水泥品質(zhì)對(duì)混凝土抗裂性影響

　　1.引言
　　傳統(tǒng)理論方式混凝土是按強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，衡量混凝土質(zhì)量的最終標(biāo)準(zhǔn)主要是混凝土的強(qiáng)度。因此混凝土生產(chǎn)商對(duì)水泥質(zhì)量品質(zhì)的要求也就是強(qiáng)調(diào)其強(qiáng)度，造成近年來(lái)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫尤其是早期開(kāi)裂的現(xiàn)象日益普遍。其原因很復(fù)雜。單從水泥來(lái)說(shuō)，比表面積、礦物組成中C₃A、C₃S、堿含量的增加，外加劑的摻入量和外加劑的品種性能，溫度過(guò)高的出廠水泥用于混凝土攪拌站，都增加了開(kāi)裂的敏感性，降低了混凝土的流變性能，這是混凝土的原材料中影響混凝土產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。因此，應(yīng)當(dāng)把抗裂性作為水泥質(zhì)量品質(zhì)的重要要求。
　　隨著商品混凝土的普及，混凝土的早期開(kāi)裂現(xiàn)象普遍增多，一般情況無(wú)外乎以下兩種現(xiàn)象：
　?。?） 塑性開(kāi)裂
　　由于塑性階段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表層混凝土的失水收縮，受內(nèi)部混凝土與鋼筋的約束造成受拉開(kāi)裂?，F(xiàn)今水泥的早強(qiáng)特性及外加劑的摻加使用不適當(dāng)，使得混凝土較快或者過(guò)于緩慢凝結(jié)。凝結(jié)較快時(shí)易造成塑性開(kāi)裂；當(dāng)混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于塑性狀態(tài)，將增加其塑性開(kāi)裂的可能性。
　?。?）早期硬化開(kāi)裂
　　早期硬化混凝土有一個(gè)極限拉應(yīng)變最低的時(shí)段，而現(xiàn)在水泥早期產(chǎn)生的水化熱，水泥膠凝材料的高細(xì)度和低水膠比，因高效減水劑造成的濕潤(rùn)角和毛細(xì)孔水力半徑的降低，使得毛細(xì)孔壓力增加，早期收縮(包括自收縮)可能在混凝土凝固初期就超過(guò)它的極限應(yīng)變值而造成開(kāi)裂。因此，為保障混凝土的后期性能，選擇合適的早期性能水泥、摻合料(品種、摻量)、外加劑對(duì)混凝土的凝結(jié)影響是極其重要的。
　　2 下面將要分別研究水泥比表面積、礦物組成中C₃A、C₃S、堿含量，外加劑的品種性能等因素對(duì)混凝土抗裂性造成的影響：
　　2.1水泥礦物組成的影響
　　硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，C₃A、C₃S、C₂S、C₄AF它們的水化性質(zhì)不同，在水泥中所占比例不同時(shí)將影響對(duì)水泥整體的性質(zhì)。C₃A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)揮時(shí)期。C₃S的水化熱雖然比C3A的小很多，但在3天卻是C₂S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C₃A的收縮率是C₂S收縮率的3倍，是C₄AF的 4～5倍。因此用C₃A含量較大的早強(qiáng)水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開(kāi)裂。
　　2.2各種外加劑對(duì)混凝土性能的影響
　　2.2.1減水劑
　　當(dāng)高效減水劑產(chǎn)品一定時(shí)，水泥的成分(主要是含堿量、C₃A及其相應(yīng)的SO₃含量)和細(xì)度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。近年來(lái)隨著水泥細(xì)度的變化加劇了水泥與高效減水劑的相容性問(wèn)題。 混凝土干縮主要與混凝土中5～30nm孔徑毛細(xì)孔所保持的水分有關(guān)；減水劑在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛細(xì)孔孔經(jīng)減小。 摻加高效減水劑后，低水灰比使集料和水泥石間的彈性模量減小，集料水膜層厚度減薄，過(guò)渡區(qū)Ca(OH) ₂及AFt的大小及趨向程度大大減小，導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)毛細(xì)孔細(xì)化，增強(qiáng)過(guò)渡區(qū)收縮而開(kāi)裂。
　　2.2.2膨脹劑
　　膨脹劑因鈣礬石(C₃A·3CaSO₄·32H₂O)的生成產(chǎn)生體積膨脹，從而補(bǔ)償混凝土的收縮。摻膨脹劑混凝土只有在限制條件下，才能使混凝土硬化漿體和界面至密，存儲(chǔ)膨脹能，因此，限制膨脹率是使用膨脹劑的基本指標(biāo)。硫鋁酸鹽類(lèi)膨脹劑，水泥水化后形成的鈣礬石，其結(jié)晶水的吸附和脫離是可逆過(guò)程。在干燥條件下比一般水化礦物更易脫水，因此干縮較大。為了防止收縮裂縫，應(yīng)選擇膨脹結(jié)束后收縮較小的膨脹劑。鈣礬石的生成需要大量的水，當(dāng)水分供應(yīng)不充分時(shí)，會(huì)消耗內(nèi)部會(huì)與水泥爭(zhēng)奪水份，加劇自收縮。較多的SO₃含量會(huì)造成延遲鈣礬石的形成，導(dǎo)致混凝土的后期開(kāi)裂。
　　2.2.3低水膠比混凝土的自收縮
　　隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步，高效減水劑的使用，出現(xiàn)了低水膠混凝土，隨著水化的進(jìn)行試件表面的水分向內(nèi)部遷移，水膠比越小，在混凝土硬化后這種遷移越困難，內(nèi)外差別越小，內(nèi)部含水率也越低。硬化后的混凝土，水泥水化的化學(xué)減縮會(huì)使混凝土的內(nèi)部形成毛細(xì)孔。當(dāng)孔隙水的遷移速率低于毛細(xì)孔的形成速率時(shí)，則內(nèi)部含水率自發(fā)地降低，孔隙濕度降低，引起毛細(xì)管壓力增大，而加重自干燥收縮。自干燥產(chǎn)生的原始裂縫，將影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。
　　2.2.4粉煤灰
　　粉煤灰加入水泥混凝土中，將降低水化速率，使導(dǎo)水化較快的膨脹劑的膨脹效率降低。粉煤灰與Ca(OH)₂的火山灰效應(yīng)將增大混凝土中的凝膠份額，使更多的膨脹能消耗在凝膠的粘性流動(dòng)中。粉煤灰等量替代硅酸鹽水泥，在粉煤灰漿體有相同的水膠比下與硅酸鹽水泥相比，由于早期粉煤灰反應(yīng)程度較小，粉煤灰水泥漿體的空隙率明顯大于硅酸鹽水泥漿體。在混凝土凝結(jié)后期，粉煤灰與水泥水化生成的Ca(COH)₂亦生成C-S-H凝膠。這部分水化生成物一部分沉積在粉煤灰顆粒表面，另一部分填充在水泥水化生成物如Ca(COH) ₂粗晶體與C-S-H凝膠之間的粗空中，使整個(gè)漿體孔發(fā)生細(xì)化，整個(gè)收縮將向硅酸鹽水泥混凝土靠近，能夠有效地提高混凝土早期的抗裂性能。
　　2.2.5礦 粉
　　現(xiàn)今一般使用的超細(xì)礦粉，使整個(gè)膠結(jié)材料的粒徑分布發(fā)生變化，改進(jìn)基體與界面的孔結(jié)構(gòu)。礦粉的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥，則產(chǎn)生填充作用，使得混凝土的孔洞結(jié)構(gòu)細(xì)化。超細(xì)礦粉從幾乎是由玻璃體組成，高鈣玻璃相與高鋁中硅玻璃相的復(fù)合體系水化液相主要為Ca²⁺、AlO^2-和SiO₂^-4。當(dāng)有SiO₂^-4存在時(shí)，則生成穩(wěn)定性好，溶積度小的AFt，這又促使兩種玻璃體失去穩(wěn)定性，加上較大的比表面積，使超細(xì)礦粉具有較高的活性，與Ca(OH) ₂反應(yīng)生成較多的成C-S-H凝膠，并使得過(guò)渡區(qū)和基體的孔隙細(xì)化，有實(shí)驗(yàn)證明其等量替代混凝土的早期自干燥收縮較大，后期收縮與未摻礦粉的混凝土相當(dāng)。
　　2.2.6 合成纖維
　　在混凝土的塑性收縮狀態(tài)下，若在其中摻加適量的細(xì)纖維，并使細(xì)纖維成三維網(wǎng)絡(luò)狀分布，則可承受因不一致的變形而引起的內(nèi)應(yīng)力，從而抑制塑性裂縫的生成與發(fā)展。纖維在塑性混凝土階段的阻裂效應(yīng)，可以看作是纖維對(duì)塑性混凝土的增強(qiáng)作用，這種增強(qiáng)作用的有效性主要和纖維在混凝土中的分散程度有關(guān)，即纖維愈細(xì)，纖維間距愈小，增強(qiáng)作用愈有效。
　　2.3 水泥細(xì)度對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響
　　目前，在我國(guó)大多數(shù)水泥粉磨條件下，水泥磨得越細(xì)，其中的細(xì)顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強(qiáng)度，引起徐變松馳能力下降，彈性模量增加。粒徑在1μm以下的顆粒水化很快，幾乎對(duì)后期強(qiáng)度沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。倒是對(duì)早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻(xiàn)--水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早；因水化快消耗混凝土內(nèi)部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮；使收縮速度大大增加，細(xì)顆粒容易水化充分，產(chǎn)生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長(zhǎng)期性能。
　　2.4 水泥中含堿量和混凝土開(kāi)裂的關(guān)系
　　堿能促進(jìn)水泥的收縮開(kāi)裂。堿-骨料反應(yīng)必須在混凝土中有足夠的含堿量、足夠數(shù)量的堿活性骨料和足夠的水分供應(yīng)這三個(gè)條件同時(shí)存在的情況下才會(huì)發(fā)生，并不要求任何情況下都限制水泥的含堿量，但是，促進(jìn)混凝土收縮裂縫的生成和發(fā)展以至造成混凝土結(jié)構(gòu)物的劣化，卻是高含堿量水泥對(duì)混凝土更大的安全威脅。不管是否使用活性骨料，必須將水泥中的含堿量減到最少。
　　3.對(duì)水泥抗裂性評(píng)價(jià)和選擇方法的推薦
　　用環(huán)形約束試驗(yàn)評(píng)價(jià)水泥對(duì)混凝土抗裂性的方法已有60多年的歷史。Burrows建議使用Blaine的方法評(píng)價(jià)水泥的抗裂性：開(kāi)裂時(shí)間<1h的是很差的水泥，開(kāi)裂時(shí)間>15h的為優(yōu)。研究結(jié)果表明：用環(huán)形試驗(yàn)評(píng)價(jià)的混凝土所用膠凝材料的抗裂性結(jié)果是有效的。這種試驗(yàn)當(dāng)使用熱膨脹系數(shù)小的材料時(shí)，不僅可檢測(cè)水泥的干縮開(kāi)裂性能，還可檢測(cè)由于溫度收縮引起的開(kāi)裂性能。
　　4.討論和建議
　　4.1 眾所周知，凡是能提高混凝土早期強(qiáng)度的因素，都會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，目前在配制混凝土?xí)r都有較大的強(qiáng)度富余，以期補(bǔ)償這種后期強(qiáng)度的損失，這無(wú)疑造成很大的浪費(fèi)。事實(shí)上現(xiàn)在看來(lái)，問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)比此種行為更為嚴(yán)重，早期的高強(qiáng)度所帶來(lái)的后患是混凝土結(jié)構(gòu)物提早劣化。因此，除非工程有特別特殊需要，一般情況下應(yīng)盡量避免使用早強(qiáng)水泥。
　　4.2混凝土早期高強(qiáng)度的需求促使了水泥向高C₃S和高C₃A、高比表面積方向發(fā)展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細(xì)礦物摻和料的使用，以及水泥出廠溫度普遍過(guò)高以及各種混凝土外加劑的使用，造成在約束狀態(tài)下的混凝土因溫度收縮、自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，早期的低徐變無(wú)法緩解這種應(yīng)力，而產(chǎn)生早期裂縫；內(nèi)部不可見(jiàn)的微裂縫在混凝土長(zhǎng)期使用過(guò)程的：廠燥環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因。
　　4.3高含堿量的水泥會(huì)生成抗裂性能很差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有堿活性，都應(yīng)當(dāng)限制對(duì)水泥和混凝土中的含堿量。