關(guān)于混凝土抗裂材料的選擇

馬殿廣　丁　發(fā)

隨著我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的長大化和復(fù)雜化，以及商品混凝土的大量推廣和混凝土強(qiáng)度等級的提高，結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)機(jī)率大大增加。對混凝土材料的選擇和配合比，除達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、抗?jié)B等級外，還應(yīng)具有抵抗裂縫的功能。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制是個系統(tǒng)的工程，筆者僅從材料角度，分析如何科學(xué)的選擇混凝土抗裂材料，有效的控制混凝土裂縫。

1.混凝土的收縮裂縫成因

關(guān)于影響混凝土收縮因素和產(chǎn)生收縮裂縫的機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者已發(fā)表不少論文。從混凝土開始澆筑至使用期，收縮過程大致如下;

(1) 塑性收縮期。

(2) 自生收縮期。

(3) 水化熱溫差收縮期。

(4) 干縮收縮期。

(5) 環(huán)境溫度收縮期。

了解混凝土硬化過程中各種收縮成因，有助于我們采取相應(yīng)的抗裂對策。

2.混凝土基本抗裂措施

根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，減少混凝土收縮裂縫的措施有：

（1） 混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級盡量低些。

（2） 基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級采用60d強(qiáng)度等級

（3） 水泥采用水化熱較低的品種，水泥中C3A<8%。

（4） 混凝土中摻入細(xì)磨摻合料、降低水泥用量。

（5） 選用含泥量小，級配較好的砂子和石子。

（6） 選用收縮比較小的減水劑，降低水膠比。

（7） 采用細(xì)而密的配筋和分塊的設(shè)計(jì)原則，每30～40m設(shè)一道后澆帶。

（8） 混凝土終凝前，要多次抹壓，消除表面塑性裂縫。

（9） 混凝土硬化后，及時進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)期為14d。

(10)混凝土結(jié)構(gòu)驗(yàn)收后，要及時采取保溫措施，減少環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)變形的影響。

3.混凝土的附加抗裂材料

上述措施，無疑可減少結(jié)構(gòu)的有害裂縫。但在實(shí)際工程中，有些條件難以，滿足。因此，往往要求在普通混凝土基礎(chǔ)上添加膨脹劑、纖維、減縮劑等附加抗裂材料。

根據(jù)已公開成果，首先了解各種混凝土抗裂材料的特性和用途，以及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，才能正確使用。

（1） 纖維

常用于混凝土結(jié)構(gòu)的纖維主要有碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維，它們的抗裂性能見表1。由此可見，纖維的抗拉強(qiáng)度變比素混凝土高100—1000倍，而極限延伸率比素混凝土高100倍左右。碳纖維和鋼纖維的彈性模量比素混凝土低10倍。這三項(xiàng)綜合性能，部表明纖維具有非常好的抗裂性能。

由于纖維的直徑很細(xì)，例如杜拉纖維是一種以100%的高強(qiáng)聚丙烯束狀單絲纖維，每立米混凝土僅需摻入0.7---1kg聚丙烯纖維，纖維絲數(shù)量可達(dá)2000多萬條，即每立方厘米混凝土中有20多根纖維，碳纖維比聚丙烯纖維直徑小三倍，每立方米混凝土需摻入60—120kg鋼纖維，鋼纖維數(shù)量多達(dá)100—150萬條。

在混凝土中摻入上述數(shù)量巨大的單絲纖維，形成亂向分布的重重網(wǎng)狀撐拖系統(tǒng)，承托骨料，從而有效減少骨料的離析，減少混凝土泌水和離析。當(dāng)膠凝材料基體收縮時，由于纖維這些微細(xì)配筋的作用，有效地消耗了收縮拉應(yīng)力的能量，對克服混凝土凝結(jié)期間的塑性裂縫十分有利?；炷劣不^程中產(chǎn)生水化熱溫差收縮和干燥收縮裂縫出現(xiàn)難免，但它要擴(kuò)展必然受到亂向分布的纖維的重重阻擋，阻止擴(kuò)散為大的可見裂紋。這是纖維提高混凝土抗裂性的基本原理。同時，加入纖維后，混凝土的性能得到很大改善。由此可見，纖維在混凝土中起到的主要作用是，阻止基體中原有裂縫的擴(kuò)展并延緩新裂縫的出現(xiàn)；提高混凝土的變形能力并從而改善其韌性與抗沖擊性能。

①碳纖維

在各種纖維中，碳纖維的抗拉強(qiáng)度最高，其彈性模量也很高，主要應(yīng)用于航天航空工業(yè)的特殊復(fù)合材料。由于它的造價(jià)昂貴，難以在混凝土工程應(yīng)用。目前，國內(nèi)外碳纖維片材主要應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固。

②鋼纖維

鋼纖維的抗拉強(qiáng)度高，彈性模量高于混凝土，所以，它是混凝土的優(yōu)良抗裂材料，它的摻量為60—100kg/m3，增加造價(jià)約100—120元/m3，難以在混凝土工程中大量應(yīng)用。目前，它主要應(yīng)用于高層建筑轉(zhuǎn)梁層大梁，高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點(diǎn)，樁頭和樁帽，防水屋面和鋪裝道路及橋梁鋪裝層等。

③聚丙烯纖維

它摻入混凝土中對減少塑性裂縫和防止裂縫擴(kuò)展是有好處的。但是，由于它的彈性模量比混凝土低10倍，因此，它對已硬化混凝土的變形裂縫只能起分散和阻抗作用，對提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性貢獻(xiàn)很小。另外，它的造價(jià)高，聚丙烯纖維摻入混凝土中約0.7—1.0kg/m3，增加造價(jià)約50—80元/m3，所以，它應(yīng)用于大體積混凝土則大大提高工程造價(jià)。目前，它主要用于鋪裝路面、橋面、屋面、地面、內(nèi)外墻、襯砌薄壁和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層等。

（2）減縮劑

混凝土減縮劑是由聚醚或聚醇類有機(jī)物或它們的衍生物組成。它可降低孔隙水的表面能力，從而減少失水時產(chǎn)生的毛細(xì)收縮壓力，降低混凝土的干縮率。減縮劑能起到減少混凝土塑性裂縫和干縮裂縫的作用，尤其適用于難以養(yǎng)護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)。它的價(jià)格較高，每立方混凝土成本約增加50—60元/m3。另外，它的實(shí)際防裂效果尚需作出全面評估，故至今尚未較多推廣應(yīng)用。

（3）膨脹劑

混凝土膨脹劑是從膨脹水泥發(fā)展而來。分硫鋁酸鈣類和氧化鎂類膨脹劑。國內(nèi)外絕大多數(shù)生產(chǎn)硫鋁酸鈣類膨脹劑。

4.抗裂材料的復(fù)合應(yīng)用

上述混凝土抗?jié)B材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，還要考慮混凝土的造價(jià)，應(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)要求，選擇合適的抗裂材料. 作為提高混凝土抗裂性能的材料，根據(jù)其性能的可靠性，施工難易性和單方增加成本來看，膨脹劑較好，聚丙烯纖維次之。近年來，設(shè)計(jì)界根據(jù)抗裂材料的特性，取長補(bǔ)短，成功的進(jìn)行了復(fù)合應(yīng)用。

結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與抗裂控制有密切關(guān)系，裂縫控制是系統(tǒng)工程，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取“防”、“放”、“抗”的綜合措施。由于混凝土是一種脆性材料，在硬化過程中容易產(chǎn)生收縮裂縫。因此，如何提高混凝土的抗裂性能是工程界十分關(guān)注的難題。國內(nèi)外研究表明，摻鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土，以及摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土都可提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。這些抗裂材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，材料價(jià)格不同。因此要根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求和使用環(huán)境 ，科學(xué)合理的選擇混凝土的抗裂材料，并采取相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)才能達(dá)到預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。◆