混凝土配合比和原材料對裂縫的影響與試驗研究

摘要：結(jié)合混凝土原材料的特性和配合比設計優(yōu)化兩個方面簡述了混凝土早期裂縫產(chǎn)生的原因，提出了避免混凝土早期裂縫產(chǎn)生的控制方法，以達到從源頭上避免和減少裂縫產(chǎn)生的目的。

關(guān)鍵詞：配合比 原材料 裂縫 外加劑

中圖分類號：TU528文獻標志碼：A文章編號：1673-291X（2011）25-0333-02

凝土裂縫的控制幾乎成了永恒的課題，經(jīng)過長期的研究和攻關(guān)，也只能是盡可能地減少裂縫的產(chǎn)生。根據(jù)工程實踐和理論分析，所有的混凝土都是帶縫運行的，對混凝土的壽命和結(jié)構(gòu)運行或多或少有潛在的質(zhì)量危害，甚至有些裂縫在使用荷載、自身應力以及外界物理、化學因素的作用下，不斷衍生和擴展，削弱混凝土的強度，降低混凝土的耐久性能，嚴重時甚至發(fā)生崩裂和垮塌事故。裂縫作為材料的一種特性是不可避免的，但是，最大限度地減少裂縫產(chǎn)生依然是當今混凝土生產(chǎn)和應用的研究重點。所以，了解和掌握混凝土配合比和原材料對裂縫的影響是非常必要的。

一、原材料對混凝土裂縫的影響

混凝土是由膠凝材料、水、粗細骨料按適當比例拌制，經(jīng)一定時間硬化而成的人造石材。然而，一些材料的應用不當會造成混凝土硬化時產(chǎn)生裂縫。

1.水泥。受水泥影響而產(chǎn)生的裂縫一般都是溫度應力縫，也有受自身體積膨脹（安定性不穩(wěn)定）產(chǎn)生的裂縫，而正確合理地選用水泥等級和品種能較大限度地減少這種裂縫的產(chǎn)生。（1）水泥品種。對于一些低等級要求的混凝土，錯誤使用高品質(zhì)水泥，一旦養(yǎng)護不當或內(nèi)外溫度梯度較大，就會產(chǎn)生溫度應力，從而使混凝土開裂。（2）水泥強度等級。受傳統(tǒng)觀念或條件的影響，錯誤地認為所用水泥的強度越高越好，低等級混凝土使用高等級水泥，并且為了滿足混凝土工作度的要求，超量使用水泥，既浪費了材料又因水泥集中水化溫度升高，使混凝土內(nèi)部的溫度應力得不到釋放而造成混凝土開裂。據(jù)資料表明，使用普通硅酸鹽水泥的混凝土3d的強度可達到齡期強度的 50％以上，7d時混凝土內(nèi)部溫度可達到40℃以上，然而，這種裂縫是無法愈合的，隨時間的推移會向更深發(fā)展，即便采用固結(jié)灌漿的方法也不能愈合，往往會成為混凝土結(jié)構(gòu)物破壞的誘導縫。（3）水泥品質(zhì)。水泥的勻質(zhì)性也是影響混凝土質(zhì)量的重要因素，一些水泥的質(zhì)量不穩(wěn)定，強度或高或低，而且不及時調(diào)整水泥用量，會造成混凝土整體強度發(fā)展不一致，形成應力差，造成混凝土的開裂。這種裂縫不太明顯，但同樣影響混凝土的整體結(jié)構(gòu)性能。

2.骨料。骨料造成混凝土開裂的主要原因是有害雜質(zhì)和本身的強度以及化學成分。（1）細骨料 。1）細度模數(shù)。當砂的細度模數(shù)小時，砂顆粒的比表面積相對增大，這時需要加大膠凝材料用量，同時增加混凝土的用水量，終凝后的混凝土由于表面水分損失，在混凝土的表面形成較多的細小裂縫，簡稱龜裂。2）有害物質(zhì)。砂的有害物質(zhì)一般是指砂內(nèi)含有云母、黏土、淤泥、粉砂、泥塊等，這些物質(zhì)粘附在砂的表面，妨礙水泥與砂的黏結(jié)，降低混凝土的強度，同時增加混凝土的用水量，從而加大了混凝土的收縮，使混凝土產(chǎn)生裂縫。另外，降低耐久性能，使混凝土在惡劣氣候環(huán)境下凍脹開裂。（2）粗骨料。1）石料的強度。一般來說，在混凝土未受外力作用之前，由于砂漿體積變化而產(chǎn)生的拉應力很容易破壞粗骨料與砂漿的膠結(jié)界面，形成許多分布很亂的界面裂縫，這時如果骨料自身的強度很低，這些拉應力會將骨料破壞，并隨著界面裂縫的增加逐步發(fā)展。這些裂縫一旦受到外力的作用就會進一步延伸、匯合、擴大，很容易破壞混凝土的整體結(jié)構(gòu)。2）活性氧化硅。水泥中堿性氧化物水解后形成的氫氧化鈉和氫氧化鉀與骨料中的活性氧化硅發(fā)生化學反應，在骨料表面生成堿—硅酸凝膠，這種凝膠吸水后不斷膨脹就會把水泥石脹裂，也就是平常所說的“堿骨料反應”。這種反應造成的危害特別大，而且隨著時間的推移越來越嚴重，造成混凝土結(jié)構(gòu)物的承載力大幅度降低，直至完全破壞。3）級配。當骨料級配不好時，需要過量的水泥砂漿來覆裹骨料和填充骨料的空隙，這樣會造成水泥砂漿過量，水化時的應力集中而產(chǎn)生裂縫。

3.外加劑。當今，大部分混凝土摻加了外加劑，而且有些行業(yè)的施工規(guī)范（水利水電施工規(guī)范）已經(jīng)明確規(guī)定混凝土必須摻加外加劑，可見外加劑在混凝土中的重要性。但是外加劑的應用不當會給混凝土質(zhì)量造成危害，比如膨脹劑，添加在混凝土中的機理是先期混凝土體積微膨脹用以補償混凝土的收縮，最終達到混凝土澆筑時的體積不變或微變，用來減少由混凝土的干縮而引起的變形，但是如果添加過量，就會使混凝土在強度增長的過程中快速崩裂，使結(jié)構(gòu)物完全破壞。另外，一些外加劑內(nèi)堿含量超標誘發(fā)骨料中的堿集料反應，引發(fā)混凝土體積膨脹產(chǎn)生裂縫。 二、配合比設計對混凝土裂縫的影響

配合比是混凝土生產(chǎn)中最基本的依據(jù)，由試驗室根據(jù)試驗規(guī)程經(jīng)過室內(nèi)試配獲得。但是，一個設計不嚴謹?shù)幕炷僚浜媳炔粌H會浪費材料或不能滿足施工要求，嚴重時也能造成混凝土的裂縫。

1.水泥品種和用量。選用水泥的核心問題是如何防止混凝土強度發(fā)展時產(chǎn)生大量的水化熱，即控制混凝土的絕熱溫升，避免已成型的混凝土因溫度應力而產(chǎn)生裂縫。而混凝土內(nèi)部實際最高溫升，主要取決于水泥用量和水泥品種。所以在保證混凝土強度的前提下，盡可能選用低等級水泥和降低每立方米混凝土的水泥用量。如果受施工條件所限，需增加水泥用量來滿足混凝土工作度時，多余的水泥部分應用摻合料來替代水泥，比如粉煤灰、硅粉等。

2.砂率。合理的砂率值是根據(jù)棍凝土拌合物的坍落度、黏聚性及保水性等特征來確定的。當砂率選擇不合理時會造成混凝土拌合物離析和沁水，在混凝土的成型振搗過程中會發(fā)生重組分沉降、輕組分上浮現(xiàn)象，表面水分過多，粗骨料大量沉積在結(jié)構(gòu)物的底部，造成混凝土的表面干縮裂縫。另外，砂率過大時混凝土中的砂漿富余量多，混凝土的彈性模量降低，混凝土承載后整體受力不勻，會使混凝土局部開裂。

3.骨料級配。石子級配的好壞對節(jié)約水泥和保證混凝土具有良好的和易性有很大關(guān)系。當石子的級配較差時，需要以增加膠凝材料和加大砂率的手段來滿足混凝土施工所需的和易性，這時可能就會因為水泥過量或混凝土干縮產(chǎn)生裂縫。

4.外加劑。摻加外加劑對節(jié)約水泥、改善混凝土的工作度、提高混凝土的性能起著重要的作用，所以建議在混凝土配合比設計時首先考慮摻加外加劑。但是，由于外加劑的質(zhì)量而引起的混凝土質(zhì)量事故都是非常嚴重的事故，輕者影響混凝土的結(jié)構(gòu)性能，重者會造成混凝土報廢的重大質(zhì)量事故發(fā)生。比如，在減水劑的使用過程中減水率突然增高時會使混凝土中的自由水增加，加大混凝土的坍落度，引起混凝土拌合物沁水離析，使混凝土強度降低，多余水分從混凝土表面析出造成混凝土的干縮裂縫，另外，由于多余的水分在混凝土凝結(jié)硬化后，形成許多孔隙，當這些孔隙內(nèi)的水受凍后，體積膨脹使混凝土脹裂。

混凝土的裂縫成因很多，有材料質(zhì)量和配合比不當引起的裂縫、澆筑工藝引起的裂縫、凍脹引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、基礎變形引起的裂縫、收縮引起的裂縫、溫度變化引起的裂縫、荷載引起的裂縫等。就混凝土裂縫成因的疊加性，如果能確保混凝土原材料質(zhì)量、配合比的合理和科學性，可以從源頭上避免和減少混凝土的裂縫。

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