泡沫混凝土的变形和开裂问题及其可能的控制途径

泡沫混凝土的变形和开裂问题及其可能的控制途径潘志华（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009）泡沫混凝土行业网：【摘要】本文从混凝土材料在外力及各种环境因素作用下发生变形和开裂的基本作用机制出发，结合泡沫混凝土的组成、结构和性能特点，分析了泡沫混凝土在使用过程中发生变形和开裂的基本原因，并在此基础上提出了减小泡沫混凝土变形，控制其开裂的可能的技术途径。【关键词】泡沫混凝土；变形；开裂；控制途径0引言泡沫混凝土因为其轻质多孔、保温隔热、吸声隔音、减震缓冲等特殊性能和新拌浆体优越的流动性和随意浇注性，使其在不仅在房屋建筑，而且在道路、桥梁、堤岸、隧道修筑等各种不同的工业领域都得到广泛的应用。近年来，国内外在泡沫混凝土制备和浇注设备上的快速发展更是进一步促进了泡沫混凝土应用的快速推广。但是，在泡沫混凝土使用过程中，尤其是国内，也暴露出诸多技术问题，亟待改善。其中泡沫混凝土在使用服役过程中整体性的保持欠佳，是一个极为普遍的工程质量问题。而泡沫混凝土的整体性保持欠佳与其体积变化有着密不可分的关联，因此，本文尝试从混凝土材料在外力及各种环境因素作用下发生变形和开裂的基本作用机制出发，结合泡沫混凝土的组成、结构和性能特点，分析泡沫混凝土在使用过程中发生变形和开裂的基本原因，并在此基础上提出减小泡沫混凝土变形，防止其开裂的可能的技术途径。希望能为泡沫混凝土制造和应用企业的技术人员在工厂制造优质泡沫混凝土，在工程上高效、安全使用混凝土提供技术支持。1普通混凝土使用过程中的变形和开裂变形和开裂是固体材料非常普遍的物理性质，绝大多数的材料在不同外力和环境因素的作用下都会发生程度不同的变形，或收缩或拉伸，甚至开裂。也可以认为，变形实际上是材料产生开裂和破坏的前奏。不同种类的材料对收缩或拉伸的敏感程度或由此产生的危害性并不相同。具有明显延展性的金属材料，在外部因素的作用下产生收缩或拉伸，但是，在很大程度范围内并不产生裂纹，也不引起破坏，它们属于弹性材料；而像水泥混凝土材料这类脆性材料就不一样了，在各种外部因素作用下，只要发生少量收缩或拉伸就会引发开裂，进而导致破坏。因此，与金属等弹性材料相比，混凝土类材料的变形和开裂特别受到研究和工程界的关注。1.1混凝土材料变形的种类混凝土材料的变形有很多种情况，概括起来主要有4种，即物理变形，指的是由物理作用引起的混凝土体积收缩和伸展现象，常见的有混凝土直接受机械力作用下的压缩拉伸现象和周围温度变化引起的热胀冷缩现象；化学变形，指的是纯粹由于混凝土硬化过程中组分之间发生的各种化学反应前后反应物与生成物之间因密度不同（不考虑混凝土内部结构因素）引起的理论上的体积变化；碳化变形，指的是混凝土材料在使用过程中混凝土内的水化产物因受到周围环境提供的CO2的碳化作用引起的混凝土体积变化；湿胀干缩，指的是混凝土在硬化或使用过程中与外部发生水分交换引起的体积变化。1）物理变形（热胀冷缩、压缩拉伸）与一般的固体材料一样，混凝土材料作为一种固体材料服从热胀冷缩的基本体积变化规律则，大量实验室研究证明普通混凝土在一定温度范围内体积变化服从基本服从线性关系，如果用线变化来表示混凝土的体积变形，那么混凝土的热胀冷缩随温度的变化成如下正比例关系，即，Lt=L0+L0T式中，Lt：t温度下混凝土试件的线性长度mmL0：基准温度下混凝土试件的初始线性长度mm：混凝土线性热膨胀系数，℃-1T：某一温度t与基准温度之间的差值，℃表1列出的是不同灰砂比混凝土的线性热膨胀系数，表2列出的是不同种类骨料制备的混凝土（灰砂比1：6）的线性热膨胀系数。表1不同灰砂比混凝土的线性热膨胀系数（2年养护龄期）灰砂比热膨胀系数℃-11：0（水泥净浆）18.510-61：113.510-61：311.210-61：610.110-6表2不同种类骨料制备的混凝土的线性热膨胀系数（灰砂比1：6）骨料种类热膨胀系数℃-1砂砾13.110-6花岗岩9.510-6石英岩12.810-6玄武岩9.510-6砂岩11.710-6石灰石7.410-6高炉矿渣10.610-6膨胀矿渣12.110-6由表1可以看出，混凝土的热膨胀系数一般波动于1110-6℃-1至2010-6℃-1之间，并且对灰砂比（即骨料配比）比较敏感。另外，不含骨料的水泥净浆的热膨胀系数最大，随着骨料配比的提高，混凝土热膨胀系数变小。这就是泡沫混凝土为什么通常表现出比较大的温度体积效应的原因之一，泡沫混凝土一般不含骨料，尤其是粗骨料。其次，混凝土中使用骨料的种类的不同也会影响其热膨胀系数。混凝土在外加压力的作用下也表现出线性收缩，而且在一定范围内表现出弹性变化特征，但是，这种弹性范围很小。混凝土随外加压力载荷的变化而引起的线性收缩，根据混凝土配合比和强度大小有所不同，一般情况下可以用以下曲线图来表示。图2混凝土受压力作用下的线性收缩情况普通混凝土的弹性变形系数约为20-30GPa，轻质混凝土的弹性变形系数约为16-20GPa，泡沫混凝土的弹性变形系数一般为0.8-12GPa。这表明在同样外力作用下，与普通结构混凝土相比，泡沫混凝土更加容易变形，将产生更大的变形。如上所述，混凝土在受拉情况下也会发生弹性伸展，但是，由于混凝土的设计原则，一般不承受拉力作用，尤其是泡沫混凝土，很少考虑拉伸的情况。实际上，混凝土的变形归根结底是由于其内部应力引起的，热胀冷缩也是应力大小变化的结果。固体材料受热时材料内部分子能量增加震动幅度增大引发张应力导致膨胀，相反，受冷时材料内部分子能量减少震动幅度减小引发收缩应力导致收缩。2）化学变形混凝土的组成从出发材料看通常主要有水泥、石子和砂子，还有少量各种各样的外加剂，从硬化体看主要有水泥水化产物、石子和砂子。在整个硬化过程中，石子和砂子基本上不参与化学反应，因此也基本上不产生化学变形。而水泥中的各种水硬性矿物都会参与与水的化学反应生成各种水化产物。根据理论计算和实测结果，水泥水化产物的体积大于水泥体积，但是小于水泥+水的体积，这就构成水泥混凝土的化学收缩。所以，混凝土的化学变形实质上是一种化学减缩，即化学收缩。表3列出的是普通硅酸盐水泥中几个主要矿物水化硬化前后的化学减缩量的计算结果。表3硅酸盐水泥中几个主要矿物水化硬化前后发生的体积变化No反应方程式固相体积变化/%体系体积变化/%4C3A+6H2O===C3AH668.89-23.791C3A+3CSH2+25H2O===C3A3CS32H2O129.55-6.1522C3S+6H2O===C3S2H3+3CH65.11-5.315CaO+H2O===CH97.92-4.5432C2S+4H2O===C3S2H3+3H2O+CH85.32-1.97根据实验测试结果，每100g硅酸盐水泥完全水化后化学减缩量约为7-9cm3，如果以每立方混凝土水泥用量300kg估算，则混凝土硬化后理论上产生21103-27103cm3的化学减缩量，折合体积减缩率为2.1-2.7%。3）碳化收缩空气中通常含有0.03%的CO2，在有水汽存在的条件下CO2可以和水泥硬化体内的Ca(OH)2发生化学反应，生成CaCO3和H2O。水泥硬化体中的水化硅酸钙也能与CO2发生化学反应。这种反应过程称为碳化，碳化伴随体积减缩，称为碳化收缩。碳化收缩对周围环境的相对湿度和CO2浓度比较敏感，当相对湿度为25%-50%之间，CO2浓度也比较高时，碳化反应比较明显。一般情况下，碳化只会作用混凝土的表面，很少构成实质性的危害。4）湿胀干缩混凝土的干燥收缩可以细分为两种情况即内部自干燥收缩和环境湿胀干缩，前者指的是混凝土试样在水化硬化过程中隔绝与外界的水分交换，由于内部水硬性矿物水化反应消耗浆体中的水分引起浆体内吸作用进而导致浆体收缩的现象，自干燥收缩现象主要发生在早期，完全水化硬化后的成熟混凝土试样内没有自干燥收缩；后者指的是混凝土硬化之后由于周围环境的湿度较低，引起内部孔隙中水分由内向外迁移，最终通过外表面蒸发，从而导致硬化体收缩的现象，环境干燥收缩现象则伴随于混凝土整个寿命时间之内。完全成熟的混凝土的干燥收缩主要指的是环境干燥收缩。相反，当周围相对湿度较高或处于湿气饱和环境，混凝土试样会从环境中吸收水分，产生膨胀。干燥收缩与周围环境湿度和硬化体内部水分损失量有着密切的关系，一般地，环境相对湿度越低，损失水分越多，硬化体干缩越大。图3出示的是硅酸盐水泥硬化体在不同相对湿度环境下放置后产生的失水量和干燥收缩。图3水泥净浆干燥收缩与环境相对湿度和失水量之间的关系水泥混凝土在干燥过程中产生的干燥收缩主要与其中的孔结构和水化产物的高比表面积有关，其中孔隙的尺寸和连通性与干燥收缩关系尤为密切。存在于水泥硬化体内微小尺寸（小于毛细孔）孔隙中的水分在逸出的同时导致孔隙内部水弯月曲面半径变小，孔隙内表面表面张力增大，相当于孔壁指向中心的压应力增大，导致体积压缩，从而表现为干燥收缩，反之则产生膨胀。在混凝土中，因为骨料的孔隙率非常低，在干燥过程中基本不发生水分逸出，因此，不产生干燥收缩。也就是说，混凝土的干燥收缩主要来自于水泥硬化水泥浆体。这也就是混凝土的干燥收缩值大大低于水泥净浆干燥收缩值的原因所在。根据实验测试结果，一般情况下水泥净浆、水泥砂浆、混凝土和泡沫混凝土的干燥收缩值的波动范围如下：水泥净浆：1500～300010-6水泥砂浆：900～150010-6水泥混凝土：600～90010-6泡沫混凝土：1000～350010-6可见，泡沫混凝土的干缩值最大，水泥净浆次之，水泥砂浆再次，水泥混凝土最小。1.2混凝土材料的开裂如上所述，混凝土材料属于脆性材料，因此，当变形达到一定数值，超过基体承受能力之后就可能引发开裂。变形的发生根源于应力的产生，不论这种应力来自于化学因素，还是物理因素，或者是直接机械外力因素。混凝土材料受应力作用产生变形到达产生开裂的程度并不是完全固定的，与自由变形或限制变形，均匀变形或非均匀变形，有着密切的关系。一般情况下，自由变形比限制变形有更大的允许应力和收缩值，均匀变形比非均匀变形有更大的允许应力和变形限值。无论如何，应力是混凝土产生开裂的根本原因，变形只不过是作用于混凝土上的力的一种外观显示，而开裂则是变形发展到一定限度的破坏性外观表现。此外，与收缩引起的开裂不同的是拉应力的作用同样可能导致混凝土伸展，最终引起开裂破坏，局部的不均匀膨胀也会导致混凝土开裂破坏。剧烈热振、机械力冲击、冻融循环等外部作用也都会导致混凝土开裂破坏。2泡沫混凝土使用过程中的变形和开裂与结构混凝土一样，泡沫混凝土在使用过程中也经受来自环境的各种物理、化学或机械等作用，引起其体积变形，当变形超过一定限度，最终导致开裂破坏。所不同的是泡沫混凝土在绝大多数情况下被用于非结构场合，因此，直接机械力作用，尤其是持久载荷，导致的变形和开裂破坏情况相对较少。泡沫混凝土在使用过程中的开裂破坏以干燥收缩、热胀冷缩、化学减缩、非正常外界冲击等引起的体积变形最为常见。2.1泡沫混凝土与普通混凝土的异同泡沫混凝土与普通结构混凝土同属于水泥基材料，同属于脆性材料，这是它们之间的根本共同之处。它们之间的不同首先在于组成的不同，普通结构混凝土中包含石子、砂子等粗细骨料，而泡沫混凝土中一般不含骨料；其次在于内部结构的不同，普通结构混凝土之内极少含有毫米尺度以上的大孔，一般以毛细孔（0.01-10m）和凝胶孔（0.01m）为主，孔隙率也比较低，而泡沫混凝土内部则含有相当部分毫米尺度的孔隙，而且这些毫米孔基本上是封闭的球形孔，孔隙率高达40%以上；再次是表现为性能上的不同，结构混凝土密度大，强度高，弹性模量大，导热系数大，收缩小，而泡沫混凝土密度小，强度低，弹性模量小，导热系数小，收缩大。上述有关混凝土体积变形和开裂方面的原因和开裂破坏机制基本上适用于泡沫混凝土。结合上述混凝土体积变形类型和开裂情况和原因的分析，不难推断，导致泡沫混凝土整体性不佳的基本原因在于组成上以水泥为主，结构上多孔和性能上