减缩剂对混凝土塑性裂缝的抑制作用的研究

1减缩剂对混凝土塑性裂缝的抑制作用的研究王元陈翠红(辽宁省建设科学研究院,沈阳110005)摘要本文主要通过对混凝土早期塑性裂缝产生的原因及主要影响因素进行分析,提出了采用化学减缩剂进行控制的方法,所研制的化学减缩剂可控制早期塑性裂缝率,达到80%以上。关键词塑性裂缝机理控制减缩剂1、前言在高温或风速较大的季节，大面积暴露的新鲜混凝土表面，如大面积楼面、地下室底板、混凝土桥面、路面、机场跑道等部位，在混凝土凝结之前容易产生收缩裂缝。由于这种裂缝是由于混凝土塑性收缩引起的，所以称之为塑性裂缝。塑性裂缝和干缩裂缝不同，虽然都是由于混凝土失水产生的表面张力引起的，但干缩主要是由于混凝土终凝后内部水泥石的孔隙（气孔、毛细孔、凝胶孔）水蒸发而产生，干缩量随龄期逐渐增长，形成的干缩裂缝一般垂直于长度方面或在边角是45°；塑性裂缝是由于混凝土在凝结以前表面失水引起毛细管压力而产生的表面收缩，裂缝在混凝土凝结之前形成，一般分布不规则，易出现龟裂状，常出现于混凝土板、路面、梁等大面积暴露的结构表面，多是直线形，深度局限于混凝土表面较浅区域，也可能贯穿整个结构。虽然裂缝是一种人们可以接受的材料特性，但裂缝对结构的整体性和耐久性会有不同程度的影响。引起混凝土结构裂缝原因很多，有关荷载和干缩裂缝研究较多，有关塑性裂缝的研究较少，而塑性裂缝的形成对其它因素引发裂缝的形成和发展具有重要影响，对混凝土塑性裂缝的研究与防治具有重要意义。2、产生塑性裂缝的原因分析2.1产生塑性裂缝的原因混凝土早期裂缝主要两大原因：①塑性沉降；②干燥失水。（1）塑性沉降：拌合物中的骨料在自重作用下，缓慢下沉，水和水泥浆上升，当骨料沉降过程中受到钢筋等阻挡使钢筋上部混凝土产生拉应力，当这种由沉降产生的拉应力大于这部分混凝土的抗拉应力时，混凝土就产生裂缝。（2）干燥失水：由于饱和的水泥浆露置于低湿度的环境中，水泥浆体中的水化硅酸钙（C-S-H）的水分蒸发。由于水分在混凝土的迁移，在浆体中形成一系列的复杂的凹月面，形成毛细孔压力。随着水分的迁移，固体颗粒逐渐靠近，毛细孔逐渐变细，毛细孔的压力也随之增大，从而加快混凝土内部水分向外迁移。特别是在大风、干燥、高温天气，在浇筑混凝土时，由于混凝土表面温度高，水蒸发量大而很快变硬，像是巧克力硬壳状而失去流动，而内部混凝土还未硬化，在表面至内部未之间，存在一硬化梯度层，这层硬化梯度层，制约王元男1964年12月出生教授级高工沈阳市和平南大街88号110015电话[phone]了内部混凝土的继续变形。反之内部混凝土的变形也拉动硬化层的变形，由于未硬化的混凝土的变形快，当变形达到一定的程度，表层硬壳被拉裂，这种塑性开裂往往发生在混凝土浇筑后2-3小时内。22.2影响混凝土早期塑性裂缝的因素（1）养护：潮湿养护可有效控制早期的塑性开裂，塑性收缩的速度和收缩量大小随着周围环境相对湿度的降低而增加。（2）水胶比：单位体积混凝土的水泥用量相同时，水胶比愈大则收缩也愈大。（3）胶凝料总量：增加胶凝材料用量，塑性裂缝的总数量增加。（4）砂灰比：砂灰比为2.0时是临界值，大于2.0时平均开裂面积少，当砂灰比小于1.5时平均开裂面积迅速增加。（5）砂和砂率：砂的细度对裂缝有一定的影响，砂率越大，收缩开裂越严重。（砂子越细则石子体积用量越大，因为砂率小时容易产生泌水和离析；砂率较大时、则加快坍落度损失。混凝土拌合物的合理砂率：在用水量和水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌合物获得最大流动性，且能保持粘聚性。密实的混凝土应该是砂子填满石子空隙，水泥浆包裹住砂石并填满砂子的空隙，以达到最大密实度。若砂子过少，则石子空隙的一部分，将用水泥浆填充，这样将增加水泥用量，是不经济的；砂子过少，没有足够的砂浆对石子进行润滑作用，势必加大内摩擦，降低混凝土的流动性，造成操作困难。而且由于水泥砂浆的粘滞性降低，石子容易分离，造成离析现象。但砂子过多，增大砂的表面积，就需要水泥浆包裹，同样也要增大水泥用量。在施工中多用中用粗砂而不用细砂，就是因为细砂粒径小而表面积大及含土量大的缘故。而且砂率过大粗骨料减少，还会引起混凝土强度降低。合适的含砂率应是石子、砂、水泥浆互相填充，使混凝土既能达到最大密实度，又能保证最少的水泥用量。实践证明，含砂率一般在30%~38%左右。但由于影响砂率的因素很多，需要根据石子的形状、粒径、孔隙率和砂子的品质及水灰比的大小、混凝土和易性等因素，进行试验和调整，而不能仅靠计算来解决。）33、减缩剂作用机理美国、日本等发达国家，自二十世纪八十年代以来，主要通过研制和应用减缩剂（Shrinkage-reducingagent）来降低混凝土的自身收缩，获得了多项专利，并被公认为是裂缝控制的最有效措施之一，根据毛细管张力理论，减缩剂的主要作用机理是降低混凝土孔隙水的表面张力，从而减小混凝土的收缩。混凝土浆体中存在孔隙，这些孔隙的逸散是造成收缩开裂的原因。由于自然环境和水化水泥中毛细孔内部的水面下降，液面的曲率变大，导致表面张力增大，同时又对毛细管管壁产生压力，所以，在毛细孔水分蒸发的过程中，混凝土浆体始终处于不断增强的压缩状态中，导致混凝土的表观体积减小，出现裂缝，毛细孔失水示意图如下。因此，如何降低毛细管液体的表面张力对混凝土的收缩开裂极为有利。毛细孔失水示意图减缩剂主要就是降低孔隙水的表面张力，从而减小毛细孔失水时产生的收缩应力。另一方面，化学减缩剂能增大混凝土中孔隙水的粘度，增强了水分子在凝胶体中的吸附作用，进一步减小混凝土的收缩值。4、减缩剂的研制混凝土减缩剂化学组成主要是由聚醚或聚醇类有机物或它们的衍生物组成,通式可用R1O(AO)nR2或Q[(OA)pOR’]x表示，R可为H基、C1~C12烷基、C5~C8环烷基或苯基，强调以C3~C5烷基为好；A为碳原子数2~4的环氧基、C5~C8烯基，或上述两种不同碳原子数的官能团的组合；Q为C3~C12的脂肪烃官能团；n、p、x为聚合度，n=1~80，p=0~10，x=3~5。为了降低生产成本以及提高减缩剂的性能，因此复合型减缩剂具有显著的优点。我院新研制成功了一种高效能抗裂减缩剂—LJ减缩剂，该抗裂减缩剂具有低碱、低掺量、与水互溶等特点，能有效控制混凝土的塑性收缩及早期收缩，尤其对大流态混凝土效果更好。5、减缩剂控制塑性裂缝的试验5.1试验方法（1）平板试验平板试验提供了与几何形状和边界条件有关的双向约束,在国际上多采用此方法对混凝土塑性收缩及早期收缩开裂进行快速测试。试模采用钢质材料，其具体构造如图所示。将拌合物分层的装入到平板凹槽中，不断插捣使拌合物均匀填充钢丝网下面空隙，敲打平板试模确保试件的均匀性，填充完毕用铁尺将试件表面抹平。用20kg台秤称量试件重量后，立刻移到室温23℃~26℃、风速为3m/s~4m/s的风扇下吹风。成型后仔细观察试件的表面，记录裂缝出现的时间。每一试件测量过程为24h，裂缝出现最初4h内，每5min测量一次，其后每隔一小时测一次。用读数显微镜观测裂缝的宽度变化，用钢尺测量裂缝的长度发展情况。4使用裂缝面积和最大裂缝开裂宽度作为开裂的评价指标，裂缝面积是用裂缝的平均宽度乘以其相应的延米长度而得。采用化学减缩对混凝土或砂浆抗裂性能进行改善时，采用裂缝控制率来评价对砂浆和混凝土抗裂性的改善程度。裂缝控制率（K）=（1-m/m0）×100%，其中为改性后砂浆的裂缝面积，m0为对比砂浆的裂缝面积。(2)环形试验环形试验能接近恒定的并有较大的约束，由于轴对称，其几何何形状和边界条件对结果影响不明显，环形试模为木模（或钢模），内环模采用厚度为20mm的钢模，其构造如图所示。混凝土拌合物采用分层插捣成型，同时成型不同龄期混凝土抗压强度、自由收缩、弹性模量等试件，与环形试件同条件养护。养护24h脱模，放在干缩试验室进行测试。每天用用温湿度计测量温湿度值，并用读数显微镜定期观测裂缝的出现及发展情况当钢环外测的混凝土试件干燥收缩时（以轴向收缩为主），会受到内测钢环的约束，从而产生轴向应力。当这个轴向应力超过此该混凝土试件的极度限抗拉应力时，试件就要开裂。根据计算，试件内、外表面产生的环向应力仅差点10%，同时，径向应力的最大值约为环向应力最大值的20%。因此可以认为，试件受到内部钢环约束时，处于均匀的单轴拉应力的作用，且可以忽略不均匀干燥的影响。此外，试件的高140mm是其厚30mm的4.7倍，可以认为沿着试件径向的收缩是均匀的。5.2试验结果与讨论(1)试验原料和配比水泥：本溪工源牌32.5矿硅水泥。砂子：浑河产河砂，中砂。石子：碎石，最大颗径20mm。外加剂：辽宁省建研院研制的LJ减缩剂和泵送剂。配合比：见表。编号水泥砂碎石水泵送剂(%)减缩剂(%)OPC33079711081901.80SOPC-133079711081781.81.0SOPC-233079711081721.82.0(2)平板试验结果采用如前所述的试验方法进行平板试验，试验结果见图和表。试验结果表明，相同的温度、湿度和风速条件下，OPC最早出现裂缝且裂缝的条数最多，裂缝的宽度最宽，而SOPC-1出现裂缝时间较晚，且裂缝条数明显减少，且宽度变细。SOPC-2表面只发现一条细小裂缝。裂缝控制率达到98.8%。这表明减缩剂对混凝土的早期塑性裂缝起到了很好的控制作用。5平板试验数据结果编号裂缝示意图裂缝情况裂缝控制率（%）最早裂缝产生时间(h:min)裂缝条数平均宽度(mm)长度(mm)裂缝面积(mm2)OPC2:00150.51700850基准SOPC-13:0040.267013484.2SOPC-23:2010.2505098.8(3)环形试验结果采用如前所述环形方法，试验结果为：OPC在成型后15d时出现一条长15cm、宽1mm的裂缝，直到30d裂缝无变化，而SOPC-1、SOPC-2养护到30d仍未出现裂缝，进一步证明了减缩剂对混凝土早期开裂的控制。图3裂缝面积随时间变化图01002003004005006007008009001000123456时间（h)裂缝面积(mm2)OPCSOPC-1SOPC-266、结论（1）收缩变形是导致混凝土结构非荷载裂缝产生的重要因素，控制混凝土的各种收缩就能够尽量减少裂缝的产生。（2）采用掺入减缩剂的方法可有效控制大流态混凝土早期塑性裂缝。通过平板试验，掺入1.0%的减缩剂，裂缝控制率可达到84.2%、掺入2.0%的减缩剂，裂缝控制率可达到98.8%。这表明减缩剂对混凝土早期收缩起到了很好的控制作用。（3）适宜掺量的减缩剂对混凝土的抗压强度有一定的增强作用。LJ减缩剂的适宜掺量为1.0%~2.0%。（4）混凝土减缩剂是一种崭新外加剂，能够有效地降低混凝土的收缩率，减少裂缝的产生，但是除此之外，对减缩剂与其他混凝土外加剂相容性以及对混凝土和砂浆的和易性、耐久性能的研究等，尚有许多研究工作要做。