混凝土配合比和原材料对裂缝的影响与试验研究
摘要：结合混凝土原材料的特性和配合比设计优化两个方面简述了混凝土早期裂缝产生的原因，提出了避免混凝土早期裂缝产生的控制方法，以达到从源头上避免和减少裂缝产生的目的。
关键词：配合比 原材料 裂缝 外加剂
中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：1673-291X（2011）25-0333-02
凝土裂缝的控制几乎成了永恒的课题，经过长期的研究和攻关，也只能是尽可能地减少裂缝的产生。根据工程实践和理论分析，所有的混凝土都是带缝运行的，对混凝土的寿命和结构运行或多或少有潜在的质量危害，甚至有些裂缝在使用荷载、自身应力以及外界物理、化学因素的作用下，不断衍生和扩展，削弱混凝土的强度，降低混凝土的耐久性能，严重时甚至发生崩裂和垮塌事故。裂缝作为材料的一种特性是不可避免的，但是，最大限度地减少裂缝产生依然是当今混凝土生产和应用的研究重点。所以，了解和掌握混凝土配合比和原材料对裂缝的影响是非常必要的。
一、原材料对混凝土裂缝的影响
混凝土是由胶凝材料、水、粗细骨料按适当比例拌制，经一定时间硬化而成的人造石材。然而，一些材料的应用不当会造成混凝土硬化时产生裂缝。
1.水泥。受水泥影响而产生的裂缝一般都是温度应力缝，也有受自身体积膨胀（安定性不稳定）产生的裂缝，而正确合理地选用水泥等级和品种能较大限度地减少这种裂缝的产生。（1）水泥品种。对于一些低等级要求的混凝土，错误使用高品质水泥，一旦养护不当或内外温度梯度较大，就会产生温度应力，从而使混凝土开裂。（2）水泥强度等级。受传统观念或条件的影响，错误地认为所用水泥的强度越高越好，低等级混凝土使用高等级水泥，并且为了满足混凝土工作度的要求，超量使用水泥，既浪费了材料又因水泥集中水化温度升高，使混凝土内部的温度应力得不到释放而造成混凝土开裂。据资料表明，使用普通硅酸盐水泥的混凝土3d的强度可达到龄期强度的 50％以上，7d时混凝土内部温度可达到40℃以上，然而，这种裂缝是无法愈合的，随时间的推移会向更深发展，即便采用固结灌浆的方法也不能愈合，往往会成为混凝土结构物破坏的诱导缝。（3）水泥品质。水泥的匀质性也是影响混凝土质量的重要因素，一些水泥的质量不稳定，强度或高或低，而且不及时调整水泥用量，会造成混凝土整体强度发展不一致，形成应力差，造成混凝土的开裂。这种裂缝不太明显，但同样影响混凝土的整体结构性能。
2.骨料。骨料造成混凝土开裂的主要原因是有害杂质和本身的强度以及化学成分。（1）细骨料 。1）细度模数。当砂的细度模数小时，砂颗粒的比表面积相对增大，这时需要加大胶凝材料用量，同时增加混凝土的用水量，终凝后的混凝土由于表面水分损失，在混凝土的表面形成较多的细小裂缝，简称龟裂。2）有害物质。砂的有害物质一般是指砂内含有云母、黏土、淤泥、粉砂、泥块等，这些物质粘附在砂的表面，妨碍水泥与砂的黏结，降低混凝土的强度，同时增加混凝土的用水量，从而加大了混凝土的收缩，使混凝土产生裂缝。另外，降低耐久性能，使混凝土在恶劣气候环境下冻胀开裂。（2）粗骨料。1）石料的强度。一般来说，在混凝土未受外力作用之前，由于砂浆体积变化而产生的拉应力很容易破坏粗骨料与砂浆的胶结界面，形成许多分布很乱的界面裂缝，这时如果骨料自身的强度很低，这些拉应力会将骨料破坏，并随着界面裂缝的增加逐步发展。这些裂缝一旦受到外力的作用就会进一步延伸、汇合、扩大，很容易破坏混凝土的整体结构。2）活性氧化硅。水泥中碱性氧化物水解后形成的氢氧化钠和氢氧化钾与骨料中的活性氧化硅发生化学反应，在骨料表面生成碱—硅酸凝胶，这种凝胶吸水后不断膨胀就会把水泥石胀裂，也就是平常所说的“碱骨料反应”。这种反应造成的危害特别大，而且随着时间的推移越来越严重，造成混凝土结构物的承载力大幅度降低，直至完全破坏。3）级配。当骨料级配不好时，需要过量的水泥砂浆来覆裹骨料和填充骨料的空隙，这样会造成水泥砂浆过量，水化时的应力集中而产生裂缝。
3.外加剂。当今，大部分混凝土掺加了外加剂，而且有些行业的施工规范（水利水电施工规范）已经明确规定混凝土必须掺加外加剂，可见外加剂在混凝土中的重要性。但是外加剂的应用不当会给混凝土质量造成危害，比如膨胀剂，添加在混凝土中的机理是先期混凝土体积微膨胀用以补偿混凝土的收缩，最终达到混凝土浇筑时的体积不变或微变，用来减少由混凝土的干缩而引起的变形，但是如果添加过量，就会使混凝土在强度增长的过程中快速崩裂，使结构物完全破坏。另外，一些外加剂内碱含量超标诱发骨料中的碱集料反应，引发混凝土体积膨胀产生裂缝。 二、配合比设计对混凝土裂缝的影响
配合比是混凝土生产中最基本的依据，由试验室根据试验规程经过室内试配获得。但是，一个设计不严谨的混凝土配合比不仅会浪费材料或不能满足施工要求，严重时也能造成混凝土的裂缝。
1.水泥品种和用量。选用水泥的核心问题是如何防止混凝土强度发展时产生大量的水化热，即控制混凝土的绝热温升，避免已成型的混凝土因温度应力而产生裂缝。而混凝土内部实际最高温升，主要取决于水泥用量和水泥品种。所以在保证混凝土强度的前提下，尽可能选用低等级水泥和降低每立方米混凝土的水泥用量。如果受施工条件所限，需增加水泥用量来满足混凝土工作度时，多余的水泥部分应用掺合料来替代水泥，比如粉煤灰、硅粉等。
2.砂率。合理的砂率值是根据棍凝土拌合物的坍落度、黏聚性及保水性等特征来确定的。当砂率选择不合理时会造成混凝土拌合物离析和沁水，在混凝土的成型振捣过程中会发生重组分沉降、轻组分上浮现象，表面水分过多，粗骨料大量沉积在结构物的底部，造成混凝土的表面干缩裂缝。另外，砂率过大时混凝土中的砂浆富余量多，混凝土的弹性模量降低，混凝土承载后整体受力不匀，会使混凝土局部开裂。
3.骨料级配。石子级配的好坏对节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性有很大关系。当石子的级配较差时，需要以增加胶凝材料和加大砂率的手段来满足混凝土施工所需的和易性，这时可能就会因为水泥过量或混凝土干缩产生裂缝。
4.外加剂。掺加外加剂对节约水泥、改善混凝土的工作度、提高混凝土的性能起着重要的作用，所以建议在混凝土配合比设计时首先考虑掺加外加剂。但是，由于外加剂的质量而引起的混凝土质量事故都是非常严重的事故，轻者影响混凝土的结构性能，重者会造成混凝土报废的重大质量事故发生。比如，在减水剂的使用过程中减水率突然增高时会使混凝土中的自由水增加，加大混凝土的坍落度，引起混凝土拌合物沁水离析，使混凝土强度降低，多余水分从混凝土表面析出造成混凝土的干缩裂缝，另外，由于多余的水分在混凝土凝结硬化后，形成许多孔隙，当这些孔隙内的水受冻后，体积膨胀使混凝土胀裂。
混凝土的裂缝成因很多，有材料质量和配合比不当引起的裂缝、浇筑工艺引起的裂缝、冻胀引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、基础变形引起的裂缝、收缩引起的裂缝、温度变化引起的裂缝、荷载引起的裂缝等。就混凝土裂缝成因的叠加性，如果能确保混凝土原材料质量、配合比的合理和科学性，可以从源头上避免和减少混凝土的裂缝。
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