泡沫混凝土的變形和開裂問題及其可能的控制途徑

1、泡沫混凝土的變形和開裂問題及其可能的控制途徑潘志華（南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇南京）泡沫混凝土行業(yè)網(wǎng)：/【摘要】本文從混凝土材料在外力及各種環(huán)境因素作用下發(fā)生變形和開裂的基本作用機制出發(fā)，結(jié)合泡沫混凝土的組成、結(jié)構(gòu)和性能特點，分析了泡沫混凝土在使用過程中發(fā)生變形和開裂的基本原因，并在此基礎(chǔ)上提出了減小泡沫混凝土變形，控制其開裂的可能的技術(shù)途徑。【關(guān)鍵詞】泡沫混凝土；變形；開裂；控制途徑0 引言泡沫混凝土因為其輕質(zhì)多孔、保溫隔熱、吸聲隔音、減震緩沖等特殊性能和新拌漿體優(yōu)越的流動性和隨意澆注性，使其在不僅在房屋建筑，而且在道路、橋梁、堤岸、隧道修筑等

2、各種不同的工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外在泡沫混凝土制備和澆注設(shè)備上的快速發(fā)展更是進一步促進了泡沫混凝土應(yīng)用的快速推廣。但是，在泡沫混凝土使用過程中，尤其是國內(nèi)，也暴露出諸多技術(shù)問題，亟待改善。其中泡沫混凝土在使用服役過程中整體性的保持欠佳，是一個極為普遍的工程質(zhì)量問題。而泡沫混凝土的整體性保持欠佳與其體積變化有著密不可分的關(guān)聯(lián)，因此，本文嘗試從混凝土材料在外力及各種環(huán)境因素作用下發(fā)生變形和開裂的基本作用機制出發(fā)，結(jié)合泡沫混凝土的組成、結(jié)構(gòu)和性能特點，分析泡沫混凝土在使用過程中發(fā)生變形和開裂的基本原因，并在此基礎(chǔ)上提出減小泡沫混凝土變形，防止其開裂的可能的技術(shù)途徑。希望能為泡沫混凝土

3、制造和應(yīng)用企業(yè)的技術(shù)人員在工廠制造優(yōu)質(zhì)泡沫混凝土，在工程上高效、安全使用混凝土提供技術(shù)支持。1 普通混凝土使用過程中的變形和開裂變形和開裂是固體材料非常普遍的物理性質(zhì)，絕大多數(shù)的材料在不同外力和環(huán)境因素的作用下都會發(fā)生程度不同的變形，或收縮或拉伸，甚至開裂。也可以認為，變形實際上是材料產(chǎn)生開裂和破壞的前奏。不同種類的材料對收縮或拉伸的敏感程度或由此產(chǎn)生的危害性并不相同。具有明顯延展性的金屬材料，在外部因素的作用下產(chǎn)生收縮或拉伸，但是，在很大程度范圍內(nèi)并不產(chǎn)生裂紋，也不引起破壞，它們屬于彈性材料；而像水泥混凝土材料這類脆性材料就不一樣了，在各種外部因素作用下，只要發(fā)生少量收縮或拉伸就會引發(fā)開裂，

4、進而導(dǎo)致破壞。因此，與金屬等彈性材料相比，混凝土類材料的變形和開裂特別受到研究和工程界的關(guān)注。1.1 混凝土材料變形的種類混凝土材料的變形有很多種情況，概括起來主要有4種，即物理變形，指的是由物理作用引起的混凝土體積收縮和伸展現(xiàn)象，常見的有混凝土直接受機械力作用下的壓縮拉伸現(xiàn)象和周圍溫度變化引起的熱脹冷縮現(xiàn)象；化學變形，指的是純粹由于混凝土硬化過程中組分之間發(fā)生的各種化學反應(yīng)前后反應(yīng)物與生成物之間因密度不同（不考慮混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素）引起的理論上的體積變化；碳化變形，指的是混凝土材料在使用過程中混凝土內(nèi)的水化產(chǎn)物因受到周圍環(huán)境提供的CO2的碳化作用引起的混凝土體積變化；濕脹干縮，指的是混凝土在

5、硬化或使用過程中與外部發(fā)生水分交換引起的體積變化。1）物理變形（熱脹冷縮、壓縮拉伸）與一般的固體材料一樣，混凝土材料作為一種固體材料服從熱脹冷縮的基本體積變化規(guī)律則，大量實驗室研究證明普通混凝土在一定溫度范圍內(nèi)體積變化服從基本服從線性關(guān)系，如果用線變化來表示混凝土的體積變形，那么混凝土的熱脹冷縮隨溫度的變化成如下正比例關(guān)系，即，Lt=L0 + aL0DT式中，Lt：t溫度下混凝土試件的線性長度mmL0：基準溫度下混凝土試件的初始線性長度mma：混凝土線性熱膨脹系數(shù)，-1DT：某一溫度t與基準溫度之間的差值，表1列出的是不同灰砂比混凝土的線性熱膨脹系數(shù)a，表2列出的是不同種類骨料制備的混凝土（灰

6、砂比1：6）的線性熱膨脹系數(shù)。表1 不同灰砂比混凝土的線性熱膨脹系數(shù)（2年養(yǎng)護齡期）灰砂比熱膨脹系數(shù)-11：0（水泥凈漿）18.510-61：113.510-61：311.210-61：610.110-6表2 不同種類骨料制備的混凝土的線性熱膨脹系數(shù)（灰砂比1：6）骨料種類熱膨脹系數(shù)-1砂 礫13.110-6花崗巖9.510-6石英巖12.810-6玄武巖9.510-6砂 巖11.710-6石灰石7.410-6高爐礦渣10.610-6膨脹礦渣12.110-6由表1可以看出，混凝土的熱膨脹系數(shù)一般波動于1110-6-1至2010-6-1之間，并且對灰砂比（即骨料配比）比較敏感。另外，不含骨料的水

7、泥凈漿的熱膨脹系數(shù)最大，隨著骨料配比的提高，混凝土熱膨脹系數(shù)變小。這就是泡沫混凝土為什么通常表現(xiàn)出比較大的溫度體積效應(yīng)的原因之一，泡沫混凝土一般不含骨料，尤其是粗骨料。其次，混凝土中使用骨料的種類的不同也會影響其熱膨脹系數(shù)?；炷猎谕饧訅毫Φ淖饔孟乱脖憩F(xiàn)出線性收縮，而且在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出彈性變化特征，但是，這種彈性范圍很小?；炷岭S外加壓力載荷的變化而引起的線性收縮，根據(jù)混凝土配合比和強度大小有所不同，一般情況下可以用以下曲線圖來表示。圖2 混凝土受壓力作用下的線性收縮情況普通混凝土的彈性變形系數(shù)約為20-30GPa，輕質(zhì)混凝土的彈性變形系數(shù)約為16-20GPa，泡沫混凝土的彈性變形系數(shù)一般為

8、0.8-12GPa。這表明在同樣外力作用下，與普通結(jié)構(gòu)混凝土相比，泡沫混凝土更加容易變形，將產(chǎn)生更大的變形。如上所述，混凝土在受拉情況下也會發(fā)生彈性伸展，但是，由于混凝土的設(shè)計原則，一般不承受拉力作用，尤其是泡沫混凝土，很少考慮拉伸的情況。實際上，混凝土的變形歸根結(jié)底是由于其內(nèi)部應(yīng)力引起的，熱脹冷縮也是應(yīng)力大小變化的結(jié)果。固體材料受熱時材料內(nèi)部分子能量增加震動幅度增大引發(fā)張應(yīng)力導(dǎo)致膨脹，相反，受冷時材料內(nèi)部分子能量減少震動幅度減小引發(fā)收縮應(yīng)力導(dǎo)致收縮。2）化學變形混凝土的組成從出發(fā)材料看通常主要有水泥、石子和砂子，還有少量各種各樣的外加劑，從硬化體看主要有水泥水化產(chǎn)物、石子和砂子。在整個硬化過

9、程中，石子和砂子基本上不參與化學反應(yīng)，因此也基本上不產(chǎn)生化學變形。而水泥中的各種水硬性礦物都會參與與水的化學反應(yīng)生成各種水化產(chǎn)物。根據(jù)理論計算和實測結(jié)果，水泥水化產(chǎn)物的體積大于水泥體積，但是小于水泥+水的體積，這就構(gòu)成水泥混凝土的化學收縮。所以，混凝土的化學變形實質(zhì)上是一種化學減縮，即化學收縮。表3列出的是普通硅酸鹽水泥中幾個主要礦物水化硬化前后的化學減縮量的計算結(jié)果。表3 硅酸鹽水泥中幾個主要礦物水化硬化前后發(fā)生的體積變化No反應(yīng)方程式固相體積變化/%體系體積變化/%4C3A + 6H2O = C3AH668.89-23.791C3A + 3CH2 + 25H2O = C3A3C32H2O1

10、29.55-6.1522C3S + 6H2O = C3S2H3 + 3CH65.11-5.315CaO + H2O = CH97.92-4.5432C2S + 4H2O = C3S2H3+3H2O+CH85.32-1.97根據(jù)實驗測試結(jié)果，每100g硅酸鹽水泥完全水化后化學減縮量約為7-9cm3，如果以每立方混凝土水泥用量300kg估算，則混凝土硬化后理論上產(chǎn)生21103-27103cm3的化學減縮量，折合體積減縮率為2.1-2.7%。3）碳化收縮空氣中通常含有0.03%的CO2，在有水汽存在的條件下CO2可以和水泥硬化體內(nèi)的Ca(OH)2發(fā)生化學反應(yīng)，生成CaCO3和H2O。水泥硬化體中的水

11、化硅酸鈣也能與CO2發(fā)生化學反應(yīng)。這種反應(yīng)過程稱為碳化，碳化伴隨體積減縮，稱為碳化收縮。碳化收縮對周圍環(huán)境的相對濕度和CO2濃度比較敏感，當相對濕度為25%-50%之間，CO2濃度也比較高時，碳化反應(yīng)比較明顯。一般情況下，碳化只會作用混凝土的表面，很少構(gòu)成實質(zhì)性的危害。4）濕脹干縮混凝土的干燥收縮可以細分為兩種情況即內(nèi)部自干燥收縮和環(huán)境濕脹干縮，前者指的是混凝土試樣在水化硬化過程中隔絕與外界的水分交換，由于內(nèi)部水硬性礦物水化反應(yīng)消耗漿體中的水分引起漿體內(nèi)吸作用進而導(dǎo)致漿體收縮的現(xiàn)象，自干燥收縮現(xiàn)象主要發(fā)生在早期，完全水化硬化后的成熟混凝土試樣內(nèi)沒有自干燥收縮；后者指的是混凝土硬化之后由于周圍環(huán)

12、境的濕度較低，引起內(nèi)部孔隙中水分由內(nèi)向外遷移，最終通過外表面蒸發(fā)，從而導(dǎo)致硬化體收縮的現(xiàn)象，環(huán)境干燥收縮現(xiàn)象則伴隨于混凝土整個壽命時間之內(nèi)。完全成熟的混凝土的干燥收縮主要指的是環(huán)境干燥收縮。相反，當周圍相對濕度較高或處于濕氣飽和環(huán)境，混凝土試樣會從環(huán)境中吸收水分，產(chǎn)生膨脹。干燥收縮與周圍環(huán)境濕度和硬化體內(nèi)部水分損失量有著密切的關(guān)系，一般地，環(huán)境相對濕度越低，損失水分越多，硬化體干縮越大。圖3出示的是硅酸鹽水泥硬化體在不同相對濕度環(huán)境下放置后產(chǎn)生的失水量和干燥收縮。圖3 水泥凈漿干燥收縮與環(huán)境相對濕度和失水量之間的關(guān)系水泥混凝土在干燥過程中產(chǎn)生的干燥收縮主要與其中的孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的高比表面積有

13、關(guān)，其中孔隙的尺寸和連通性與干燥收縮關(guān)系尤為密切。存在于水泥硬化體內(nèi)微小尺寸（小于毛細孔）孔隙中的水分在逸出的同時導(dǎo)致孔隙內(nèi)部水彎月曲面半徑變小，孔隙內(nèi)表面表面張力增大，相當于孔壁指向中心的壓應(yīng)力增大，導(dǎo)致體積壓縮，從而表現(xiàn)為干燥收縮，反之則產(chǎn)生膨脹。在混凝土中，因為骨料的孔隙率非常低，在干燥過程中基本不發(fā)生水分逸出，因此，不產(chǎn)生干燥收縮。也就是說，混凝土的干燥收縮主要來自于水泥硬化水泥漿體。這也就是混凝土的干燥收縮值大大低于水泥凈漿干燥收縮值的原因所在。根據(jù)實驗測試結(jié)果，一般情況下水泥凈漿、水泥砂漿、混凝土和泡沫混凝土的干燥收縮值的波動范圍如下：水泥凈漿：1500300010-6 水泥砂漿：

14、900150010-6 水泥混凝土：60090010-6 泡沫混凝土：1000350010-6 可見，泡沫混凝土的干縮值最大，水泥凈漿次之，水泥砂漿再次，水泥混凝土最小。1.2 混凝土材料的開裂如上所述，混凝土材料屬于脆性材料，因此，當變形達到一定數(shù)值，超過基體承受能力之后就可能引發(fā)開裂。變形的發(fā)生根源于應(yīng)力的產(chǎn)生，不論這種應(yīng)力來自于化學因素，還是物理因素，或者是直接機械外力因素。混凝土材料受應(yīng)力作用產(chǎn)生變形到達產(chǎn)生開裂的程度并不是完全固定的，與自由變形或限制變形，均勻變形或非均勻變形，有著密切的關(guān)系。一般情況下，自由變形比限制變形有更大的允許應(yīng)力和收縮值，均勻變形比非均勻變形有更大的允許應(yīng)力

15、和變形限值。無論如何，應(yīng)力是混凝土產(chǎn)生開裂的根本原因，變形只不過是作用于混凝土上的力的一種外觀顯示，而開裂則是變形發(fā)展到一定限度的破壞性外觀表現(xiàn)。此外，與收縮引起的開裂不同的是拉應(yīng)力的作用同樣可能導(dǎo)致混凝土伸展，最終引起開裂破壞，局部的不均勻膨脹也會導(dǎo)致混凝土開裂破壞。劇烈熱振、機械力沖擊、凍融循環(huán)等外部作用也都會導(dǎo)致混凝土開裂破壞。2 泡沫混凝土使用過程中的變形和開裂與結(jié)構(gòu)混凝土一樣，泡沫混凝土在使用過程中也經(jīng)受來自環(huán)境的各種物理、化學或機械等作用，引起其體積變形，當變形超過一定限度，最終導(dǎo)致開裂破壞。所不同的是泡沫混凝土在絕大多數(shù)情況下被用于非結(jié)構(gòu)場合，因此，直接機械力作用，尤其是持久載荷

16、，導(dǎo)致的變形和開裂破壞情況相對較少。泡沫混凝土在使用過程中的開裂破壞以干燥收縮、熱脹冷縮、化學減縮、非正常外界沖擊等引起的體積變形最為常見。2.1 泡沫混凝土與普通混凝土的異同泡沫混凝土與普通結(jié)構(gòu)混凝土同屬于水泥基材料，同屬于脆性材料，這是它們之間的根本共同之處。它們之間的不同首先在于組成的不同，普通結(jié)構(gòu)混凝土中包含石子、砂子等粗細骨料，而泡沫混凝土中一般不含骨料；其次在于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，普通結(jié)構(gòu)混凝土之內(nèi)極少含有毫米尺度以上的大孔，一般以毛細孔（0.01-10mm）和凝膠孔（0.01mm）為主，孔隙率也比較低，而泡沫混凝土內(nèi)部則含有相當部分毫米尺度的孔隙，而且這些毫米孔基本上是封閉的球形孔，

17、孔隙率高達40%以上；再次是表現(xiàn)為性能上的不同，結(jié)構(gòu)混凝土密度大，強度高，彈性模量大，導(dǎo)熱系數(shù)大，收縮小，而泡沫混凝土密度小，強度低，彈性模量小，導(dǎo)熱系數(shù)小，收縮大。上述有關(guān)混凝土體積變形和開裂方面的原因和開裂破壞機制基本上適用于泡沫混凝土。結(jié)合上述混凝土體積變形類型和開裂情況和原因的分析，不難推斷，導(dǎo)致泡沫混凝土整體性不佳的基本原因在于組成上以水泥為主，結(jié)構(gòu)上多孔和性能上強度低。如上所述，骨料在混凝土硬化過程中實際上變化很小，在使用過程中也很少變化，除非受冷熱作用會產(chǎn)生較明顯的體積變化?；瘜W減縮、碳化收縮、干燥收縮等都來自于水泥漿，泡沫混凝土以水泥為主要組成材料，不含骨料，就基本決定了其大的

18、收縮量。其次，泡沫混凝土在初始養(yǎng)護階段強度發(fā)展比較慢，而其低熱傳導(dǎo)性能又使水化產(chǎn)生的熱量難以及時向外界排出，往往導(dǎo)致初始泡沫混凝土溫度急劇升高，導(dǎo)致體積膨脹，在冷卻過程中就會在內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力和裂縫。泡沫混凝土即使在完全硬化之后強度也處于較低的水平（一般不高于10MPa），因此，任何非正常外來的機械作用力也都會引起其變形甚至開裂破壞。3 減小泡沫混凝土收縮控制開裂的可能的技術(shù)途徑基于上述混凝土在水化硬化過程中和使用過程中體積變形現(xiàn)象和內(nèi)在原因分析和對泡沫混凝土與普通結(jié)構(gòu)混凝土在組成、結(jié)構(gòu)和性能方面的異同點的分析，結(jié)合泡沫混凝土制備和應(yīng)用中可能出現(xiàn)的情況，就如何減小泡沫混凝土收縮控制開裂本文提出以下幾點可能的技術(shù)途徑。1）選用快硬低發(fā)熱水泥作為泡沫混凝土用膠凝材料；2）添加適量細骨料，選擇合理的水泥、砂子配合比；3）加強早期養(yǎng)護和及時散熱，減少人為非正常外來機械沖擊；4