论文部分内容阅读
东莞市虎门港混凝土有限公司 广东东莞 523000
摘要：大量研究发现，混凝土结构早期开裂均会对土木工程结构的使用性能产生不利影响，甚至导致更为严重的安全事故。本文笔者根据多年实践经验，试图对混凝土早龄期性能与裂缝控制进行研究讨论，以期改善混凝土工程的整体质量。
关键词：混凝土；早期水化放热；裂缝控制
引言
当下，土木工程界对混凝土的使用频度相当高，而面对频发的质量安全事故，如何保障混凝土工程质量逐渐受到社会的关注。研究发现，混凝土早龄期性能会对混凝固结构的服役寿命、耐久性产生影响，而混凝土结构早龄期性能并非稳定不变，且会影响到混凝土结构的开裂敏感性，因此难以准确预测混凝土结构的早期裂缝，此乃结构工程界的研究难题。据此研究背景，本文试图从混凝土早龄期性能出发，浅析如何有效控制混凝土早期裂缝。
一、混凝土早龄期性能研究
混凝土早龄期性能的研究点主要集中在初期水化、电特性、早期水化放热及收缩与徐变等。为此，本文仅就上述研究点进行讨论。
（一）混凝土初期水化与电特性
混凝土搅拌之初，外界环境、重力作用均会对混凝土的微观结构产生影响，其中骨料体积、水胶比会对混凝土初期性能产生决定性的影响。在此期间，水泥的水化作用会促使混凝土直接从液态材料转变为具有荷载能力的刚性固体材料。对于混凝土的水化程度，主要采取测试电阻率法来进行监测。有研究人员分别对不同掺合料、不同水灰比的混凝土电参数及曲线变化规律进行了研究，研究发现：早龄期混凝土的强度、电阻率与时间之间的关系曲线非常相似，且彼此关联。混凝土的水化进程可采取直观与量化的方法划分成水泥水解Ⅰ、诱导期Ⅱ、凝结Ⅲ、硬化Ⅳ、硬化后期Ⅴ，并用曲线的0点、拐点、峰值点来表征水泥的水化全程，以准确判定混凝土的凝结时间。
（二）混凝土早期水化放热
有研究人员通过对混凝土早期水化反应建立单元立方体、微观表达式及混凝土水化放热模型来准确描述混凝土的放热行为。借鉴外国研究人员的实验数据之后，利用水泥水化模型便可对水泥水化进程进行精准预测及对水泥早期水化的水化度进行准确分析，同时还能对混凝土微观结构与龄期之间的发展规律进行模拟，详见图1。
图1
（三）混凝土早龄期收缩与徐变
混凝土收缩的种类有干燥收缩、塑性收缩、自收缩等。混凝土早期收缩作为多种收缩行为的结果，且不同龄期同时存在多种相互影响的收缩行为，因此难以准确划分或区分出特定龄期的收缩类型。对此，有研究人员利用自制测量装置对3种混凝土早期收缩与后期干燥进行分析。研究表明，密封养护时，混凝土3d的变化呈先膨胀后收缩的趋势，而混凝土出现微膨胀现场的成因有二：混凝土早期水化放热引起体积膨胀；密封条件下，水泥的水化作用使混凝土表面泌水被混凝土再次吸收，从而引起体积膨胀。但在干燥条件下，掺入聚丙烯腈纤维混凝土能缓解早期收缩，而选用强度等级更高的水泥会加重后期收缩。此外，若养护条件相同，则不同混凝土最终的收缩值差距较小。
二、混凝土早龄期裂缝控制分析
（一）混凝土早期开裂机理概述
混凝土早期裂缝多由收缩所产生的拉应力比相应的抗拉强度高所致。弹性力学认为，在完全约束的条件下，混凝土收缩应变所产生的拉应力等于收缩应变与弹性模量的乘积，与收缩应变反方向的力为抗拉强度，当前者比后者大时，混凝土就会产生裂缝。在实际应用中，混凝土收缩开裂的成因并非只有收缩应变，比如混凝土的抗拉强度、弹性模量、温度等均会导致混凝土产生收缩裂缝。
（二）混凝土结构开裂综合分析
据调查数据显示，非贯穿类表面裂缝占混凝土结构裂缝的60-70%，此类裂缝多由收缩应力、温度变形与约束力共同作用所致，且当墙体或梁类结构的壁厚≧500mm时，不均匀收缩、不均匀温度分布便可能会产生明显的约束应力，从而使混凝土表面开裂。在约束力及收缩变形、温度变形、徐变与约束度综合作用下，混凝土结构拉应力的增量满足下列函数式：
式中，——混凝土的泊松比；满足下列函数式：
式中，——混凝土的热膨胀系数；——第i时段增量之内混凝土的温度增量；——第i时段增量之内混凝土的收缩应变增量。
有研究人员提出采用混凝土结构开裂分析法来对混凝土早期性能进行综合分析。研究表明，利用此方法可计算出C35复掺矿物掺合料混凝土在180d的理论拉应变、极限拉应变，详见图2。
图2
根据图2可知，混凝土的理论拉应变曲线表现出“下降→上升→下降”的现象，即：混凝土初期的内部温度较高，导致其理论拉应变降低；3-30d在干燥收缩的作用下，理论拉应变逐渐上升；混凝土在30d之后受到徐变作用的影响，导致理论拉应力及理论拉应变均下降。此外，C35混凝土的极限拉应变总是比理论拉应变大，可见试验所用C35混凝土的抗裂性能较好。根据最大应变法的原理可知，混凝土最容易开裂的时间点是30d，因此应做好相应的监测与养护工作，以免混凝土产生结构裂缝。
（三）混凝土早龄期裂缝控制方法
有研究人员指出，采用“优化混凝土配合比+ 掺入矿物掺合料、聚丙烯纤维”的方法可有效控制混凝土工程早期开裂现象。另有研究人员提出，可采取下列办法来控制混凝土早龄期开裂：1.混凝土浇筑结束之后马上开展养护工作，即将塑料布、麻布等覆盖物铺在混凝土表面，以减缓混凝土水分的流失速度；2.将化学物质喷洒在混凝土表面，以防水分流失；3.混凝土拆模之后继续开展养护工作；4.增加混凝土作业环境的湿度，减缓混凝土表面自然风的流速；5.高温环境下，降低混凝土的温度，以使水在混凝土表面冷凝；6.增加混凝土养护温度，以缩短混凝土的凝结时间；7.规范超塑性减水剂的使用，选用粒径大的水泥及C3S/C3A含量低的水泥；8.优化骨料掺入比例，以控制骨料之间水泥浆的收缩。
除此之外，水灰（胶）比会影响到高性能混凝土胶凝材料体系的开裂敏感性，即胶凝材料体系抗裂性能与水胶比呈负相关，且当水胶比相当时，掺入粉煤灰可明显改善胶凝材料体系的抗裂敏感性，但此改善效果受到粉煤灰掺量、水泥的组合类型及胶凝材料水胶比等的影响。由此可见，对混凝土配合比进行优化的同时按比例掺入粉煤灰可切实改善混凝土早龄期的抗裂性能。
三、结束语
混凝土早龄期开裂是多种因素共同作用的结果，比如弹性模量、抗拉强度、抗压强度、极限拉应变、徐变、收缩及温度等。对于此，利用动态分析方法科准确预测混凝土开裂的大致时间，从而为控制混凝土早龄期开裂提供可靠依据。此外，矿物掺合料会影响到混凝土早龄期的性能，因此在混凝土中掺入比例适当的粉煤灰等材料能切实改变混凝土早龄期的抗裂性能。
参考文献：
[1]康晶，邹磊堂，蔡晓丽. 纤维高性能混凝土早龄期抗裂性能研究[J]. 北方交通，2014，01：87-90.
[2]袁泉，杨振坤，柴洁，王冬雁. 早龄期H型钢混凝土梁受力性能试验研究及有限元分析[J]. 建筑结构学报，2014，03：193-200.
[3]王甲春，阎培渝. 温度历程对早龄期混凝土抗压强度的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2014，07：228-234.
摘要：大量研究发现，混凝土结构早期开裂均会对土木工程结构的使用性能产生不利影响，甚至导致更为严重的安全事故。本文笔者根据多年实践经验，试图对混凝土早龄期性能与裂缝控制进行研究讨论，以期改善混凝土工程的整体质量。
关键词：混凝土；早期水化放热；裂缝控制
引言
当下，土木工程界对混凝土的使用频度相当高，而面对频发的质量安全事故，如何保障混凝土工程质量逐渐受到社会的关注。研究发现，混凝土早龄期性能会对混凝固结构的服役寿命、耐久性产生影响，而混凝土结构早龄期性能并非稳定不变，且会影响到混凝土结构的开裂敏感性，因此难以准确预测混凝土结构的早期裂缝，此乃结构工程界的研究难题。据此研究背景，本文试图从混凝土早龄期性能出发，浅析如何有效控制混凝土早期裂缝。
一、混凝土早龄期性能研究
混凝土早龄期性能的研究点主要集中在初期水化、电特性、早期水化放热及收缩与徐变等。为此，本文仅就上述研究点进行讨论。
（一）混凝土初期水化与电特性
混凝土搅拌之初，外界环境、重力作用均会对混凝土的微观结构产生影响，其中骨料体积、水胶比会对混凝土初期性能产生决定性的影响。在此期间，水泥的水化作用会促使混凝土直接从液态材料转变为具有荷载能力的刚性固体材料。对于混凝土的水化程度，主要采取测试电阻率法来进行监测。有研究人员分别对不同掺合料、不同水灰比的混凝土电参数及曲线变化规律进行了研究，研究发现：早龄期混凝土的强度、电阻率与时间之间的关系曲线非常相似，且彼此关联。混凝土的水化进程可采取直观与量化的方法划分成水泥水解Ⅰ、诱导期Ⅱ、凝结Ⅲ、硬化Ⅳ、硬化后期Ⅴ，并用曲线的0点、拐点、峰值点来表征水泥的水化全程，以准确判定混凝土的凝结时间。
（二）混凝土早期水化放热
有研究人员通过对混凝土早期水化反应建立单元立方体、微观表达式及混凝土水化放热模型来准确描述混凝土的放热行为。借鉴外国研究人员的实验数据之后，利用水泥水化模型便可对水泥水化进程进行精准预测及对水泥早期水化的水化度进行准确分析，同时还能对混凝土微观结构与龄期之间的发展规律进行模拟，详见图1。
图1
（三）混凝土早龄期收缩与徐变
混凝土收缩的种类有干燥收缩、塑性收缩、自收缩等。混凝土早期收缩作为多种收缩行为的结果，且不同龄期同时存在多种相互影响的收缩行为，因此难以准确划分或区分出特定龄期的收缩类型。对此，有研究人员利用自制测量装置对3种混凝土早期收缩与后期干燥进行分析。研究表明，密封养护时，混凝土3d的变化呈先膨胀后收缩的趋势，而混凝土出现微膨胀现场的成因有二：混凝土早期水化放热引起体积膨胀；密封条件下，水泥的水化作用使混凝土表面泌水被混凝土再次吸收，从而引起体积膨胀。但在干燥条件下，掺入聚丙烯腈纤维混凝土能缓解早期收缩，而选用强度等级更高的水泥会加重后期收缩。此外，若养护条件相同，则不同混凝土最终的收缩值差距较小。
二、混凝土早龄期裂缝控制分析
（一）混凝土早期开裂机理概述
混凝土早期裂缝多由收缩所产生的拉应力比相应的抗拉强度高所致。弹性力学认为，在完全约束的条件下，混凝土收缩应变所产生的拉应力等于收缩应变与弹性模量的乘积，与收缩应变反方向的力为抗拉强度，当前者比后者大时，混凝土就会产生裂缝。在实际应用中，混凝土收缩开裂的成因并非只有收缩应变，比如混凝土的抗拉强度、弹性模量、温度等均会导致混凝土产生收缩裂缝。
（二）混凝土结构开裂综合分析
据调查数据显示，非贯穿类表面裂缝占混凝土结构裂缝的60-70%，此类裂缝多由收缩应力、温度变形与约束力共同作用所致，且当墙体或梁类结构的壁厚≧500mm时，不均匀收缩、不均匀温度分布便可能会产生明显的约束应力，从而使混凝土表面开裂。在约束力及收缩变形、温度变形、徐变与约束度综合作用下，混凝土结构拉应力的增量满足下列函数式：
式中，——混凝土的泊松比；满足下列函数式：
式中，——混凝土的热膨胀系数；——第i时段增量之内混凝土的温度增量；——第i时段增量之内混凝土的收缩应变增量。
有研究人员提出采用混凝土结构开裂分析法来对混凝土早期性能进行综合分析。研究表明，利用此方法可计算出C35复掺矿物掺合料混凝土在180d的理论拉应变、极限拉应变，详见图2。
图2
根据图2可知，混凝土的理论拉应变曲线表现出“下降→上升→下降”的现象，即：混凝土初期的内部温度较高，导致其理论拉应变降低；3-30d在干燥收缩的作用下，理论拉应变逐渐上升；混凝土在30d之后受到徐变作用的影响，导致理论拉应力及理论拉应变均下降。此外，C35混凝土的极限拉应变总是比理论拉应变大，可见试验所用C35混凝土的抗裂性能较好。根据最大应变法的原理可知，混凝土最容易开裂的时间点是30d，因此应做好相应的监测与养护工作，以免混凝土产生结构裂缝。
（三）混凝土早龄期裂缝控制方法
有研究人员指出，采用“优化混凝土配合比+ 掺入矿物掺合料、聚丙烯纤维”的方法可有效控制混凝土工程早期开裂现象。另有研究人员提出，可采取下列办法来控制混凝土早龄期开裂：1.混凝土浇筑结束之后马上开展养护工作，即将塑料布、麻布等覆盖物铺在混凝土表面，以减缓混凝土水分的流失速度；2.将化学物质喷洒在混凝土表面，以防水分流失；3.混凝土拆模之后继续开展养护工作；4.增加混凝土作业环境的湿度，减缓混凝土表面自然风的流速；5.高温环境下，降低混凝土的温度，以使水在混凝土表面冷凝；6.增加混凝土养护温度，以缩短混凝土的凝结时间；7.规范超塑性减水剂的使用，选用粒径大的水泥及C3S/C3A含量低的水泥；8.优化骨料掺入比例，以控制骨料之间水泥浆的收缩。
除此之外，水灰（胶）比会影响到高性能混凝土胶凝材料体系的开裂敏感性，即胶凝材料体系抗裂性能与水胶比呈负相关，且当水胶比相当时，掺入粉煤灰可明显改善胶凝材料体系的抗裂敏感性，但此改善效果受到粉煤灰掺量、水泥的组合类型及胶凝材料水胶比等的影响。由此可见，对混凝土配合比进行优化的同时按比例掺入粉煤灰可切实改善混凝土早龄期的抗裂性能。
三、结束语
混凝土早龄期开裂是多种因素共同作用的结果，比如弹性模量、抗拉强度、抗压强度、极限拉应变、徐变、收缩及温度等。对于此，利用动态分析方法科准确预测混凝土开裂的大致时间，从而为控制混凝土早龄期开裂提供可靠依据。此外，矿物掺合料会影响到混凝土早龄期的性能，因此在混凝土中掺入比例适当的粉煤灰等材料能切实改变混凝土早龄期的抗裂性能。
参考文献：
[1]康晶，邹磊堂，蔡晓丽. 纤维高性能混凝土早龄期抗裂性能研究[J]. 北方交通，2014，01：87-90.
[2]袁泉，杨振坤，柴洁，王冬雁. 早龄期H型钢混凝土梁受力性能试验研究及有限元分析[J]. 建筑结构学报，2014，03：193-200.
[3]王甲春，阎培渝. 温度历程对早龄期混凝土抗压强度的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2014，07：228-234.