混凝土温度收缩裂缝的产生机理及对策

混凝土温度收缩裂缝的产生机理及对策

摘 要: 对混凝土温度收缩裂缝产生机理及影响因素进行研究。从原料的选择、配合比的设计、施工及养护等几方面控制温度收缩裂缝的方法, 控制混凝土温度收缩裂缝的出现, 对混凝土施工有一定的参考价值。

关键词: 混凝土; 温度收缩裂缝; 水灰比

现浇混凝土结构的早期开裂是工程中存在的一个较为普遍的现象, 早期微裂往往是后期宏观开裂的开始, 对混凝土结构的耐久性甚至安全性产生极为不利的影响。近年来, 随着混凝土科学的发展, 高效减水剂和矿物掺和料在混凝土中得到广泛应用,使混凝土的水灰比大大降低, 单位混凝土中水泥用量较大, 再加上水泥新标准的颁布, 水泥本身的组成成分有所改变, 使混凝土凝结硬化初期由于水泥水化产生较大的水化热, 在混凝土结构中产生过大的热膨胀, 导致混凝土开裂。本文就混凝土的温度收缩产生的机理及影响因素的进行分析, 总结出减小混凝土温度收缩的控制办法。

1 混凝土的温度收缩裂缝及其产生机理

混凝土的温度收缩裂缝是指混凝土内部结构组分分子间的距离, 随温度变化而产生体积收缩引起的裂缝。混凝土中水泥和水发生水化反应时, 放出水化热, 在绝热状态下, 每100 kg 水泥水化放出的水化热可使混凝土升温10～ 12 ℃。一般混凝土的热膨胀系数为10- 5ö℃, 而混凝土的极限拉伸值只有(1～ 1. 5) ×10- 4。因而在水灰比较低的情况下, 混凝土中水泥水化放出的热量较多, 混凝土温度会升得更高, 再加上骨料的初始温度, 可使混凝土内部的最高温度达到70～ 80 ℃, 水化进行得更快, 混凝土很快就失去了可塑性。而混凝土又是热的不良导体, 在硬化初期, 混凝土内部因温度很高而体积膨胀, 外部随气温降低而收缩, 这两种作用互相抵制, 结果使混凝土外部产生很大的拉应力, 当拉应力超过当时混凝土的极限抗拉强度时, 混凝土外部就开裂, 出现收缩裂缝。

2 影响混凝土温度收缩的因素

2. 1 水泥对温度收缩的影响

水泥是混凝土的重要组成成分, 在混凝土中起胶结作用, 是影响混凝土温度收缩的主要因素之一。混凝土中的温度上升主要是由水泥水化放热引起的, 水泥熟料的四种基本成分与水的作用不同, 铝酸三钙(C3A ) 水化速度最快, 水化热最大, 对早期强度的发展贡献最大。硅酸三钙(C3S) 次之, 硅酸二钙(C2S) 反应速度最慢, 水化热最小, 主要对后期强度

有贡献。而水泥新标准中增加了C3S、C3A 的含量,并使水泥细度趋于细(水泥越细, 体表面积越大) , 这使混凝土中胶凝材料的水化速度加剧, 放热速度变快, 升温更加迅速。

2. 2 水灰比对温度收缩的影响

水灰比是单位体积混凝土中水泥用量(质量) 与用水量(质量) 的比值。水灰比越小, 单位体积混凝土中水泥用量越大, 则在混凝土凝结硬化中水泥水化放出的热量越多, 温升就越快, 混凝土内外温度越悬殊, 在混凝土表面越容易出现收缩开裂。

2. 3 矿物掺和料对温度收缩的影响

美国混凝土学会出版的实用手册关于磨细粒状高炉矿渣在混凝土中应用的报告指出: 活性高的矿渣掺量要大于70% 时, 能有效降低混凝土的温峰。掺用粉煤灰, 尤其是采用大掺量粉煤灰的混凝土, 对改善早期热开裂更为有效。加拿大CAN -M ET (矿产与能源技术中心) 自1985 年以来, 对大掺量粉煤灰混凝土进行了全面系统的研究, 发现这种混凝土的水泥用量约为150 kgöm 3, 掺入高效减水剂并将水灰比控制在0130 左右, 可制备28 d 强度为30～ 50M Pa 、1 年强度达到60～ 100M Pa 的各种耐久性指标非常优异的混凝土。

2. 4 施工条件对温度收缩的影响

在施工场地, 骨料一般露天堆放, 夏季气候炎热, 太阳辐射使运达工地的水泥、砂、石常是滚烫的,搅拌后有时还要经过长距离运输才能到达浇注点,这样浇筑的混凝土构件常因内外温差过大在凝结硬化早期出现收缩裂缝。

2. 5 养护条件对温度收缩的影响

通常, 人们理解的养护主要是浇水。其实, 养护不仅是保持足够的湿度以满足水化的要求, 而且要在不同的环境温度下保持尽可能小的内外温差和控制恰当的升温、降温速度。传统的混凝土施工中, 往往要待混凝土表面收浆后再覆盖上麻袋浇水养护,而如今混凝土用水泥中C3S 和C3A 含量较高, 特别是施工温度较高时, 水泥的水化反应速度迅速、水化

放热速度快、早期强度发展也快, 混凝土很快失去可塑性, 此时, 若内外温差产生的膨胀应力过大, 很容易在混凝土表面出现温度收缩裂缝。温度控制不当,是造成混凝土温度收缩的主要原因之一。例如某工程混凝土墙在拆除模板时, 正值混凝土内部温度上升很快的时候, 由于施工人员“及时浇水”产生了“热震”, 结果混凝土表面立刻发生开裂。并非混凝土养护的时间越长越好, 混凝土凝结硬化中, 水泥的水化热是在生成凝胶的过程中放出的, 而凝胶形成的迟早与混凝土配合比、环境温度、湿度及风速等有关。因此, 对于混凝土的养护应根据其种类、环境温度、湿度进行即时、适时养护才是正确的方法。

3 控制温度收缩裂缝的方法

根据以上混凝土温度收缩裂缝产生机理及影响因素的分析, 提出减少混凝土温度收缩的五种针对措施。

(1) 选用开裂敏感性小的水泥。即尽量选用C3S、C3A 含量小,“比表面积”小的水泥, 避免使用高细度、早强型水泥。

(2) 选用抗裂性好的矿物掺和料(如磨细矿渣、粉煤灰)。在混凝土中掺加一定量的混合材料, 可以取代一定量的水泥, 使参与水化的水泥减少, 放出的水化热量减少。

(3) 在满足结构设计要求的强度条件下, 适当加大骨料的含量和水灰比, 减少水泥用量, 使水泥水化放出的热量减少, 混凝土内部的温升值降低, 从而使混凝土内外由于温差产生的膨胀应力减小。

(4) 注意改善施工条件, 降低材料的入模温度。比如在料场设置遮阳设施, 用冷水搅拌混凝土等。

(5) 加强养护。为了减小混凝土构件的内外温差, 在混凝土浇筑后及时(从初凝开始) 水养护或密封养护(即在混凝土浇筑后覆盖塑料薄膜, 待混凝土初凝后拆开塑料薄膜, 用木抹子搓表面两遍后, 在表面喷涂养护剂, 再覆盖塑料薄膜和保温材料, 待终凝后再洒水养护) , 以控制混凝土的降温速度。养护时应根据混凝土的种类、环境温度、湿度等来确定养护时间。水灰比低的, 应即时给予补水养护, 但养护时间可以短一些; 水灰比很大时, 自由水分多, 养护可待初凝后开始, 但养护时间要长一些;在相对湿度较大的潮湿地区, 湿养的影响不大, 但养护时间要长才能使其渗透性稳定; 掺用矿物掺和料

的混凝土, 由于掺和料的二次水化反应进行得较慢,故养护时间要长一些。

总之, 为了防止温度收缩裂缝的出现, 在混凝土施工中, 应从原料的选择、配合比的设计、施工及养护等几方面加强管理, 严格操作规程, 确保混凝土的质量, 达到控制混凝土温度收缩裂缝出现的目的。