1、水泥细度与水泥混凝土硬化收缩性能之间的关系研究【摘要】混凝土裂缝产生的影响因素比较复杂，也比较多。本文分析其中常见的几种混凝土开裂的情况与水泥之间的关系，从施工工艺和技术角度剖析硬化收缩的关系，加强施工管理，提高施工质量，从混凝土的原材料质量控制做。科学进行配合比设计。 【关键词】水泥细度硬化收缩性能混凝土开裂 施工工艺 Abstract concrete cracks the complex influence factors, and more. This paper analyses the common types of the cracking of concrete and the
2、 relationship between cement, from construction technology and technical aspects of hardening contraction relationship, strengthen construction management, improve construction quality, from raw material of concrete quality control. Scientific proportioning design. Key words cement fineness, hardeni
3、ng shrinkage, cracking of concrete, construction technology 中图分类号：TU528.45 文献标识码：A 文章编号： 1.混凝土开裂情况的现状及对工程的危害 自 20 世纪初起,人们就已经认识到大体积水工混凝土会因为水泥水化时放热散发缓慢而产生明显的温升, 并在随后的降温过程体积收缩受约束而出现开裂。为了减小水化放热产生的影响, 开始采用掺火山灰的办法。30 年代又开发出低热水泥, 以后还利用加大粗骨料粒径、非常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注层高和管道冷却等措施, 进一步获得降低水化温峰、抑制温度裂缝的效果。 混凝土裂缝产生
4、的影响因素比较复杂，也比较多。目前还没有精确的公式可以事先准确计算，加之施工中有很多不确定因素，对裂缝的控制仍处于半经验半理论的阶段。因此，可以通过逐一分析各影响因素，调整混凝土的内部和外部条件，尽可能的减小混凝土的收缩量和收缩速度,避免裂缝的产生和扩展。 混凝土广泛应用于水电、核电、桥梁、隧洞、国防建筑物等重要工程，这些工程由于工程量大、施工复杂、投资大、一旦发生质量问题, 后果严重。而目前大体积混凝土由于施工中的各种原因易产生裂缝,严重危害工程质量，是大体积混凝土施工的技术难点。 2. 混凝土开裂的原因及收缩种类 2.1. 混凝土开裂的原因 温度应力产生的裂缝。混凝土在硬化期间经历从低温到
5、高温再到低温的温度变化过程，水泥产生大量水化热，内部温度不断上升，在混凝土表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力，当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，就会出现裂缝。 混凝土塑性塌落引起的裂缝。 混凝土加水拌和后，水泥中的碱性物质与骨料中活性氧化硅等起反应，析出的胶状碱硅胶从周围介质中吸水膨涨，体积增大 3 倍，从而使混凝土涨裂产生裂缝。 许多混凝土虽然内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化，如养护不当、时干时湿，表面干缩变形受到内部混凝土体的约束，也往往产生裂缝。 构件超载
6、产生的裂缝，例如，构件在超出设计的均布荷载或集中荷载作用下产生内力弯矩，出现垂直于构件纵轴的裂缝，构件在较大剪力作用下，产生斜裂缝，并向上、下延伸。 当结构的基础出现不均匀沉陷，就有可能产生裂缝，随着沉陷的进一步发展，裂缝会进一步扩大。 当钢筋混凝土处于不利环境中，例如，侵蚀性水，由于混凝土保护层厚度有限，特别是当混凝土密实性不良时，环境中的氯离子等和溶于水中的氧会使混凝土中的钢筋生锈，生成氧化铁，氧化铁的体积比原来金属的体积大得多，铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生挤压，使混凝土胀裂。 有的混凝土虽然设计抗裂强度高，但由于原材料质地不均匀、水灰比不稳定以及运输和浇筑过程中的离析现象，同一块体混凝
7、土中其抗拉强度存在不均匀现象，存在易于出现裂缝的薄弱部位。 2.2. 混凝土收缩的分类 混凝土的收缩现象有干燥收缩、温度收缩,自身收缩、塑性收缩和碳化减缩等五大类型。比较熟悉的是干燥收缩和温度收缩，这里着重介绍的是自身收缩, 还顺便提及塑性收缩问题。自身收缩与干缩一样,是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降, 形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。如当水灰比大于 015 时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小
8、得可以忽略不计，但是当水灰比小于 0135 时，体内相对湿度会很快降低到 80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。 自身收缩在混凝土体内均匀发生， 并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收缩集中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后, 因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩。 还有塑性收缩，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝
9、土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以在上述情况下混凝土浇注后需要及早覆盖。 3. 减少收缩、提高混凝土抗裂性的措施 混凝土的早期开裂主要由混凝土失水产生的干燥收缩、水泥水化产生的混凝土自收缩以及水泥水化热产生的温度应变所引起，它涉及混凝土所用的材料 （特别是水泥） 、生产工艺 （配合比、强度设计等）以及施工方法（浇注、养护） 等诸多问题，必须通过水泥生产者、混凝工作者和施工人员共同努力，各自采取相应的措施综合解决。 针对大体积混凝土
10、温度裂缝成因，可从几方面制定防裂措施，即减小温度变形和内外温差、消除或减小约束程度和提高抗拉能力. 3.1水泥细度对抗裂性的影响 目前，我国大多数水泥厂粉磨技术较高，尤其许多水泥厂多通过增加水泥细度，来增加水泥的早期强度,，水泥磨的越细，其中的细颗粒越多，水泥的比表面积增大，越易提高水泥早期强度。但这其中就有一个弊端粒径在 1m 以下的颗粒不到一天就完全水化，几乎对后期强度没有任何贡献，因而水化快消耗混凝土内部的水分较快，引起混凝土的自干燥收缩，细颗粒容易水化充分，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物，粗颗粒的减少，减少了稳定体积的未水化颗粒，因而影响到混凝土的长期性能，我们现有的混凝土结
11、构，一般的设计寿命是 60 年，而有专家预测，由于超细的水泥颗粒含量太多，50 年后，我们的混凝土强度只能达到设计强度的 40。 另外，随着比表面积增加，与使用相同高效减水剂的适应性差。坍落度损失快，为减少流动度损失需要增加更多掺量的高效减水剂。不仅增加施工费用，而且可导致混凝土中水泥用量的增加，影响混凝土的耐久性，同时，水泥细度太细还会影响混凝土的抗冻性、抗裂性。 3.2.使用水化热低的水泥 由于矿物成分及掺合料数量不同，水泥的水化热差异较大。铝酸三钙和硅酸三钙含量高的，水化热较高；掺合料多的水泥水化热较低。因此选用低水化热或中水化热的水泥品种配制混凝土，如矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰水泥、复合水
12、泥等. 不宜使用早强型水泥。 3.3.降低水泥用量和水的用量 水泥水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。干湿和化学变化也会造成体积变化，但通常都远远小于水泥水化热产生的体积变化. 因此，除采用水化热低热水泥外，要减小温度变形，还应千方百计地降低水泥用量，减少水的用量。根据试验每减少 10kg 水泥，其水化热将使混凝土的温度相应升降 1。 3.4.采用线胀系数小的骨料 混凝土由水泥浆和骨料组成，其线胀系数为水泥浆和骨料线胀系的加权 ( 占混凝土的体积 ) 平均值。水泥浆的系数为 11 1610-6/; 骨料的线胀系数因母岩种类而异。不同岩石的线胀系数差异很大。大体积混凝土中的
13、骨料体积占 75以上，采用线胀系数小的骨料对降低混凝土的线胀系数，从而减小温度变形的作用是十分显著的。 3.5.采用合理的施工方法 大体积混凝土不宜采用泵送。因为限制了骨料最大粒径，且要求流动度大, 结果水泥用量大，水化温升高，是十分不利防裂的。大体积混凝土应采用吊罐吊运，或其他运输方，以适应大的骨料和较小的流动度。若只能泵送，则应在浇筑块中埋设大量石块，以降低水泥用量。 在低温季节、低温时段浇筑。除水泥水化温升外，混凝土本身的温度也是造成体积变化的原因。有条件的应尽量避免在夏季浇筑。若无法做到，则应避免在午间高温时浇筑。 拌和混凝土时，拌和水内可以加冰削(可降低 34)和冷却骨料(可降低 1
14、0以上)。在结构内埋设水管,通过低温水冷却，冷却的效率高，冷量损失小.浇筑块不太厚的，可采用表面流水冷却，也有较好效果。做好表面隔热保护。大体积混凝土的裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于内外温差过大产生的。浇筑后，水泥水化使混凝土温度升高，表面易散热温度较低，内部不易散热温度较高，相对地表面收缩内部膨胀，表面收缩受内部约束产生拉应力。但通常这种拉应力较小，不至于超过混凝土抗拉强度而产生裂缝。只有同时遇冷空气袭击，或过水或过分通风散热，使表面降温过大时才会发生裂缝 (浇筑后 5 20d 最易发生) 。表面隔热保护防止表面降温过大, 减小内外温差, 是防裂的有效措施。 使用微膨胀水泥。使用微膨胀水泥
15、的目的，是在混凝土降温收缩时膨胀，补偿收缩，防止裂缝。 控制混凝土入模温度。为了降低大体积混凝土的总温升，减少结构物的内外温差，控制混凝上的入。 模温度是非常重要的措施。根据我国工程实践经验，建议混凝上最高入模温度宜控制在 32以下。 延缓混凝土降温速率。大体积混凝土浇筑后，加强其表面保温、保湿养护，对防止混凝土产生裂缝具有重要作用。 3.6.消除或降低约束, 加强构造设计 防止大体积混凝土产生温度裂缝，在改善边界约束和构造设计方面，也可采取一些技术措施。如合理分段挠筑、设置滑动层、合理配置钢筋、设置缓冲层、避免应力集中等。施工中采取的主要措施是采用后浇带法，即将混凝土结构分成若干段，混凝土浇
16、筑 30 40d 后再用混凝土封闭。后浇带是施工期间留设的临时性温度和收缩变形缝，它能有效地减小混凝上温度应力和收缩应力。在正常的施工条件下，后浇带的间距一般为2030m，宽度为 0.510m 左右。在结构应力集中的部位，宜加抗裂钢筋作出局部加强处理，在必须分段施工的水平施工缝部位， 增设暗梁防止裂缝开展等。 外部约束主要决定于基岩或老混凝土的弹性模量。弹性模量越高，约束程度越大。对于必须与基岩或老混凝土连接的建筑物，如大坝，要降低基岩的弹性模量是难以做到的，要降低下层混凝土的弹性模量，则应在其未充分硬化时浇筑。对于允许和基岩或老混凝土脱离的建筑物，如大型设备基础，则可采用以下措施消除外部约束
17、： 1）岩石上可铺一薄层砂砾石；2）老混凝土上可铺沥青油毡，通常采用一毡一油作法；3）侧面为岩石或老混凝土时，亦可用沥青油毡隔。 3.7.提高混凝土极限抗拉能力 由于科学技术水平的限制，要改变混凝土的脆性，显著提高抗拉能力是难以做到的。在当前只有提高强度和增加水泥浆体积，也就必然要提高水化温升，增大体积变化，不利防裂。同时由于强度提高，使徐变减小，降低内应力的松弛效果，也不利于防裂。所以用增加水泥用量来提高混凝土抗拉能力以防止裂缝，是弊大于利的。可以考虑采取以下措施： (1)选择良好级配的粗骨料，严格控制含泥，加强振捣； (2)采取二次投料法或二次振捣法，浇筑后及时排除表面积水； (3)在混凝
18、土内设置必要的温度钢筋，在变截面和转折处，如底、板与墙转折处和孔洞转角顶处等，增设斜向构造钢筋，以改善应力集中。 3.8.加强施工监测工作 对大体积混凝土进行温度监测是一项很重要的技术措施，它有助于及时准确地掌握情况，为采取处理措施提供科学依据。监测混凝土内部的温度，一般用混凝土温度测定记录仪，它连着打印系统，可将各测点温度打印在记录纸上，也可以直接读数。根据各测点的温度，可及时绘制出混凝土内部温度变化曲线，对照混凝土理论计算值，分析存在的问题，有的放矢地采取相应的技术措施。 3.9.加强施工管理 工程实践证明，大体积混凝土裂缝的出现与其质量的不均匀性有很大关系，混凝土强度不均匀，裂缝总是从最弱处开始出现，当混凝土质量控制不严，混凝土强度离散系数大时，出现裂缝的机率就大。加强施工管理，提高施工质量，必须从混凝土的原材料质量控制做。科学进行配合比设计。施工中严格按照施工规范操作，特别要加强混凝土的振捣和养护，确保混凝土的质量，以减少混凝土裂缝的发生。
