探析建筑材料性能對(duì)混凝土早期裂縫的影響

胡又平

（廣西武宣東強(qiáng)混凝土攪拌有限公司，廣西 來(lái)賓 545900）

裂縫是混凝土施工中需要重點(diǎn)控制的質(zhì)量缺陷，其基本形成機(jī)理是在某一時(shí)間點(diǎn)應(yīng)力作用超過(guò)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，從而破壞原材料之間的緊密結(jié)合而導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。而混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫被稱為早期裂縫，其特點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能沒(méi)有影響，成因是內(nèi)部的收縮、膨脹等應(yīng)力作用，因而與材料的性能直接相關(guān)。

1 早期裂縫發(fā)生規(guī)律及其與材料性能之間的聯(lián)系

1.1 早期裂縫發(fā)生規(guī)律

在建筑混凝土施工實(shí)踐中早期裂縫在特定部位的發(fā)生概率極高，包括薄厚有明顯差別的構(gòu)件銜接部位、箱梁腹板、大體積混凝土以及錨固區(qū)域等。結(jié)合對(duì)早期裂縫形成階段相關(guān)部位應(yīng)力分布和變化特點(diǎn)的分析不難發(fā)現(xiàn)這些部位受到溫度、干縮以及材料膨脹應(yīng)力影響最大。在混凝土固化至理想強(qiáng)度前，其結(jié)構(gòu)抗拉、抗剪切性能處于漸變過(guò)程，源自于溫度不均勻變化、不同構(gòu)件、澆筑段與層之間銜接部位的約束作用以及結(jié)構(gòu)自重的應(yīng)力也在持續(xù)變化并作用于養(yǎng)護(hù)中的混泥土結(jié)構(gòu)，所以裂縫的形成受到工藝設(shè)計(jì)、施工作業(yè)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。而早期裂縫易發(fā)部位正是在固化過(guò)程中內(nèi)外部溫差偏大、結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱或者表面水分散失快的位置，所以溫度和干縮應(yīng)力更容易超出結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度，造成早期裂縫集中產(chǎn)生。

1.2 與建筑材料性能之間的聯(lián)系

混凝土原材料的選擇、配方設(shè)計(jì)決定了固化過(guò)程中構(gòu)件強(qiáng)度、干縮和溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，所以雖然早期裂縫的形成與結(jié)構(gòu)形式存在一定的關(guān)系，但原材料的選擇及配方設(shè)計(jì)才是是否出現(xiàn)早期裂縫的決定性因素。首先，混凝土中的水泥種類、外加劑類型以及配比等工藝參數(shù)一旦確定，在混合料澆筑成型后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線基本確定，也決定了水化熱帶來(lái)的溫升幅度與速度、水分散失而形成的干縮應(yīng)力大小。所以，能否避免早期裂縫形成關(guān)鍵在于了解水泥等建筑材料的性能特點(diǎn)，明確混凝土配比以及原材料性能指標(biāo)對(duì)混凝土收縮率、早期強(qiáng)度以及溫度應(yīng)力的影響。

2 材料性能和混凝土內(nèi)部應(yīng)力的關(guān)系

2.1 水泥類型及各項(xiàng)性能參數(shù)

水泥通過(guò)水化反應(yīng)起到固化和凝聚混凝土材料的作用，不同類型的水泥在收縮率、化學(xué)成分以及細(xì)度方面均存在明顯區(qū)別。而收縮率越大則意味著混凝土在固化過(guò)程中的收縮值越大、凝結(jié)速度更快，因而收縮應(yīng)力相對(duì)較大，生成早期裂縫的風(fēng)險(xiǎn)也就越高。水泥化學(xué)成分中的氧化鈣與氧化鎂等在參與水化反應(yīng)時(shí)存在反應(yīng)時(shí)間滯后且生成物體積膨脹的問(wèn)題[1]。因此如果含量偏高則導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到分布不均勻的膨脹應(yīng)力的作用，而此時(shí)構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到一定的固化強(qiáng)度，所以趨于穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而產(chǎn)生早期裂縫。此外，水泥的細(xì)度與其水化反應(yīng)速度正向相關(guān)，所以細(xì)度越高則水化反應(yīng)時(shí)間越短，意味著破壞其結(jié)構(gòu)在固化早期承受更大的收縮應(yīng)力，因而更易出現(xiàn)早期裂縫問(wèn)題。

2.2 骨料粒徑、級(jí)配以及品質(zhì)的影響

骨料是保障混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵，在混合料拌合過(guò)程中如果骨料的表面積越大則需要更多水泥才能完全填充骨料之間的孔隙，并使之固結(jié)為一體，用水量也會(huì)相應(yīng)增加，意味著產(chǎn)生更多水化熱，從而形成更大溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。因此，骨料的砂細(xì)度與級(jí)配需要得到合理控制才能避免出現(xiàn)早期裂縫。

2.3 外加劑和摻和料的影響

混凝土的配方設(shè)計(jì)需要衡量待澆筑構(gòu)件的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性以及施工工藝可行性等多方面的要求，因此時(shí)常需要通過(guò)使用外加劑和摻和料，力圖改善混凝土的性能并控制水泥用量、水灰比等工藝參數(shù)，使設(shè)計(jì)方案既確保澆筑后的構(gòu)件順利固化至理想強(qiáng)度，又可以滿足泵送等工藝流程的要求。但減水劑等外加劑的使用雖然能改善混凝土的工藝性能或提升構(gòu)件早期強(qiáng)度，卻也會(huì)帶來(lái)收縮率上升等風(fēng)險(xiǎn)。而粉煤灰等摻和料的添加有助于控制水泥用量并提升混凝土結(jié)構(gòu)性能，理論上有助于抑制早期裂縫的形成[2]。但前提是精確計(jì)算和控制摻和比例，否則導(dǎo)致破壞其早期強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，或者因粉煤灰水化反應(yīng)過(guò)慢造成水分過(guò)度蒸發(fā)，形成較大的收縮應(yīng)力并帶來(lái)早期裂縫。

3 早期裂縫的防控對(duì)策

3.1 優(yōu)化破壞其原材料選擇

鑒于建筑材料性能與破壞其早期裂縫形成具有顯而易見(jiàn)的聯(lián)系，在工藝設(shè)計(jì)以及施工籌備階段首先必須對(duì)每種原材料的性能進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估和計(jì)算，重點(diǎn)關(guān)注水泥水化熱、骨料粒徑等參數(shù)，以便有效控制破壞其澆筑后的溫度應(yīng)力、收縮值，降低早期裂縫的發(fā)生概率[3]。以能夠滿足設(shè)計(jì)、施工工藝要求以及結(jié)構(gòu)承載力需要為前提，慎重選擇水泥類型和外加劑種類，原則上應(yīng)盡量使用中粗粒徑的骨料。其次應(yīng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行必要的原材料性能試驗(yàn)，驗(yàn)證和確認(rèn)每種材料的性能可以達(dá)到要求。

3.2 基于科學(xué)試驗(yàn)優(yōu)化配方設(shè)計(jì)

目前隨著混凝土施工以及相關(guān)材料研發(fā)的不斷進(jìn)步，混凝土的原材料種類和配方設(shè)計(jì)更加多樣化，能夠降低用水量、提升混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及改善混合料工藝性能的外加劑種類越來(lái)越多。雖然有助于保證混凝土施工質(zhì)量，卻給混凝土配方設(shè)計(jì)帶來(lái)更高難度和更大風(fēng)險(xiǎn)。任何一種材料使用不當(dāng)都有可能帶來(lái)質(zhì)量問(wèn)題。因此，首先應(yīng)在混凝土配比設(shè)計(jì)中進(jìn)行規(guī)范化的試驗(yàn)，針對(duì)不同配方進(jìn)行試拌和制作試件實(shí)施檢測(cè)，結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求評(píng)估設(shè)計(jì)方案的合理性并進(jìn)行必要的優(yōu)化[4]，從而確定最佳的配比、骨料級(jí)配等工藝參數(shù)以及外加劑類型和用量，有效防控早期裂縫以及其它施工質(zhì)量缺陷。

3.3 做好原材料性能檢測(cè)與品質(zhì)控制

混凝土施工原材料的品質(zhì)天然具有不穩(wěn)定的特性，尤其是骨料的粒徑和含泥量往往難以精確的控制。因此要想有效防控早期裂縫的形成還必須在施工階段制定可行的原材料性能檢測(cè)與品質(zhì)控制方案，確保每批材料的性能、規(guī)格均能達(dá)到工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。首先對(duì)水泥的品質(zhì)根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行抽樣測(cè)試，重點(diǎn)檢驗(yàn)其細(xì)度、水化熱等指標(biāo)是否和設(shè)計(jì)要求相符。其次，檢驗(yàn)骨料的粒徑、含泥量以及含水率等參數(shù)，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)在允許的范圍內(nèi)。此外也必須對(duì)預(yù)拌混凝土的塌落度等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，并按照規(guī)范要求制作試件用于性能評(píng)定，也作為構(gòu)件養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然混凝土早期裂縫的形成機(jī)理并不復(fù)雜，但起到直接作用的內(nèi)部應(yīng)力影響因素卻十分多樣，而且相互之間存在關(guān)聯(lián)，所以控制難度較大。但與內(nèi)部應(yīng)力大小相關(guān)的混凝土水化熱、固化時(shí)間以及收縮和膨脹系數(shù)都取決于水泥等建筑材料的性能。因此要想降低早期裂縫的發(fā)生概率必須從優(yōu)化混凝土原材料的選擇和配方設(shè)計(jì)入手，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)每種原材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析、計(jì)算以及檢驗(yàn)，確定最終的工藝參數(shù)和施工技術(shù)方案。