水泥細(xì)度對混凝土抗裂性能的影響

..摘要混凝土材料的普遍使用以及混凝土結(jié)構(gòu)物在建筑、橋梁、道路等工程中的大量應(yīng)用,要求混凝土具有較高的耐久性,而混凝土裂縫的產(chǎn)生是影響混凝土使用性能及耐久性的重要因素?；炷廉a(chǎn)生裂縫的原因有很多：混凝土在塑性階段終凝之前產(chǎn)生的塑性收縮裂縫、混凝土澆筑后硬化前產(chǎn)生的沉陷收縮裂縫、混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后產(chǎn)生的干燥收縮裂縫、混凝土自身水化過程中因化學(xué)減縮產(chǎn)生的裂縫、由于碳化作用引起混凝土體積收縮產(chǎn)生的裂縫、由于溫度變化熱脹冷縮產(chǎn)生的混凝土裂縫及由于腐蝕作用產(chǎn)生的裂縫等,這些裂縫相互作用導(dǎo)致裂縫不斷擴(kuò)展,降低了混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性。裂縫的產(chǎn)生不僅影響了建筑物的美觀,更加影響了建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)的耐久性。本文將就水泥細(xì)度對混凝土抗裂性能的影響進(jìn)行了分析,探究了水泥細(xì)度對混凝土早期裂縫的產(chǎn)生及混凝土中長期使用過程中劣化的影響。關(guān)鍵詞：水泥細(xì)度,收縮膨脹,混凝土裂縫,相互作用1前言近年來,由于建筑行業(yè)的快速發(fā)展,混凝土的使用量越來越大,對混凝土質(zhì)量和使用性能的要求也越來越高?；炷潦怯盟嘧髂z凝材料,砂、石作骨料；與水〔可含外加劑和摻合料按一定比例配合,經(jīng)攪拌、密實成型、養(yǎng)護(hù)硬化制成的工程復(fù)合材料。硬化的混凝土含固、液、氣相,是一種多元,多相,非均質(zhì)復(fù)合水泥基材料。而水泥作為混凝土重要的成分,水泥的性能對混凝土的性能有著很大的影響,其中水泥的粉磨細(xì)度不僅影響混凝土的強(qiáng)度,更加影響混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性。開裂是影響混凝土耐久性的重要因素,混凝土結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或內(nèi)外溫度變化引起熱脹冷縮是導(dǎo)致混凝土開裂的原因。影響混凝土開裂的因素很復(fù)雜,當(dāng)裂縫數(shù)量和尺寸達(dá)到一定程度時,混凝土?xí)颦h(huán)境中腐蝕性介質(zhì)的侵入而逐漸加速劣化。本文將根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫產(chǎn)生的類型,分析水泥細(xì)度對不同時間產(chǎn)生裂縫的影響。2收縮裂縫收縮裂縫是由濕度變化引起的,它占混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫中的主要部分,在施工過程中,為保證混凝土的和易性,往往向混凝土中加入水泥水化所需水分多4-5倍的水。多出的水分以游離態(tài)存在,并在硬化過程中逐漸蒸發(fā),從而在混凝土內(nèi)部形成大量毛細(xì)孔、空隙甚至孔洞,造成混凝土體積收縮,根據(jù)收縮裂縫的形成機(jī)理與形成時間,工程中常見的收縮裂縫主要有塑性收縮裂縫、沉降收縮裂縫和干燥收縮裂縫三類,此外,還有自身收縮<化學(xué)減縮>裂縫和碳化收縮裂縫。2.1塑性收縮裂縫塑性收縮裂縫發(fā)生在混凝土塑性階段,終凝之前。其形成原因是混凝土漿體中水分流向表面并迅速蒸,隨著失水的增加,當(dāng)蒸發(fā)速率超過了泌水達(dá)到表面的速率時,毛細(xì)負(fù)壓產(chǎn)生的收縮力使混凝土表面產(chǎn)生急劇的體積收縮。而此時混凝土尚未形成強(qiáng)度,從而致使混凝土表面開裂?？p較淺,中間寬、兩端細(xì),長短不一,且互不連貫。塑性收縮裂縫并不直接與水分損失,蒸發(fā)速率或者收縮相關(guān),實驗證實特別干的混凝土或者大流動性混凝土對收縮裂縫不敏感,最多裂縫的臨界塑性狀態(tài)是在0.52的水灰比時,低于或高于這個水灰比都不易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。塑性收縮已被證實與毛細(xì)管壓力有著直接的關(guān)系,如圖1所示,可以看出,混凝土攪拌物在澆筑1小時后表面變干〔開始了塑性收縮,于是毛細(xì)管壓力在體系中得到了緩慢發(fā)展,大約2小時后毛細(xì)管壓力增加的比率達(dá)到最大,直到3-4小時候達(dá)到最大值〔達(dá)到破壞壓力產(chǎn)生裂縫,此時混凝土的線性收縮值達(dá)到0.75×10-3。圖1混凝土塑性收縮及毛細(xì)管壓力毛細(xì)管壓力與材料的塑性強(qiáng)弱關(guān)系較大,顆粒越細(xì),比表面積越大,由于顆粒堆積而形成的毛細(xì)管半徑越小,產(chǎn)生的毛細(xì)管力越大,同時由于細(xì)粉料具有較大的比表面積,混凝土表面的泌水速率減小,水泥細(xì)度越細(xì),混凝土表面水分蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力越大,形成塑性裂縫的可能性越大,反之產(chǎn)生的裂縫越小或不產(chǎn)生塑性裂縫。2.2化學(xué)收縮裂縫混凝土的化學(xué)收縮是指混凝土內(nèi)水泥水化過程中,水化產(chǎn)物的絕對體積比水化前水泥與水的絕對體積之和減少的現(xiàn)象,主要是由于水化反應(yīng)前后化合物密度不同所致?；瘜W(xué)收縮自水泥與水混合后即開始,至水泥水化完全結(jié)束?；瘜W(xué)收縮只有極少部分表現(xiàn)為固相體積的減小,大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗酀{體或混凝土內(nèi)部的孔隙<或空氣體積>。水泥水化過程中,硬化漿體形成的微結(jié)構(gòu)抵抗了化學(xué)收縮力的作用,內(nèi)部形成收縮孔,化學(xué)發(fā)應(yīng)產(chǎn)生的體積收縮不能完全發(fā)應(yīng)在宏觀體積的變化,孔中的水分隨化學(xué)反應(yīng)逐漸減少。這一過程為混凝土的自干燥過程,自干燥產(chǎn)生自收縮,自收縮指初凝后由于水泥水化產(chǎn)生膠凝材料體積的微小收縮,硬化漿體的化學(xué)收縮空隙大部分被空氣占據(jù),自收縮只占極少部分,混凝土的自收縮與化學(xué)收縮關(guān)系見圖2。圖2自收縮與化學(xué)收縮的關(guān)系水泥的水化程度反映了混凝土自收縮的大小,水灰比不變的條件下,水泥細(xì)度越大,水化速率越快,水化產(chǎn)物所占比例越大,由于水泥水化產(chǎn)物的平均密度較大,水化產(chǎn)物體積較小引起的化學(xué)減縮越大,同時由于硬化漿體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度隨水化速率的增大而增大,抵抗了化學(xué)收縮力的作用越大,內(nèi)部形成的空隙越小,混凝土宏觀體積收縮較大,混凝土的收縮幅度越大,收縮裂縫增多?；炷恋目沽研栽讲?。2.3碳化收縮裂縫在混凝土的中長期使用過程中不可避免的要與外界的環(huán)境接觸,容易受到大氣中各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕,其中CO2作為一種酸性氣體,對混凝土的侵蝕作用容易導(dǎo)致混凝土發(fā)生碳化,進(jìn)而引發(fā)混凝土的收縮開裂?；炷涟l(fā)生碳化的本質(zhì)是空氣中的CO2氣體進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部與混凝土的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程?？諝庵械腃O2通過混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散與水反應(yīng)生成碳酸,碳酸與不同的水化產(chǎn)物反應(yīng)〔不同水化產(chǎn)物碳化反應(yīng)后的體積收縮不同,見表1,導(dǎo)致混凝土的腐蝕,隨著該反應(yīng)的進(jìn)行,生成的碳酸鈣將填充毛細(xì)孔而使毛細(xì)孔細(xì)化,對CO2氣體的進(jìn)一步擴(kuò)散及碳酸化過程的繼續(xù)進(jìn)行起到一定的阻礙作用,但同時該反應(yīng)將氫氧化鈣中的以O(shè)H－形式存在的結(jié)構(gòu)水轉(zhuǎn)變?yōu)榱藘煞肿拥淖杂伤?并存在于被細(xì)化的毛細(xì)孔中,即碳化形成的水與凝膠之間存在較強(qiáng)的結(jié)合能力,由干燥收縮的機(jī)理分析可知：當(dāng)相對濕度下降時,碳化生成的這部分毛細(xì)水將蒸發(fā),導(dǎo)致凝膠顆粒的表面張力增加而使水泥石處于壓縮狀態(tài),從而產(chǎn)生碳化收縮。表1水泥不同的水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)后的體積變化碳化收縮過程中毛細(xì)孔的相對濕度,一方面影響CO2在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速率,另一方面影響碳化反應(yīng)產(chǎn)生游離態(tài)水分的蒸發(fā),如果孔內(nèi)的相對濕度較小,由于水分不足,CO2較難形成碳酸導(dǎo)致碳化收縮的作用較小,如果相對濕度較大,CO2在混凝土的毛細(xì)孔的擴(kuò)散受到影響,從而降低碳酸的濃度減少碳化收縮導(dǎo)致混凝土的體積變化及開裂。水泥細(xì)度與混凝土孔徑分布密切相關(guān),而孔徑分布又是決定混凝土毛細(xì)壓力的滲透作用,水泥細(xì)度越大,滲透壓越大,CO2在混凝土中的擴(kuò)散較為容易,導(dǎo)致碳化作用較大,同時由于形成密實的混凝土微結(jié)構(gòu),保水性較強(qiáng),在相對濕度適合的條件下,水分蒸發(fā)較少,毛細(xì)作用力較小,碳化作用引起的收縮較小。水泥細(xì)度越大,水泥早期水化的用水量相對較大,水灰比較大,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率較大,體積收縮較大,裂縫產(chǎn)生的可能性就越大。綜合來說,在其他條件不變的條件下,水泥細(xì)度越大,由于碳化作用導(dǎo)致的收縮越大,混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性就越大,所以根據(jù)碳化作用在工程中引起收縮裂縫來說,應(yīng)該減小水泥顆粒的細(xì)度。3溫度裂縫溫度裂縫是由于混凝土內(nèi)外溫差或季節(jié)氣溫變化過大而形成的。在混凝土澆筑過程中,水泥水化反應(yīng)將放出大量的熱<一般每克水泥可放出502J熱量>,使混凝土內(nèi)部溫度升高并在一定齡期出現(xiàn)溫峰,之后下降。由于混凝土內(nèi)部散熱慢而表面散熱快,必將在內(nèi)外形成溫差,為協(xié)調(diào)溫度變形,混凝土表面將產(chǎn)生拉應(yīng)力<即溫度應(yīng)力>,當(dāng)超過混凝土抗拉強(qiáng)度后將使之開裂。這種裂縫多為貫穿性的,且較深,嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的整體剛度;一般在施工結(jié)束幾個月后出現(xiàn)?；炷翜囟攘芽p的產(chǎn)生與溫度應(yīng)力和約束有關(guān),在水泥水化過程中由于水泥水化產(chǎn)生的水化熱會使混凝土的溫度升高,而由于混凝土內(nèi)部與表面散熱條件不同,水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易擴(kuò)散,溫度上升較多,這樣就形成了外低內(nèi)高的溫差。由于外部約束和內(nèi)部約束的存在,是混凝土不能自由變形,于是就會在混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力,這種由于溫度變化產(chǎn)生的變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為溫度應(yīng)力?；炷猎谒嗨瘯r,會形成外低內(nèi)高的溫差,這種溫差會使超大體積混凝土內(nèi)部溫度分布不均勻,會引起質(zhì)點發(fā)生的變形不一致,從而產(chǎn)生內(nèi)約束。超大體積混凝土中心由于溫度較高,所產(chǎn)生的熱膨脹也較表面大,因而在混凝土中心產(chǎn)生壓應(yīng)力,而表面則產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)表面拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時,就會在超大體積混凝土的外表面產(chǎn)生裂縫,這種裂縫比較分散、裂縫寬度小、深度也很小,俗稱"表面裂縫",見圖3所示。圖3表面裂縫混凝土裂縫的產(chǎn)生與混凝土內(nèi)外溫差關(guān),在外部環(huán)境不變的條件下,混凝土內(nèi)部水泥的水化速率是影響混凝土內(nèi)外溫差的主要因素,水泥細(xì)度是影響水化速率的因素之一,在水灰比不變的條件下,水泥細(xì)度越大,顆粒的比表面積越大,這使混凝土中膠凝材料的水化速率加劇,放熱速率變快〔見圖4,升溫更加迅速,混凝土在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的水化熱,混凝土內(nèi)外溫差較大,混凝土表面越容易出現(xiàn)收縮開裂。在工程中,就溫度收縮產(chǎn)生的裂縫而言,應(yīng)盡量使用比表面積較小的水泥。圖4水泥細(xì)度對水泥水化放熱速率的影響結(jié)語混凝土在早期和中長期的使用過程中,裂縫的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果,每種因素對于混凝土不同時期收縮或膨脹有不同的影響,就水泥細(xì)度而言,綜合來講,在混凝土早期的收縮與開裂中,隨著細(xì)度的增加,水泥水化熱與水化放熱速率增加,水化放熱峰值時間明顯提前,導(dǎo)致溫度裂縫的風(fēng)險增加。新拌混凝土早期收縮明顯增大,導(dǎo)致其早期裂縫明顯增加,但水分蒸發(fā)速率與裂縫最大寬度反而減小。為保證混凝土的性能和耐久性,建議在工程中限制水泥細(xì)度的上限。參考文獻(xiàn)[1]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:出版社,1997.[2]李瑞華,梁斌萬.混凝土施工中非結(jié)構(gòu)性裂縫產(chǎn)生原因及防治[J].施工技術(shù),2002,<4>.[3]鞠麗艷.混凝土裂縫抑制措施的研究進(jìn)展[J].混凝土,2002,<5>.[4]王宗昌,屈芳民,蔡榮生.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的分類特征及密封處理[J].混凝土,2002,<5>.[5]徐錚澄.商品混凝土裂縫的成因與防治[J].混凝土,