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1、5/5水泥水化热对混凝土早期开裂的影响`引言 对于预拌混凝土应用过程出现的早期开裂现象,有些混凝土专家归因于水泥比表面积太大和早期强度太高;而水泥界则认为,我国目前水泥的比表面积和早期强度并不比国外的高,混凝土的早期开裂主要是混凝土施工和养护不当所致。笔者认为,必须通过混凝土生产者和水泥生产商沟通,对早期裂缝的成因达成共识,在水泥生产、混凝土配制及施工养护等环节共同采取措施加以解决。“高强早强、高比表面积”及“水泥磨得太细”,这些都是表面现象,其本质是早期水化热太高及混凝土温度应力大的缘故。1水化热高是混凝土早期开裂的重要原
2、因 混凝土早期开裂主要是由于初凝前后干燥失水引起的收缩应变和水化热产生的热应变所引起。关于混凝土的开裂,大家都已接受如下认识:抗拉强度越高,则混凝土开裂的危险性越小;弹性模量大、收缩大则开裂的危险性大;徐变大则开裂的危险性小。弹性模量越低,一定收缩量(或应变)产生的拉应力越小。 混凝土处于塑性状态时弹性模量几乎为零,任何收缩或应变都不会产生拉应力,只有凝结固化具有一定强度后才有弹性模量,混凝土弹性模量随强度增加而增大。因此,混凝土强度的发展既有利于减少混凝土的开裂又因弹性模量增大而增加混凝土的开裂性。根据美国ACI建筑法规
3、318-83,混凝土弹性模量与标准圆柱体28d抗压强度的平方根成正比[1]。混凝土徐变越大,应力松弛量越大,纯拉应力越小。因此,弹性模量低、徐变大及收缩小的混凝土开裂的危险小。高强混凝土因收缩较大和徐变较小而较易开裂,而低强混凝土可能因收缩小和徐变大,而往往裂缝较少。关于干燥收缩及其避免或减少收缩的措施,大家都已达成共识,本文不拟赘述,但对于温度应变引起的应力往往认识不足。 温度应力是目前预拌混凝土早期开裂的一个很重要的因素。R.Springenschmid[2]认为,混凝土的2/3应力来自于温度变化,1/3来自干缩和湿胀。
4、水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源。按照瑞典学者J.Byfors[3]的观点,“混凝土拌和物成型的最初几个小时,还没有形成凝聚结构,此时主要表现为黏塑性。随着水化进行,塑性减少,弹性模量增大,成型后4～8h,弹性模量从10～102MPa迅速增长至104～105MPa,增加了3个数量级,而此期间抗压和抗拉强度以正常速度增长,因此极限抗拉应变由2h的4.0×10-3急剧下降至6～8h的0.04×10-3左右,即极限应变减小到原来的1/100,因此成型后6～8h极限抗拉应变达到最低值”。 在混凝土终凝时,抗压强度只有0.7M
5、Pa[1],抗拉强度只有0.07MPa,混凝土弹性模量按1.0×104MPa计,只要产生大于0.07/(1.0×104)=7×10-6的应变即可使混凝土开裂。混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃[1],只要混凝土内外温差为1℃就足可使此时混凝土开裂。国外为使混凝土的早期不开裂,要求12h抗压强度不大于6MPa,相应的抗拉强度约0.6MPa,即使弹性模量仍按1.0×104MPa计,此时应变不应大于6×10-5,相当于内外温度梯度不大于6℃。而国内学者要求24h抗压强度不大于12MPa,相应的抗拉强度约1.2MPa,此时应变不应
6、大于12×10-5,相当于内外温差不大于12℃。不幸的是,5/5水泥的水化热释放主要集中在早期,文献[1]认为,水泥加水拌和后,立即出现放热(称为第一个放热峰),持续几分钟,这可能是铝酸盐和硫酸盐的溶解热。下一阶段是形成钙矾石所放出的热量,对于大部分波特兰水泥,大约在4～8h后,会达到第二个放热峰顶点,除钙矾石形成热外它也包括C3S的一些溶解热和C-S-H的形成热。典型的波特兰水泥在开始3d内大致会放出50%的水化热。某P·O42.5水泥1d水化热为188kJ/kg,3d为231kJ/kg,按混凝土密度2400kg/m3、比热
7、0.96kJ/(kg·℃)计,混凝土1d和3d的绝热温升相应为24.4℃和30.1℃。混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3～4d,掺粉煤灰后可推迟至第5～6d,因此,从减少混凝土早期温度应变出发,应尽量减少水泥水化热。笔者认为,国内外混凝土专家要求混凝土1d抗压强度不大于12MPa或12h抗压强度不大于6MPa,其实质是降低早期水化速率和水化热,减少温度应变所产生的应力。有些施工人员反映细度太细强度太高的水泥配制的混凝土容易开裂,其实质也是这些水泥早期水化快,水化热大,使混凝土温度应力大的结果。混凝土成型后盖湿麻袋养护不开裂是
8、因为它起到保湿保温的作用。 综上所述,对混凝土的早期开裂必须具体分析,不能一概归咎于水泥。笔者认为,对于低强度等级的混凝土特别是C30以下的混凝土,其早期开裂主要是由于养护不当所引起,而对低水胶比高强度等级的混凝土,除此之外,水泥水化热也起着重要的作用。2减少水泥水化热和混
