混凝土及水泥砂漿的抗裂問題是一個世界級的難題,它直接影響到混凝土的工程質量與耐久性。 不論是混凝土,還是水泥砂漿,產生裂縫的影響因素諸多,但其主要原因有三個:溫度變化、干縮和不均勻沉降。 溫度變化和干縮將會引起混凝土(或水泥砂漿)的收縮,在混凝土(或水泥砂漿)表面引起拉應力,而在內部或下表面引起壓應力,因此會引起表面裂縫。而不均勻沉降將會使混凝土(或水泥砂漿)全斷面受拉,從而可能引起貫穿性裂縫。 無論是表面裂縫,還是貫穿性裂縫都將對混凝土(或水泥砂漿)工程的安全和耐久性帶來不利的影響。通常,前者稱之為非結構性裂縫(或收縮裂縫),后者稱之為結構性裂縫。 結構性裂縫的防止要通過設計和施工等環節完成。本文主要介紹通過抗裂劑對混凝土(或水泥砂漿)非結構性裂縫(收縮裂縫)的影響與改良。 1混凝土(或水泥砂漿)裂縫成因分析 混凝土(或水泥砂漿)產生非結構性裂縫的原因很多,但最主要的原因是由于混凝土(或水泥砂漿)在自身和各種外界因素作用下產生收縮變形所致,因此,非結構性裂縫亦稱為收縮裂縫。這種收縮變形在約束的限制下,使混凝土(或水泥砂漿)內產生與收縮方向相反的分布拉應力,當這種分布應力在某個斷面積蓄到一定程度形成應力的瞬間最大值σxmax(t)超過該斷面的瞬間抗拉強度f(t)時,混凝土(或水泥砂漿)開裂。 即 σxmax(t)>f(t) (1) 式中, σxmax(t)——混凝土(或水泥砂漿)中最大瞬間收縮拉應力,與混凝土(或水泥砂漿)中分布收縮應力σx(t)的大小有關; f(t)——混凝土(或水泥砂漿)瞬間抗拉強度。 混凝土(或水泥砂漿)內的分布收縮應力可按下式計算: σx(t)=kr·e0(t)·ε0(t)·s(t) (2) 式中kr——約束系數,取值與約束的剛度有關。 當約束無限剛時kr=1,當約束為自由時,kr=0。 e0(t)——混凝土(σσ或水泥砂漿)彈性模量。 ε0(t)——混凝土(或水泥砂漿)自由收縮應變,與塑性收縮、干燥收縮及溫度收縮有關。 s(t)——混凝土(或水泥砂漿)徐變松馳系數。 徐變和干縮是相互聯系的現象,二者有許多相似之處,首先干縮和徐變都起源于水化水泥漿體;其次應變量大致相同;二者的差別是干縮是以溫差為驅動力,而徐變則以持續施加的應力為驅動力,但它們的影響因素也大致相同。 與此類似,混凝土(或水泥砂漿)抗裂的又一理論:根據混凝土的結構特性和變形性能,提出了用于評價混凝土(或水泥砂漿)抗裂性能的指標-----抗裂參數φ。 φ值越大,混凝土(或水泥砂漿)的抗裂性能越好。 (3) 式中 εp——n天齡期時混凝土(或水泥砂漿)的極限拉伸值; rl——n天齡期時混凝土(或水泥砂漿)的抗拉強度; α——混凝土(或水泥砂漿)的溫度變形系數(1/℃); t——n天齡期時混凝土(或水泥砂漿)的溫升(℃); el————n天齡期時混凝土(或水泥砂漿)的抗拉彈性模量(mpa)。 由此可見,抗拉強度、極限拉伸值、彈性模量、水化熱及干縮等是影響混凝土(或水泥砂漿)抗裂性能的主要因素。 2 抗裂劑的種類及其作用機理簡介 混凝土(或水泥砂漿)的抗裂劑的種類很多,主要品種有滲透劑、膨脹劑、纖維、減縮劑和界面密實劑(或增強密實劑)等。 2.1滲透劑:這種外加劑在國外應用比較多。作用機理是利用滲透性強的有機物滲透、填充到混凝土(或水泥砂漿)毛細孔或微裂縫中,提高混凝土(或水泥砂漿)早期抗拉強度和極限拉伸值,以達到混凝土(或水泥砂漿)抗裂的目的。 優點是早期效果好,同時可應用于修復工程。但使用成本高,同時,由于它是有機物,后期有老化問題。 2.2 膨脹劑:其作用機理是自身在混凝土(或水泥砂漿)內進行微膨脹,實現混凝土收縮補償。從而達到提高混凝土(或水泥砂漿)的抗裂性能的目的。 但膨脹劑的膨脹率難以控制,膨脹率與其摻量和所處的環境等因素有關,膨脹率太小,起不到補償的作用;膨脹率過大,將會給砼體積的穩定性帶來不利因素。同時,膨脹劑的膨脹與混凝土(或水泥砂漿)的收縮不同步,混凝土(或水泥砂漿)在前5天由于水化熱的原因,體積是膨脹的,5天后體積開始收縮,膨脹劑的膨脹源是水,水泥開始水化時,膨脹劑接觸到水就開始膨脹, 5天后混凝土(或水泥砂漿)體積開始收縮時,大部分膨脹劑已膨脹了,沒有膨脹的也因難以接觸到水而無法膨脹。 因此膨脹劑對混凝土收縮補償的作用和效果不明顯。此外,膨脹劑在砼中分散不均勻也將給體積的穩定性帶來不利因素。 2.3 纖維:作用機理是在混凝土(或水泥砂漿)攪拌時加入鋼纖維或是塑料纖維,通過自身在混凝土(或水泥砂漿)內布筋的作用,增強抵御拉應力的能力,以達到混凝土(或水泥砂漿)的抗裂的目的。但采用纖維時,不論是鋼纖維或是塑料纖維,它們不能提高混凝土(或水泥砂漿)自身的抗裂性能,只能當混凝土(或水泥砂漿)產生裂縫時,抑制裂縫的擴展,因為,它們的極限拉伸值遠大于混凝土(或水泥砂漿),當它們的布筋受力時,混凝土(或水泥砂漿)的裂縫已經產生,因此纖維只有限裂作用。 同時使用纖維成本特別高。 2.4減縮劑:其作用機理是通過改善混凝土(或水泥砂漿)的工作性能,降低其收縮,從而達到抗裂之目的。 從上述混凝土(或水泥砂漿)內的分布收縮應力表達式(1)、(2)和(3)可知,影響混凝土(或水泥砂漿)抗裂性能的因素諸多,單純降低收縮的作用遠遠不夠,因此,減縮劑抗裂效果不顯著。 2.5界面密實劑(或增強密實劑):其作用機理是通過促進水泥水化程度,優化水化產物,協同激發活性混合材料與ca(oh)2進行二次水化,以達到提高混凝土中凝膠量,降低孔隙率,改善水泥石及骨料界面的結構,增強凝膠粘結力,使混凝土在抗壓強度弱有增長的前提下,抗拉強度和極限拉伸值增長(15~20)%,彈性模量下降(5~10)%,早期水化熱明顯下降,且最大峰值后延24小時,早期干縮值下降30%以上,能有效提高了混凝土的抗裂性能。 該抗裂劑性價比較好,且施工方便,目前正廣泛應用各類抗裂工程。 |
