建筑材料性能對(duì)混凝土早期裂縫的影響研究

閆世偉 馮 熊

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

混凝土的早期開(kāi)裂主要是由混凝土的異常凝結(jié)、水泥的異常膨脹、水泥的水化溫度、混凝土的泌水率、混凝土的沉陷、配合比的不當(dāng)、堿性骨料或已風(fēng)化的骨料、混凝土的縮水等引起的。如果早期混凝土開(kāi)裂控制不當(dāng)，就會(huì)給工程帶來(lái)難以估量的損失，而早期開(kāi)裂又是重要的影響因素。混凝土早期開(kāi)裂是由于施工中某一時(shí)刻受到應(yīng)力比混凝土結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度大，導(dǎo)致混凝土與材料間黏結(jié)斷裂，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫?；炷猎缙陂_(kāi)裂是施工中普遍存在問(wèn)題，而建材性能是影響混凝土早期開(kāi)裂重要因素，因此，要針對(duì)不同施工環(huán)境，合理選用不同建材，以防止和控制混凝土早期開(kāi)裂。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

原材料質(zhì)量對(duì)混凝土質(zhì)量影響較大，而混凝土質(zhì)量取決于原材料質(zhì)量，選擇優(yōu)質(zhì)原材料可以制備出優(yōu)良混凝土產(chǎn)品從而提高混凝土早期抗開(kāi)裂能力，所以在生產(chǎn)混凝土產(chǎn)品前，必須先解原材料組成和性能，然后才能進(jìn)行試驗(yàn)。

選擇甘肅祁連山水泥公司42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。水泥主要性能參數(shù)在表1~表2中有所體現(xiàn)。

表1 硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

表2 水泥中所含化合物

粗集料由甘肅華隴水泥有限公司生產(chǎn)，其表面密度為2660 kg/m。表3中列出碎石各項(xiàng)指標(biāo)及粒度等級(jí)。

表3 碎石性能指標(biāo)

細(xì)集料采用蘭州安寧河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，屬中砂，表觀密度為2581 kg/m， 各參數(shù)指標(biāo)和顆粒級(jí)配見(jiàn)表4。

表4 砂技術(shù)指標(biāo)

粉煤灰選取蘭州二熱廠二次粉煤灰為原料，物性參數(shù)和化學(xué)組成見(jiàn)表5。

表5 粉煤灰物理性能

纖維由河北省一家纖維廠供應(yīng)，SF是衡水市一家生產(chǎn)。由一家鋼鐵纖維廠供應(yīng)，其主要物理性能參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 纖維物理性能

試驗(yàn)所用減水劑用聚羧酸類減水劑減水率為28%，并按GB 8076—2008標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。所用水均為A市本地自來(lái)水，所有水質(zhì)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)儀器

采用平板試驗(yàn)方法，在混凝土板成形24 h后利用裂縫觀測(cè)儀對(duì)其寬度、長(zhǎng)度進(jìn)行觀察，找出其條數(shù)。試驗(yàn)利用海創(chuàng)高科HC-U8型超聲多用途混凝土裂縫寬度和深度進(jìn)行測(cè)試；2盞1500 W碘鎢燈；每秒5m~7m風(fēng)機(jī)；棉花數(shù)米。

該試驗(yàn)采用鋼板試模進(jìn)行裂紋斷裂試驗(yàn)，采用600mm×600mm×63mm方板。該試驗(yàn)?zāi)＞哂傻装?、模框和鋼筋框組成，底模底板內(nèi)有一層塑料薄膜，以減少底模對(duì)試樣收縮變形；在該設(shè)備邊框內(nèi)，設(shè)置14個(gè)10×100mm雙排螺桿（螺桿長(zhǎng)度），該設(shè)備中設(shè)置一條用于防止混凝土與周圍框架分離，但不能限制框架中混凝土自由塑性收縮，并確保在板段內(nèi)產(chǎn)生裂紋。平板抗裂測(cè)試用模具如圖1所示。

圖1 裂縫觀測(cè)儀及平板抗裂試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)選取3種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，即C25、C30、C35，各強(qiáng)度等級(jí)混凝土各有3種不同的水膠比例，采用單變量法，只考慮單因素影響，試驗(yàn)中的混凝土配合比例是固定的，其配比見(jiàn)表7。

表7 混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用3種不同的水泥混合比例，即0.34、0.36、0.38，砂率35%，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，每種混合料的坍落度都在110 mm~180 mm。在試驗(yàn)中，混凝土混合料采用手工拌和法，拌和后立即進(jìn)行試模。將試模放置在平坦的地面上，在試模的底部鋪上塑料片，按照所需的配比進(jìn)行攪拌，然后將混合料均勻倒入模具框架中，用平板振搗機(jī)將攪拌塊壓緊，使之變得光滑。在試樣成形后，將試樣放置在25℃、恒定相對(duì)濕度的環(huán)境下，在試樣表面0.8m處用2盞1000 W的碘鎢燈進(jìn)行加熱，同時(shí)用5 m/s~7 m/s的風(fēng)機(jī)直接吹拂試樣的表面，并且將風(fēng)向保持與試樣表面平行，這樣，風(fēng)機(jī)就可以以5 m/s~7 m/s的速度通過(guò)被檢測(cè)的混凝土表面；保持成形養(yǎng)護(hù)24 h。在試驗(yàn)件澆筑完畢后，立即進(jìn)行計(jì)時(shí)，并記錄首次裂紋產(chǎn)生的時(shí)間；在試樣成形和養(yǎng)護(hù)24h后，采用HC-U8型超聲多用超聲探傷儀對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，采用平板法對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行了檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納和總結(jié)，得出在混凝土的早期抗裂性能測(cè)試結(jié)果。

從表8抗裂性能測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)粉煤灰摻量、砂率、坍落度一定時(shí)，裂縫總條數(shù)、最大裂縫寬度、值都有降低的趨勢(shì)；與SSF4比較，SSF6裂縫數(shù)、最大裂縫寬度、裂縫長(zhǎng)度分別下降60.0%、51.9%和34.6%；與SSF7比較，SSF9裂縫數(shù)、最大裂縫寬度、裂縫長(zhǎng)度分別下降50.0%、50.8%和19.6%；結(jié)果表明，水泥比在預(yù)拌混凝土中起到了一定的作用；在相同的粉煤灰摻入量下，3個(gè)組分中，水膠比0.38時(shí)的抗裂性要好于其他兩個(gè)組分；在3種不同比例的粉煤灰摻入量下，其整體抗裂性能明顯高于其他摻入量。為更直觀地了解水泥漿料比和混凝土的早期抗裂特性，利用表8的實(shí)測(cè)資料，繪出了混凝土的水膠比和開(kāi)裂率之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 混凝土裂縫面積比關(guān)系曲線

表8 材料對(duì)混凝土抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)水泥強(qiáng)度與集料結(jié)合強(qiáng)度是由混凝土收縮特性決定，因此，水泥性質(zhì)對(duì)混凝土早期開(kāi)裂起重要作用。由于分子間作用力作用，使水泥中分子間存在間隙，從而對(duì)水泥強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，而水泥顆粒直徑越小，水泥水化速率和凝固速率就會(huì)加快，水泥在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生水化，從而使混凝土凝固更快、更早地完成凝固，從而大大提高混凝土早期強(qiáng)度，降低混凝土早期開(kāi)裂。通過(guò)對(duì)水泥細(xì)度分析，發(fā)現(xiàn)在75μm以上水泥顆粒會(huì)使水化率下降，從而限制混凝土收縮。隨著對(duì)混凝土的深入研究，混凝土強(qiáng)度也有很大提高，水泥應(yīng)用也在不斷增加，混凝土比例也不斷提高，混凝土熱脹率也隨之提高。不同牌號(hào)水泥性能差異很大，如C3A含量高，其他情況不變，則收縮速率增大，抗裂能力下降。在C3S含量高情況下，在不改變其他因素情況下，收縮速率減小，抗裂性能提高。由于不同品牌水泥成分存在差異，如果在施工過(guò)程中摻入不同品牌水泥，就會(huì)顯著提高混凝土早期開(kāi)裂發(fā)生概率，所以采用同一種類型的水泥是保證工程質(zhì)量的必要措施。

沙粒粒徑通常也會(huì)影響到混凝土開(kāi)裂，沙粒大小越大，所需膠質(zhì)也就越多，而且還要根據(jù)水泥用量而定，所以，混凝土粒徑最好是采用粗砂。粗集料等級(jí)和配合比對(duì)混凝土收縮有很大影響。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)，粗集料配比和等級(jí)與水泥摻入量有關(guān)，如果使用較小粒度，就必須使用更多針狀集料，以便更好地包覆粗集料。因此，當(dāng)水泥和水摻入量較大時(shí)，必須科學(xué)地選擇集料等級(jí)、配比、粒徑，以降低水泥用量，有效地控制混凝土收縮。集料中泥質(zhì)含量會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。因此必須嚴(yán)格按照科學(xué)比例進(jìn)行配合骨料，如有需要，應(yīng)增加水泥用量，使混凝土具有較大的收縮率。

一般情況下，集合體響應(yīng)取決于張拉力。同時(shí)堿液和活性材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，就無(wú)法阻止這種反應(yīng)，所以要分析造成這種現(xiàn)象的原因。

為有效地預(yù)防裂縫，在摻入外加劑時(shí)，要根據(jù)配合規(guī)程，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和分析，避免產(chǎn)生不良影響，同時(shí)，在摻入過(guò)程中，也要加入減水劑、膨脹劑等化學(xué)成分，再加上加氣劑，可大大降低用量，達(dá)到更好效果。例如混凝土收縮能力可降低，并且整體黏結(jié)性更好，這對(duì)混凝土強(qiáng)度有很大的幫助。由于使用不同添加劑，它們自身會(huì)引起混凝土收縮，這是由于其自身成本原則，因此，它在控制混凝土開(kāi)裂方面效果并不明顯。在添加某些助劑或加氣劑時(shí)，應(yīng)確保其他組分不變，從而有效地減少混凝土開(kāi)裂可能性。

在實(shí)際施工中，對(duì)集料粒徑及級(jí)配進(jìn)行詳細(xì)規(guī)范，如：商品混凝土含沙率為40%，普通混凝土含沙率為5 mm~20 mm，而普通混凝土粒徑要比商品混凝土稍小，而普通混凝土粒徑要比商品混凝土稍大，一般混凝土粒徑要比商品混凝土稍大，因此在一定程度上會(huì)降低混凝土黏結(jié)能力，從而增加混凝土早期開(kāi)裂概率。

粉煤灰是一種反應(yīng)物質(zhì)，它是一種反應(yīng)物質(zhì)，通過(guò)加入反應(yīng)，加速反應(yīng)，產(chǎn)生更多物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)占據(jù)混凝土空隙和小孔，從而提高混凝土致密程度。在施工期間，若不合理地?fù)饺敕勖夯遥瑫?huì)造成初期混凝土強(qiáng)度偏低，在施工期間，如果沒(méi)有采用正確的防護(hù)措施或過(guò)度施工，則易造成混凝土早期開(kāi)裂。受重力作用，在振搗作業(yè)過(guò)程中，由于高密度混凝土壓力，粉煤灰會(huì)逐步上升，最后在水泥地面上形成一層細(xì)密粉煤灰，因此影響水泥中的水化反應(yīng)。

礦物摻合料是一種可改善混凝土耐用性建材，如果在施工中，礦物摻合料用量超過(guò)合理范圍，就會(huì)導(dǎo)致混凝土早期開(kāi)裂概率增大，所以在實(shí)際施工中應(yīng)嚴(yán)格控制礦物摻合料用量。

4 混凝土早期裂縫的應(yīng)對(duì)的措施

4.1 科學(xué)合理地選用原材料

原材料選擇是為保證產(chǎn)品在使用中收縮性和耐用性，所以要考慮到水泥細(xì)度和用量，合理地控制原材料性質(zhì)，調(diào)整原料比例，調(diào)整原料比例，提高建筑工程整體質(zhì)量。首先，要對(duì)砂粒細(xì)度進(jìn)行嚴(yán)格控制，一般控制在2.8 mm~3.0 mm，所選用砂粒中淤泥含量不超過(guò)2%。選用砂礫含泥量為1%，選用優(yōu)質(zhì)碎石。

4.2 科學(xué)配合比

通常情況下，在混凝土配制與配比中，精度與合理性是關(guān)鍵，必須嚴(yán)格按照施工規(guī)程，并進(jìn)行科學(xué)、合理地配比。在混凝土配比時(shí)，可根據(jù)目前的配比，也可根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，選擇合適配比，這樣才能保證混凝土性能。同時(shí)也要注意配合規(guī)范性，以免浪費(fèi)。此外，在不提高成本的前提下，通過(guò)減少用量、保證含沙量和灰分，使混凝土性能更好地反映出混凝土抗裂性。

4.3 合理使用粉煤灰

在實(shí)際施工中，粉煤灰是混凝土生產(chǎn)中的重要成分，其化學(xué)組成和性質(zhì)都較好，密度較低，所以在配制混凝土?xí)r，必須選用活性較高、堆積密度較低的集料，這也說(shuō)明粉煤灰的重要性和配合性，粉煤灰水化熱要比其他材料低得多，所以粉煤灰更適宜于混凝土使用，同時(shí)也能保證其抗烈性。

4.4 優(yōu)化試驗(yàn)配方

由于混凝土在建筑業(yè)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，因此其應(yīng)用場(chǎng)合也很多，必須不斷重復(fù)試驗(yàn)，加大對(duì)建材的研發(fā)力度，實(shí)地調(diào)研，統(tǒng)計(jì)目前建筑業(yè)存在不足和亟需解決問(wèn)題，并將其資料送到實(shí)驗(yàn)室，與有關(guān)部門合作，研究最佳配比，并在建筑工地上進(jìn)行小規(guī)模試驗(yàn)，如果試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，可在全國(guó)推廣。

5 結(jié)論

總之，混凝土性能受多種因素的影響，而早期混凝土開(kāi)裂成因也很復(fù)雜，除自身特性和性能外，還受到外部因素影響，隨著時(shí)間推移，混凝土自身特性也會(huì)隨之改變。所以，要想防止混凝土開(kāi)裂，必須從多個(gè)方面進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員要注意其成因和現(xiàn)象，這是今后建筑行業(yè)面臨另難題和難題，加強(qiáng)對(duì)材料選擇、配比設(shè)計(jì)、粉煤灰、外加劑選擇與管理，是今后提高混凝土整體質(zhì)量的重要保證。