淺析高性能混凝土的開裂問題

摘要:目前高性能混凝土除在高層建筑工程中有所應(yīng)用外，在道路橋梁工程建設(shè)中的應(yīng)用還較少，而且高性能混凝土的開裂問題較為普遍，因此筆者根據(jù)工程實(shí)踐，通過分析研究高性能混凝土開裂的原因，以期對(duì)道路橋梁建筑質(zhì)量提供更好的借鑒。

關(guān)鍵詞:高性能混凝土;概念;開裂;收縮

中圖分類號(hào):TU528.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-8136(2010)03-0042-02

建筑技術(shù)發(fā)展到今天，對(duì)混凝土提出了更高要求，特別是一些施工難度大、環(huán)境惡劣、維修工作困難而混凝土質(zhì)量要求又高的工程，僅僅依靠提高強(qiáng)度是不夠的，必須同等改善混凝土工作性能。為滿足這些要求，混凝土必須向高性能方向發(fā)展。

1高性能混凝土的概念及特征

高性能混凝土(HPC)是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同用途要求，對(duì)下列性能重點(diǎn)予以保證:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。為此，高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，且必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。

我國著名混凝土科學(xué)家吳中偉院士將HPC定義為:在大幅

度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作、以耐久性為設(shè)計(jì)指標(biāo)的新型高技術(shù)混凝土。并認(rèn)為高性能混凝土適用于任何強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。提出HPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):①孔隙率很低，基本上不存在>100 nm的大孔;②水化物中Ca(OH)2減少，C-S-H和AFt增多;③未水化的顆粒多，未水化顆粒和礦物細(xì)摻料等各級(jí)中心質(zhì)增多;④界面厚度小，孔隙率低、Ca(OH)2數(shù)量減少，且取向程度下降，水化物結(jié)晶顆粒尺寸減少，更接近水泥石本體水化的分布。

具有這樣微結(jié)構(gòu)的混凝土，必然會(huì)有密實(shí)度大、干燥收縮小、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等性質(zhì)。與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨(dú)特的性能:

(1)高性能混凝土具有一定的強(qiáng)度和高抗?jié)B能力，但不一定具有高強(qiáng)度，中、低強(qiáng)度亦可。

(2)高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物應(yīng)具有較高的流動(dòng)性，混凝土在成型過程中不分層、不離析，易充滿模型;泵送混凝土、自密實(shí)混凝土還具有良好的可泵性、自密實(shí)性能。

(3)高性能混凝土的使用壽命長，對(duì)于一些特護(hù)工程的特殊部位，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不是混凝土的強(qiáng)度，而是耐久性。能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的。

(4)高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。

概括起來說，高性能混凝土就是能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，降低工程造價(jià)。

2高性能混凝土的使用范圍

高性能混凝土在房屋建筑和一般構(gòu)筑物中的應(yīng)用主要有:

(1)高層建筑中采用高性能混凝土有利于統(tǒng)一柱子尺寸和模板規(guī)格，方便施工，并可利用高性能混凝土的早強(qiáng)特點(diǎn)加快施工進(jìn)度。密度變小，彈性模量高，提高結(jié)構(gòu)剛度，這對(duì)于高層建筑來說是非常重要的。

(2)采用高性能混凝土可以顯著降低結(jié)構(gòu)的重量，顯著提高受彎構(gòu)件剛度，在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中則可施加更高的預(yù)應(yīng)力值，并可利用早強(qiáng)特點(diǎn)提高張拉。

(3)高性能混凝土具有較強(qiáng)的抵抗大氣環(huán)境作用和化學(xué)物質(zhì)侵蝕的能力以及耐磨能力，充分利用高性能混凝土具有耐久性的特性，廣泛應(yīng)用于露天工程或地下工程。

3高性能混凝土開裂問題研究

非荷載引起的混凝土開裂，主要是混凝土在約束條件下的收縮或局部的膨脹變形在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力超過抗力而造成的。早期的混凝土抗拉強(qiáng)度低，較大的變形受到約束時(shí)容易引起開裂，這取決于混凝土自身組成材料、配合比以及其所處環(huán)境和約束條件。下文主要分析收縮引起的混凝土的早期開裂問題。

3.1干燥收縮

干燥收縮是指混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮。隨著環(huán)境中相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。在大多數(shù)土木工程中，混凝土不會(huì)連續(xù)暴露在使水泥漿體中C—S—H失去結(jié)構(gòu)水的相對(duì)濕度下，故引起收縮的主要原因是失去毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水。計(jì)算完全干燥的純水泥漿體收縮量為10 000×10-6;LeeFM實(shí)測數(shù)值達(dá)4 000×10-6?；炷恋母煽s是由表面逐步擴(kuò)展到內(nèi)部的，在混凝土中呈現(xiàn)濕度梯度，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，致使表面混凝土承受拉力內(nèi)部混凝土承受壓力;當(dāng)表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土便產(chǎn)生裂縫。另外，水泥石也會(huì)由于集料的限制作用而出現(xiàn)裂紋。在約束條件下，混凝土收縮時(shí)，混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果該拉應(yīng)力大于其最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生裂縫。這種現(xiàn)象在混凝土剛拆模后表現(xiàn)尤為明顯，這時(shí)混凝土的強(qiáng)度很低，干縮卻非常大，同時(shí)由于混凝土拆模后和空氣接觸使周圍空氣溫度上升，由此導(dǎo)致周圍空氣的濕度降低，進(jìn)一步加大了混凝土干縮。

3.2化學(xué)收縮

水泥水化后，固相體積增加，但水泥體系的絕對(duì)體積減小。所有的膠凝材料在水化后都有這個(gè)減縮作用，大部分硅酸鹽水泥在水化后體積總減少量為7 %～9 %。在硬化前，所增加的固相體積填充原來被水所占據(jù)的空間，使水泥密實(shí)，而宏觀體積減縮;在硬化后，則宏觀體積不變而水泥——水體積減縮后形成內(nèi)部孔隙。因此，這種化學(xué)減縮在硬化前不影響硬化混凝土的性質(zhì)?；瘜W(xué)減縮和水泥的組成有關(guān)?；瘜W(xué)收縮和水化程度成正比，HPC存在大量未水化水泥顆粒，盡管其單位體積膠凝材料用量較大，其化學(xué)收縮和普通混凝土相比仍然較小。但如摻用活性很高的礦物摻和料如硅灰或超細(xì)礦渣，則化學(xué)收縮會(huì)在一定范圍內(nèi)隨其摻量的增加而增加。

3.3塑性收縮

塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，是指塑性階段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而產(chǎn)生的收縮，多見于道路、地坪、樓板等大面積的工程，以夏季有風(fēng)的情況下施工最為普遍。混凝土在新拌的狀態(tài)下，拌和物中顆粒間充滿水，如果養(yǎng)護(hù)不足，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時(shí)，則會(huì)造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。塑性收縮常伴隨著不可見裂縫的發(fā)展。

HPC的水灰比低，自由水分少，輔助膠凝材料對(duì)水有更高的敏感性，在上述工程中容易發(fā)生塑性收縮而引起的表面開裂。影響塑性收縮開裂的外部因素是風(fēng)速、環(huán)境溫度、凝結(jié)時(shí)間和相對(duì)濕度等，內(nèi)部因素是水灰比、輔助膠凝材料、漿集比、混凝土的溫度;延緩混凝土凝結(jié)速率等措施都能控制塑性收縮，最有效的方法是終凝前(開始常規(guī)養(yǎng)護(hù))保持混凝土表面的濕潤，如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等。

3.4自收縮

自收縮是由于混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低進(jìn)而造成毛細(xì)孔中水分不飽和并由此產(chǎn)生的負(fù)壓引起的混凝土收縮?；炷磷允湛s是在混凝土與外界無水分交換的條件下發(fā)生的。低水灰比的HPC和HSC的自收縮比普通混凝土的自收縮大得多。HPC和高強(qiáng)混凝土(以下簡稱HSC)的水膠比很低，能提供水泥水化的自由水分少，近年來由于對(duì)早期強(qiáng)度片面的追求，混凝土趨向于使用低的水灰比，較高早期強(qiáng)度發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快。HPC和HSC由于自干燥產(chǎn)生的原始裂縫，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

4結(jié)論

(1)影響開裂的因素是很復(fù)雜的，各種因素還可能會(huì)有相反的影響而相互抵消。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同工程的特點(diǎn)和條件分析不同組成和配合比的混凝土開裂的傾向。

(2)在約束條件下的收縮是引起混凝土開裂的潛在因素，通過收縮的測定可以預(yù)測混凝土開裂的傾向，但必須有正確的方法和對(duì)條件的控制。

(3)高性能混凝土是以耐久性為標(biāo)志的高技術(shù)混凝土，所謂高技術(shù)，不僅僅指實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的材料技術(shù)、制備技術(shù)，更要強(qiáng)調(diào)高性能的施工技術(shù)。

Simply Analyse the Fracture Question of the High-performance Concrete

Chen Zhigang

Abstract: The high-performance concrete is besides using to some extent in the construction work on the senior level at present， in the engineering construction of the bridge of the road it is still less to use， and the fracture question of the high-performance concrete is comparatively general， so the author practises according to the project， through dividing analyse and study the reason why the high-performance concrete fractures， expect to offer better reference to the bridge building quality of the road.

Key words: high-performance concrete; concept ; fracture; shrink