減縮劑對混凝土塑性裂縫的抑制作用的研究

　　摘  要：本文主要通過對混凝土早期塑性裂縫產(chǎn)生的原因及主要影響因素進行分析,提出了采用化學減縮劑進行控制的方法,所研制的化學減縮劑可控制早期塑性裂縫率,達到80%以上。

　　關鍵詞：塑性裂縫  機理  控制  減縮劑

　　1、前言

　　在高溫或風速較大的季節(jié)，大面積暴露的新鮮混凝土表面，如大面積樓面、地下室底板、混凝土橋面、路面、機場跑道等部位，在混凝土凝結之前容易產(chǎn)生收縮裂縫。由于這種裂縫是由于混凝土塑性收縮引起的，所以稱之為塑性裂縫。

　　塑性裂縫和干縮裂縫不同，雖然都是由于混凝土失水產(chǎn)生的表面張力引起的，但干縮主要是由于混凝土終凝后內(nèi)部水泥石的孔隙（氣孔、毛細孔、凝膠孔）水蒸發(fā)而產(chǎn)生，干縮量隨齡期逐漸增長，形成的干縮裂縫一般垂直于長度方面或在邊角是45°；塑性裂縫是由于混凝土在凝結以前表面失水引起毛細管壓力而產(chǎn)生的表面收縮，裂縫在混凝土凝結之前形成，一般分布不規(guī)則，易出現(xiàn)龜裂狀，常出現(xiàn)于混凝土板、路面、梁等大面積暴露的結構表面，多是直線形，深度局限于混凝土表面較淺區(qū)域，也可能貫穿整個結構。雖然裂縫是一種人們可以接受的材料特性，但裂縫對結構的整體性和耐久性會有不同程度的影響。引起混凝土結構裂縫原因很多，有關荷載和干縮裂縫研究較多，有關塑性裂縫的研究較少，而塑性裂縫的形成對其它因素引發(fā)裂縫的形成和發(fā)展具有重要影響，對混凝土塑性裂縫的研究與防治具有重要意義。

　　2、產(chǎn)生塑性裂縫的原因分析

　　2.1 產(chǎn)生塑性裂縫的原因

　　混凝土早期裂縫主要兩大原因：①塑性沉降；②干燥失水。

　?。?）塑性沉降：拌合物中的骨料在自重作用下，緩慢下沉，水和水泥漿上升，當骨料沉降過程中受到鋼筋等阻擋使鋼筋上部混凝土產(chǎn)生拉應力，當這種由沉降產(chǎn)生的拉應力大于這部分混凝土的抗拉應力時，混凝土就產(chǎn)生裂縫。

　　（2）干燥失水：由于飽和的水泥漿露置于低濕度的環(huán)境中，水泥漿體中的水化硅酸鈣（C-S-H）的水分蒸發(fā)。由于水分在混凝土的遷移，在漿體中形成一系列的復雜的凹月面，形成毛細孔壓力。隨著水分的遷移，固體顆粒逐漸靠近，毛細孔逐漸變細，毛細孔的壓力也隨之增大，從而加快混凝土內(nèi)部水分向外遷移。特別是在大風、干燥、高溫天氣，在澆筑混凝土時，由于混凝土表面溫度高，水蒸發(fā)量大而很快變硬，像是巧克力硬殼狀而失去流動，而內(nèi)部混凝土還未硬化，在表面至內(nèi)部未之間，存在一硬化梯度層，這層硬化梯度層，制約了內(nèi)部混凝土的繼續(xù)變形。反之內(nèi)部混凝土的變形也拉動硬化層的變形，由于未硬化的混凝土的變形快，當變形達到一定的程度，表層硬殼被拉裂，這種塑性開裂往往發(fā)生在混凝土澆筑后2-3小時內(nèi)。

　　2.2 影響混凝土早期塑性裂縫的因素

　?。?）養(yǎng)護：潮濕養(yǎng)護可有效控制早期的塑性開裂，塑性收縮的速度和收縮量大小隨著周圍環(huán)境相對溫度的降低而增加。

　?。?）水膠比：單位體積混凝土的水泥用量相同時，水膠比愈大則收縮也愈大。

　?。?）膠凝料總量：增加膠凝材料用量，塑性裂縫的總數(shù)量增加。

　?。?）砂灰比：砂灰比為2.0時是臨界值，大于2.0時平均開裂面積少，當砂灰比小于1.5時平均開裂面積迅速增加。

　?。?）砂和砂率：砂的細度對裂縫有一定的影響，砂率越大，收縮開裂越嚴重。

　　3、減縮劑作用機理

　　美國、日本等發(fā)達國家，自二十世紀八十年代以來，主要通過研制和應用減縮劑（Shrinkage-reducing agent）來降低混凝土的自身收縮，獲得了多項專利，并被公認為是裂縫控制的最有效措施之一，根據(jù)毛細管張力理論，減縮劑的主要作用機理是降低混凝土孔隙水的表面張力，從而減小混凝土的收縮。

毛細孔失水示意圖

　　混凝土漿體中存在孔隙，這些孔隙的逸散是造成收縮開裂的原因。由于自然環(huán)境和水化水泥中毛細孔內(nèi)部的水面下降，液面的曲率變大，導致表面張力增大，同時又對毛細管管壁產(chǎn)生壓力，所以，在毛細孔水分蒸發(fā)的過程中，混凝土漿體始終處于不斷增強的壓縮狀態(tài)中，導致混凝土的表觀體積減小，出現(xiàn)裂縫，毛細孔失水示意圖如下。因此，如何降低毛細管液體的表面張力對混凝土的收縮開裂極為有利。

　　減縮劑主要就是降低孔隙水的表面張力，從而減小毛細孔失水時產(chǎn)生的收縮應力。另一方面，化學減縮劑能增大混凝土中孔隙水的粘度，增強了水分子在凝膠體中的吸附作用，進一步減小混凝土的收縮值。

　　4、減縮劑的研制

　　混凝土減縮劑化學組成主要是由聚醚或聚醇類有機物或它們的衍生物組成,通式可用R1O(AO)nR2或Q[(OA)pOR’]x表示，R可為H基、C1~C12烷基、C5~C8環(huán)烷基或苯基，強調(diào)以C3~C5烷基為好；A為碳原子數(shù)2~4的環(huán)氧基、C5~C8烯基，或上述兩種不同碳原子數(shù)的官能團的組合；Q為C3~C12的脂肪烴官能團；n、p、x為聚合度，n=1~80，p=0~10，x=3~5。

    為了降低生產(chǎn)成本以及提高減縮劑的性能，因此復合型減縮劑具有顯著的優(yōu)點。我院新研制成功了一種高效能抗裂減縮劑—LJ減縮劑，該抗裂減縮劑具有低堿、低摻量、與水互溶等特點，能有效控制混凝土的塑性收縮及早期收縮，尤其對大流態(tài)混凝土效果更好。

　　5、減縮劑控制塑性裂縫的試驗

　　5.1試驗方法

　?。?）平板試驗

　　平板試驗提供了與幾何形狀和邊界條件有關的雙向約束,在國際上多采用此方法對混凝土塑性收縮及早期收縮開裂進行快速測試。試模采用鋼質(zhì)材料，其具體構造如圖所示。將拌合物分層的裝入到平板凹槽中，不斷插搗使拌合物均勻填充鋼絲網(wǎng)下面空隙，敲打平板試模確保試件的均勻性，填充完畢用鐵尺將試件表面抹平。用20kg臺秤稱量試件重量后，立刻移到室溫23℃~26℃、風速為3m/s~4m/s的風扇下吹風。成型后仔細觀察試件的表面，記錄裂縫出現(xiàn)的時間。每一試件測量過程為24h，裂縫出現(xiàn)最初4h內(nèi)，每5min測量一次，其后每隔一小時測一次。用讀數(shù)顯微鏡觀測裂縫的寬度變化，用鋼尺測量裂縫的長度發(fā)展情況。

　　使用裂縫面積和最大裂縫開裂寬度作為開裂的評價指標，裂縫面積是用裂縫的平均寬度乘以其相應的延米長度而得。采用化學減縮對混凝土或砂漿抗裂性能進行改善時，采用裂縫控制率來評價對砂漿和混凝土抗裂性的改善程度。裂縫控制率（K）=（1-m/m  0）×100%，其中為改性后砂漿的裂縫面積，m  0為對比砂漿的裂縫面積。

　　(2)  環(huán)形試驗

　　環(huán)形試驗能接近恒定的并有較大的約束，由于軸對稱，其幾何何形狀和邊界條件對結果影響不明顯，環(huán)形試模為木模（或鋼模），內(nèi)環(huán)模采用厚度為20mm的鋼模，其構造如圖所示。混凝土拌合物采用分層插搗成型，同時成型不同齡期混凝土抗壓強度、自由收縮、彈性模量等試件，與環(huán)形試件同條件養(yǎng)護。養(yǎng)護24h脫模，放在干縮試驗室進行測試。每天用用溫濕度計測量溫濕度值，并用讀數(shù)顯微鏡定期觀測裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展情況當鋼環(huán)外測的混凝土試件干燥收縮時（以軸向收縮為主），會受到內(nèi)測鋼環(huán)的約束，從而產(chǎn)生軸向應力。當這個軸向應力超過此該混凝土試件的極度限抗拉應力時，試件就要開裂。根據(jù)計算，試件內(nèi)、外表面產(chǎn)生的環(huán)向應力僅差點10%，同時，徑向應力的最大值約為環(huán)向應力最大值的20%。因此可以認為，試件受到內(nèi)部鋼環(huán)約束時，處于均勻的單軸拉應力的作用，且可以忽略不均勻干燥的影響。此外，試件的高140mm是其厚30mm的4.7倍，可以認為沿著試件徑向的收縮是均勻的。

　　5.2試驗結果與討論

　　(1)    試驗原料和配比

　　水泥：本溪工源牌32.5礦硅水泥。

　　砂子：渾河產(chǎn)河砂，中砂。

　　石子：碎石，最大顆徑20mm。

　　外加劑：遼寧省建研院研制的LJ減縮劑和泵送劑。

　　配合比：見表。

　　(2) 平板試驗結果

　　采用如前所述的試驗方法進行平板試驗，試驗結果見圖和表。試驗結果表明，相同的溫度、濕度和風速條件下，OPC最早出現(xiàn)裂縫且裂縫的條數(shù)最多，裂縫的寬度最寬，而SOPC-1出現(xiàn)裂縫時間較晚，且裂縫條數(shù)明顯減少，且寬度變細。SOPC-2表面只發(fā)現(xiàn)一條細小裂縫。裂縫控制率達到98.8%。這表明減縮劑對混凝土的早期塑性裂縫起到了很好的控制作用。

平板試驗數(shù)據(jù)結果

　　(3)環(huán)形試驗結果

　　采用如前所述環(huán)形方法，試驗結果為：OPC在成型后15d時出現(xiàn)一條長15cm、寬1mm的裂縫，直到30d裂縫無變化，而SOPC-1、SOPC-2養(yǎng)護到30d仍未出現(xiàn)裂縫，進一步證明了減縮劑對混凝土早期開裂的控制。

　　6、結論

　?。?）收縮變形是導致混凝土結構非荷載裂縫產(chǎn)生的重要因素，控制混凝土的各種收縮就能夠盡量減少裂縫的產(chǎn)生。

　　（2）采用摻入減縮劑的方法可有效控制大流態(tài)混凝土早期塑性裂縫。通過平板試驗，摻入1.0%的減縮劑，裂縫控制率可達到84.2%、摻入2.0%的減縮劑，裂縫控制率可達到98.8%。這表明減縮劑對混凝土早期收縮起到了很好的控制作用。

　?。?）適宜摻量的減縮劑對混凝土的抗壓強度有一定的增強作用。LJ減縮劑的適宜摻量為1.0%~2.0%。

　?。?）混凝土減縮劑是一種嶄新外加劑，能夠有效地降低混凝土的收縮率，減少裂縫的產(chǎn)生，但是除此之外，對減縮劑與其他混凝土外加劑相容性以及對混凝土和砂漿的和易性、耐久性能的研究等，尚有許多研究工作要做。