混凝土及水泥砂浆的抗裂问题是一个世界级的难题,它直接影响到混凝土的工程质量与耐久性。 不论是混凝土,还是水泥砂浆,产生裂缝的影响因素诸多,但其主要原因有三个:温度变化、干缩和不均匀沉降。 温度变化和干缩将会引起混凝土(或水泥砂浆)的收缩,在混凝土(或水泥砂浆)表面引起拉应力,而在内部或下表面引起压应力,因此会引起表面裂缝。而不均匀沉降将会使混凝土(或水泥砂浆)全断面受拉,从而可能引起贯穿性裂缝。 无论是表面裂缝,还是贯穿性裂缝都将对混凝土(或水泥砂浆)工程的安全和耐久性带来不利的影响。通常,前者称之为非结构性裂缝(或收缩裂缝),后者称之为结构性裂缝。 结构性裂缝的防止要通过设计和施工等环节完成。本文主要介绍通过抗裂剂对混凝土(或水泥砂浆)非结构性裂缝(收缩裂缝)的影响与改良。 1混凝土(或水泥砂浆)裂缝成因分析 混凝土(或水泥砂浆)产生非结构性裂缝的原因很多,但最主要的原因是由于混凝土(或水泥砂浆)在自身和各种外界因素作用下产生收缩变形所致,因此,非结构性裂缝亦称为收缩裂缝。这种收缩变形在约束的限制下,使混凝土(或水泥砂浆)内产生与收缩方向相反的分布拉应力,当这种分布应力在某个断面积蓄到一定程度形成应力的瞬间最大值σxmax(t)超过该断面的瞬间抗拉强度f(t)时,混凝土(或水泥砂浆)开裂。 即 σxmax(t)>f(t) (1) 式中, σxmax(t)——混凝土(或水泥砂浆)中最大瞬间收缩拉应力,与混凝土(或水泥砂浆)中分布收缩应力σx(t)的大小有关; f(t)——混凝土(或水泥砂浆)瞬间抗拉强度。 混凝土(或水泥砂浆)内的分布收缩应力可按下式计算: σx(t)=kr·e0(t)·ε0(t)·s(t) (2) 式中kr——约束系数,取值与约束的刚度有关。 当约束无限刚时kr=1,当约束为自由时,kr=0。 e0(t)——混凝土(σσ或水泥砂浆)弹性模量。 ε0(t)——混凝土(或水泥砂浆)自由收缩应变,与塑性收缩、干燥收缩及温度收缩有关。 s(t)——混凝土(或水泥砂浆)徐变松驰系数。 徐变和干缩是相互联系的现象,二者有许多相似之处,首先干缩和徐变都起源于水化水泥浆体;其次应变量大致相同;二者的差别是干缩是以温差为驱动力,而徐变则以持续施加的应力为驱动力,但它们的影响因素也大致相同。 与此类似,混凝土(或水泥砂浆)抗裂的又一理论:根据混凝土的结构特性和变形性能,提出了用于评价混凝土(或水泥砂浆)抗裂性能的指标-----抗裂参数φ。 φ值越大,混凝土(或水泥砂浆)的抗裂性能越好。 (3) 式中 εp——n天龄期时混凝土(或水泥砂浆)的极限拉伸值; rl——n天龄期时混凝土(或水泥砂浆)的抗拉强度; α——混凝土(或水泥砂浆)的温度变形系数(1/℃); t——n天龄期时混凝土(或水泥砂浆)的温升(℃); el————n天龄期时混凝土(或水泥砂浆)的抗拉弹性模量(mpa)。 由此可见,抗拉强度、极限拉伸值、弹性模量、水化热及干缩等是影响混凝土(或水泥砂浆)抗裂性能的主要因素。 2 抗裂剂的种类及其作用机理简介 混凝土(或水泥砂浆)的抗裂剂的种类很多,主要品种有渗透剂、膨胀剂、纤维、减缩剂和界面密实剂(或增强密实剂)等。 2.1渗透剂:这种外加剂在国外应用比较多。作用机理是利用渗透性强的有机物渗透、填充到混凝土(或水泥砂浆)毛细孔或微裂缝中,提高混凝土(或水泥砂浆)早期抗拉强度和极限拉伸值,以达到混凝土(或水泥砂浆)抗裂的目的。 优点是早期效果好,同时可应用于修复工程。但使用成本高,同时,由于它是有机物,后期有老化问题。 2.2 膨胀剂:其作用机理是自身在混凝土(或水泥砂浆)内进行微膨胀,实现混凝土收缩补偿。从而达到提高混凝土(或水泥砂浆)的抗裂性能的目的。 但膨胀剂的膨胀率难以控制,膨胀率与其掺量和所处的环境等因素有关,膨胀率太小,起不到补偿的作用;膨胀率过大,将会给砼体积的稳定性带来不利因素。同时,膨胀剂的膨胀与混凝土(或水泥砂浆)的收缩不同步,混凝土(或水泥砂浆)在前5天由于水化热的原因,体积是膨胀的,5天后体积开始收缩,膨胀剂的膨胀源是水,水泥开始水化时,膨胀剂接触到水就开始膨胀, 5天后混凝土(或水泥砂浆)体积开始收缩时,大部分膨胀剂已膨胀了,没有膨胀的也因难以接触到水而无法膨胀。 因此膨胀剂对混凝土收缩补偿的作用和效果不明显。此外,膨胀剂在砼中分散不均匀也将给体积的稳定性带来不利因素。 2.3 纤维:作用机理是在混凝土(或水泥砂浆)搅拌时加入钢纤维或是塑料纤维,通过自身在混凝土(或水泥砂浆)内布筋的作用,增强抵御拉应力的能力,以达到混凝土(或水泥砂浆)的抗裂的目的。但采用纤维时,不论是钢纤维或是塑料纤维,它们不能提高混凝土(或水泥砂浆)自身的抗裂性能,只能当混凝土(或水泥砂浆)产生裂缝时,抑制裂缝的扩展,因为,它们的极限拉伸值远大于混凝土(或水泥砂浆),当它们的布筋受力时,混凝土(或水泥砂浆)的裂缝已经产生,因此纤维只有限裂作用。 同时使用纤维成本特别高。 2.4减缩剂:其作用机理是通过改善混凝土(或水泥砂浆)的工作性能,降低其收缩,从而达到抗裂之目的。 从上述混凝土(或水泥砂浆)内的分布收缩应力表达式(1)、(2)和(3)可知,影响混凝土(或水泥砂浆)抗裂性能的因素诸多,单纯降低收缩的作用远远不够,因此,减缩剂抗裂效果不显著。 2.5界面密实剂(或增强密实剂):其作用机理是通过促进水泥水化程度,优化水化产物,协同激发活性混合材料与ca(oh)2进行二次水化,以达到提高混凝土中凝胶量,降低孔隙率,改善水泥石及骨料界面的结构,增强凝胶粘结力,使混凝土在抗压强度弱有增长的前提下,抗拉强度和极限拉伸值增长(15~20)%,弹性模量下降(5~10)%,早期水化热明显下降,且最大峰值后延24小时,早期干缩值下降30%以上,能有效提高了混凝土的抗裂性能。 该抗裂剂性价比较好,且施工方便,目前正广泛应用各类抗裂工程。 |
