水泥品质对混凝土抗裂性影响

　　1.引言
　　传统理论方式混凝土是按强度进行设计，衡量混凝土质量的最终标准主要是混凝土的强度。因此混凝土生产商对水泥质量品质的要求也就是强调其强度，造成近年来混凝土结构出现裂缝尤其是早期开裂的现象日益普遍。其原因很复杂。单从水泥来说，比表面积、矿物组成中C₃A、C₃S、碱含量的增加，外加剂的掺入量和外加剂的品种性能，温度过高的出厂水泥用于混凝土搅拌站，都增加了开裂的敏感性，降低了混凝土的流变性能，这是混凝土的原材料中影响混凝土产品质量的主要原因。因此，应当把抗裂性作为水泥质量品质的重要要求。
　　随着商品混凝土的普及，混凝土的早期开裂现象普遍增多，一般情况无外乎以下两种现象：
　　（1） 塑性开裂
　　由于塑性阶段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表层混凝土的失水收缩，受内部混凝土与钢筋的约束造成受拉开裂。现今水泥的早强特性及外加剂的掺加使用不适当，使得混凝土较快或者过于缓慢凝结。凝结较快时易造成塑性开裂；当混凝土长时间处于塑性状态，将增加其塑性开裂的可能性。
　　（2）早期硬化开裂
　　早期硬化混凝土有一个极限拉应变最低的时段，而现在水泥早期产生的水化热，水泥胶凝材料的高细度和低水胶比，因高效减水剂造成的湿润角和毛细孔水力半径的降低，使得毛细孔压力增加，早期收缩(包括自收缩)可能在混凝土凝固初期就超过它的极限应变值而造成开裂。因此，为保障混凝土的后期性能，选择合适的早期性能水泥、掺合料(品种、掺量)、外加剂对混凝土的凝结影响是极其重要的。
　　2 下面将要分别研究水泥比表面积、矿物组成中C₃A、C₃S、碱含量，外加剂的品种性能等因素对混凝土抗裂性造成的影响：
　　2.1水泥矿物组成的影响
　　硅酸盐水泥主要的组成矿物有四种，C₃A、C₃S、C₂S、C₄AF它们的水化性质不同，在水泥中所占比例不同时将影响对水泥整体的性质。C₃A的水化热是其他矿物水化热的数倍，尤其在混凝土早期强度的发挥时期。C₃S的水化热虽然比C3A的小很多，但在3天却是C₂S水化热的几乎5倍，因其含量在熟料中约占一半，故影响也很大；C₃A的收缩率是C₂S收缩率的3倍，是C₄AF的 4～5倍。因此用C₃A含量较大的早强水泥浇筑的混凝土容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。
　　2.2各种外加剂对混凝土性能的影响
　　2.2.1减水剂
　　当高效减水剂产品一定时，水泥的成分(主要是含碱量、C₃A及其相应的SO₃含量)和细度是影响水泥和高效减水剂相容性的主要因素。近年来随着水泥细度的变化加剧了水泥与高效减水剂的相容性问题。 混凝土干缩主要与混凝土中5～30nm孔径毛细孔所保持的水分有关；减水剂在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛细孔孔经减小。 掺加高效减水剂后，低水灰比使集料和水泥石间的弹性模量减小，集料水膜层厚度减薄，过渡区Ca(OH) ₂及AFt的大小及趋向程度大大减小，导致过渡区毛细孔细化，增强过渡区收缩而开裂。
　　2.2.2膨胀剂
　　膨胀剂因钙矾石(C₃A·3CaSO₄·32H₂O)的生成产生体积膨胀，从而补偿混凝土的收缩。掺膨胀剂混凝土只有在限制条件下，才能使混凝土硬化浆体和界面至密，存储膨胀能，因此，限制膨胀率是使用膨胀剂的基本指标。硫铝酸盐类膨胀剂，水泥水化后形成的钙矾石，其结晶水的吸附和脱离是可逆过程。在干燥条件下比一般水化矿物更易脱水，因此干缩较大。为了防止收缩裂缝，应选择膨胀结束后收缩较小的膨胀剂。钙矾石的生成需要大量的水，当水分供应不充分时，会消耗内部会与水泥争夺水份，加剧自收缩。较多的SO₃含量会造成延迟钙矾石的形成，导致混凝土的后期开裂。
　　2.2.3低水胶比混凝土的自收缩
　　随着混凝土技术的进步，高效减水剂的使用，出现了低水胶混凝土，随着水化的进行试件表面的水分向内部迁移，水胶比越小，在混凝土硬化后这种迁移越困难，内外差别越小，内部含水率也越低。硬化后的混凝土，水泥水化的化学减缩会使混凝土的内部形成毛细孔。当孔隙水的迁移速率低于毛细孔的形成速率时，则内部含水率自发地降低，孔隙湿度降低，引起毛细管压力增大，而加重自干燥收缩。自干燥产生的原始裂缝，将影响混凝土的强度和耐久性。
　　2.2.4粉煤灰
　　粉煤灰加入水泥混凝土中，将降低水化速率，使导水化较快的膨胀剂的膨胀效率降低。粉煤灰与Ca(OH)₂的火山灰效应将增大混凝土中的凝胶份额，使更多的膨胀能消耗在凝胶的粘性流动中。粉煤灰等量替代硅酸盐水泥，在粉煤灰浆体有相同的水胶比下与硅酸盐水泥相比，由于早期粉煤灰反应程度较小，粉煤灰水泥浆体的空隙率明显大于硅酸盐水泥浆体。在混凝土凝结后期，粉煤灰与水泥水化生成的Ca(COH)₂亦生成C-S-H凝胶。这部分水化生成物一部分沉积在粉煤灰颗粒表面，另一部分填充在水泥水化生成物如Ca(COH) ₂粗晶体与C-S-H凝胶之间的粗空中，使整个浆体孔发生细化，整个收缩将向硅酸盐水泥混凝土靠近，能够有效地提高混凝土早期的抗裂性能。
　　2.2.5矿 粉
　　现今一般使用的超细矿粉，使整个胶结材料的粒径分布发生变化，改进基体与界面的孔结构。矿粉的粒径远远小于水泥，则产生填充作用，使得混凝土的孔洞结构细化。超细矿粉从几乎是由玻璃体组成，高钙玻璃相与高铝中硅玻璃相的复合体系水化液相主要为Ca²⁺、AlO^2-和SiO₂^-4。当有SiO₂^-4存在时，则生成稳定性好，溶积度小的AFt，这又促使两种玻璃体失去稳定性，加上较大的比表面积，使超细矿粉具有较高的活性，与Ca(OH) ₂反应生成较多的成C-S-H凝胶，并使得过渡区和基体的孔隙细化，有实验证明其等量替代混凝土的早期自干燥收缩较大，后期收缩与未掺矿粉的混凝土相当。
　　2.2.6 合成纤维
　　在混凝土的塑性收缩状态下，若在其中掺加适量的细纤维，并使细纤维成三维网络状分布，则可承受因不一致的变形而引起的内应力，从而抑制塑性裂缝的生成与发展。纤维在塑性混凝土阶段的阻裂效应，可以看作是纤维对塑性混凝土的增强作用，这种增强作用的有效性主要和纤维在混凝土中的分散程度有关，即纤维愈细，纤维间距愈小，增强作用愈有效。
　　2.3 水泥细度对混凝土开裂的影响
　　目前，在我国大多数水泥粉磨条件下，水泥磨得越细，其中的细颗粒越多。增加水泥的比表面积能提高水泥的水化速率，提高早期强度，引起徐变松驰能力下降，弹性模量增加。粒径在1μm以下的颗粒水化很快，几乎对后期强度没有任何贡献。倒是对早期的水化热、混凝土的自收缩和干燥收缩有贡献--水化快的水泥颗粒水化热释放得早；因水化快消耗混凝土内部的水分较快，引起混凝土的自干燥收缩；使收缩速度大大增加，细颗粒容易水化充分，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少，减少了稳定体积的未水化颗粒，因而影响到混凝土的长期性能。
　　2.4 水泥中含碱量和混凝土开裂的关系
　　碱能促进水泥的收缩开裂。碱-骨料反应必须在混凝土中有足够的含碱量、足够数量的碱活性骨料和足够的水分供应这三个条件同时存在的情况下才会发生，并不要求任何情况下都限制水泥的含碱量，但是，促进混凝土收缩裂缝的生成和发展以至造成混凝土结构物的劣化，却是高含碱量水泥对混凝土更大的安全威胁。不管是否使用活性骨料，必须将水泥中的含碱量减到最少。
　　3.对水泥抗裂性评价和选择方法的推荐
　　用环形约束试验评价水泥对混凝土抗裂性的方法已有60多年的历史。Burrows建议使用Blaine的方法评价水泥的抗裂性：开裂时间<1h的是很差的水泥，开裂时间>15h的为优。研究结果表明：用环形试验评价的混凝土所用胶凝材料的抗裂性结果是有效的。这种试验当使用热膨胀系数小的材料时，不仅可检测水泥的干缩开裂性能，还可检测由于温度收缩引起的开裂性能。
　　4.讨论和建议
　　4.1 众所周知，凡是能提高混凝土早期强度的因素，都会影响混凝土后期强度的增长，目前在配制混凝土时都有较大的强度富余，以期补偿这种后期强度的损失，这无疑造成很大的浪费。事实上现在看来，问题远远比此种行为更为严重，早期的高强度所带来的后患是混凝土结构物提早劣化。因此，除非工程有特别特殊需要，一般情况下应尽量避免使用早强水泥。
　　4.2混凝土早期高强度的需求促使了水泥向高C₃S和高C₃A、高比表面积方向发展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超细矿物掺和料的使用，以及水泥出厂温度普遍过高以及各种混凝土外加剂的使用，造成在约束状态下的混凝土因温度收缩、自收缩、干燥收缩和较高的早期弹性模量而产生较大的内部应力，早期的低徐变无法缓解这种应力，而产生早期裂缝；内部不可见的微裂缝在混凝土长期使用过程的：厂燥环境中继续发展，是混凝土提早劣化的主要原因。
　　4.3高含碱量的水泥会生成抗裂性能很差的凝胶，加重混凝土后期的干燥收缩，所以不论骨料是否有碱活性，都应当限制对水泥和混凝土中的含碱量。