则化学收缩会在一定范围内随其掺量的增加而增加。

　　3.3塑性收缩

　　塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段,是指塑性阶段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而产生的收缩,多见于道路、地坪、楼板等大面积的工程,以夏季有风的情况下施工最为普遍。混凝土在新拌的状态下,拌和物中颗粒间充满水,如果养护不足,表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时,则会造成毛细管中产生负压,使浆体产生塑性收缩。塑性收缩常伴随着不可见裂缝的发展。

　　HPC的水灰比低,自由水分少,辅助胶凝材料对水有更高的敏感性,在上述工程中容易发生塑性收缩而引起的表面开裂。影响塑性收缩开裂的外部因素是风速、环境温度、凝结时间和相对湿度等,内部因素是水灰比、辅助胶凝材料、浆集比、混凝土的温度;延缓混凝土凝结速率等措施都能控制塑性收缩,最有效的方法是终凝前(开始常规养护)保持混凝土表面的湿润,如在表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等。

　　3.4自收缩

　　自收缩是由于混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低进而造成毛细孔中水分不饱和并由此产生的负压引起的混凝土收缩。混凝土自收缩是在混凝土与外界无水分交换的条件下发生的。低水灰比的HPC和HSC的自收缩比普通混凝土的自收缩大得多。HPC和高强混凝土(以下简称HSC)的水胶比很低,能提供水泥水化的自由水分少,近年来由于对早期强度片面的追求,混凝土趋向于使用低的水灰比,较高早期强度发展率会使自由水消耗较快。HPC和HSC由于自干燥产生的原始裂缝,影响混凝土的强度和耐久性。

　　4结论

　　(1)影响开裂的因素是很复杂的,各种因素还可能会有相反的影响而相互抵消。应当根据不同工程的特点和条件分析不同组成和配合比的混凝土开裂的倾向。

　　(2)在约束条件下的收缩是引起混凝土开裂的潜在因素,通过收缩的测定可以预测混凝土开裂的倾向,但必须有正确的方法和对条件的控制。

　　(3)高性能混凝土是以耐久性为标志的高技术混凝土,所谓高技术,不仅仅指实现混凝土高性能化的材料技术、制备技术,更要强调高性能的施工技术。