高性能混凝土早期裂縫的防治措施

郝麗峰，屈春秀

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400060）

高性能混凝土是一種低水膠比、摻入大量活性混合材，以耐久性為設(shè)計的主要指標(biāo)，兼顧高強度、高工作性和體積穩(wěn)定性的環(huán)保型新型混凝土。高性能混凝土在擁有眾多優(yōu)良性能的同時，也伴隨著混凝土的脆性和易開裂的傾向，使混凝土結(jié)構(gòu)過早的劣化，這提醒人們要控制那些使混凝土發(fā)生早期開裂的因素。例如：低水灰比和大量摻入礦物摻合料，不利于高性能混凝土早期開裂的控制，從而影響到高性能混凝土最重要的特征——耐久性。因此，要嚴(yán)格控制混凝土的水灰比和礦物摻合料的摻量，控制高性能混凝土早期裂縫的產(chǎn)生，并提出改善高性能混凝土抗裂性的合理措施。

1 高性能混凝土早期開裂機理及原因

1.1 高性能混凝土早期開裂機理分析

混凝土的早期裂縫是指混凝土在施工階段即出現(xiàn)的裂縫。在施工階段，早齡期混凝土的抗拉強度和極限拉應(yīng)變相對較低，混凝土自身的水化作用導(dǎo)致溫度、濕度的變化，將會引起混凝土的體積變形（溫度變形、自收縮變形），當(dāng)其體積變形受到各種約束時，會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時就會引起混凝土的開裂。

1.2 高性能混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

混凝土是一種非均質(zhì)復(fù)雜多相的混合材料，高性能混凝土低水膠比的特點導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂越發(fā)嚴(yán)重，其開裂與混凝土的受約束程度、變形大小和抗拉強度有關(guān)。

早齡期混凝土的體積變化最為強烈，其彈性模量迅速增長、徐變松弛作用減小，加上高性能混凝土水灰比低，混凝土的泌水明顯減少，表面水分蒸發(fā)后不能夠及時得到補充，在混凝土表面發(fā)生干燥收縮，體積縮小，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易就會超過其抗拉強度，使混凝土表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫［1］。所以因混凝土體積變化導(dǎo)致的開裂在早期更容易發(fā)生。

1）溫度變形

由于混凝土內(nèi)部溫度隨水泥水化而升高，最后冷卻到環(huán)境溫度時所產(chǎn)生的收縮?；炷猎谒跗?，水化反應(yīng)劇烈、水化放熱量大、放熱速度快，由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，水化熱聚集在混凝土內(nèi)部不易散出，產(chǎn)生膨脹，而表面水化熱散失快，發(fā)生收縮?；炷猎跐仓蟮?～5d內(nèi)其內(nèi)部溫度達到最高，因為混凝土內(nèi)外散熱條件不同，使混凝土內(nèi)外溫差大，形成溫度梯度，造成溫度變形和溫度應(yīng)力，內(nèi)部膨脹和外部收縮相互制約，在混凝土中產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力致使混凝土出現(xiàn)裂縫［2］。

2）自收縮變形

自收縮是由于水的遷移引起的，是在外界無水分交換的情況下因水泥水化消耗漿體內(nèi)部水分而產(chǎn)生的［3］。自收縮在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生，低水灰比的自收縮集中發(fā)生在混凝土初期，1d內(nèi)發(fā)展最快，3d以后減慢，后期發(fā)展更加緩慢，這是因為混凝土的自干燥作用，相對濕度降低，水化就基本終止了。

3）混凝土的干燥收縮

隨著空氣濕度的降低，混凝土失水引起收縮，但干縮的體積并不等于失水的體積。因為混凝土的干燥首先是氣孔水和毛細孔水的蒸發(fā)，而氣孔水的蒸發(fā)并不引起混凝土的收縮，而后發(fā)生的失水才會引起收縮［1］。

2 高性能混凝土開裂的防治措施

溫度收縮和自收縮是高性能混凝土產(chǎn)生早期裂縫的主要原因，對于干燥收縮，只要加強混凝土早期保濕養(yǎng)護，由濕度變形引起的早期裂縫是可以忽略的。所以采取措施降低溫度收縮和自收縮可有效的控制高性能混凝土的早期裂縫。

2.1 優(yōu)選原材料

1）選用水化熱低、高C2S含量的水泥。

2）選用粒徑較小的粗骨料。

混凝土的抗壓強度隨著粗骨料最大粒徑的增大而降低，這一現(xiàn)象反映在水灰比越低時越明顯。因為粒徑大小不同的粗骨料，下部水囊的積聚量也不同，大粒徑粗骨料的下部比小粒徑粗骨料有更多的水富集，水囊中的水蒸發(fā)后，則在粗骨料下界面產(chǎn)生界面裂縫，因此，大粒徑粗骨料下部的界面縫必然比小粒徑粗骨料的寬［3］。

3）選用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料

粉煤灰作為摻合料加入混凝土中，使水泥摻量相對減少，減少水化熱，水泥水化生成的Ca（OH）2數(shù)量也減少。降低混凝土的水膠比，由于粉煤灰的水化較為緩慢，使混凝土拌合物的初始水灰比要比實際大得多，水化迅速而充分，產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物去填充混凝土內(nèi)部相對較小的孔隙，釋放出的Ca（OH）2則與粉煤灰參與后續(xù)的水化，使混凝土隨齡期的增長而更加密實［4］。

超細礦渣對混凝土強度改善主要取決于它的2個綜合效應(yīng)［5］：一是“微粉體”作用對混凝土起到潤滑作用，從而提高混凝土拌合物的坍落度。它們的摻入填充了水泥顆粒間的空隙，改變了膠凝材料的顆粒級配，使混凝土形成細觀層次的自緊密體系，從而提高了強度，使硬化后的混凝土具有良好的耐久性。二是與Ca（OH）2的二次反應(yīng)（填充效應(yīng)、粉煤灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)）生成C－S－H凝膠，使界面過渡區(qū)增強，其水化需水量大，水膠比越大，則混凝土7d的抗壓強度就越大。

礦渣與粉煤灰混合使用，在水化反應(yīng)過程中，有效降低混凝土的水化熱，并顯著降低混凝土的用水量，從而抑制了混凝土的干縮，提高混凝土抗開裂性能［5］。

4）外加劑

高效減水劑通過提高水泥凝聚體的分散度，改變吸附水和游離水的比例，提高游離水的數(shù)量，從而提高水泥漿體的流動性和穩(wěn)定性。在初裂發(fā)生時，混凝土處于凝結(jié)硬化的初期，沒有形成足夠的強度抵抗收縮，阻止混凝土的開裂，所以當(dāng)失水速率較大時，產(chǎn)生的塑性收縮也越大［3］。

低水灰比時隨著高效減水劑摻量增加，混凝土的凝結(jié)時間延長，水泥水化程度相對減小，混凝土早期的毛細孔比摻量低的相對較粗，干燥收縮值相對較低；同時高效減水劑摻量高而產(chǎn)生明顯的緩凝后，產(chǎn)生的“滯后效應(yīng)”會導(dǎo)致混凝土總收縮相對減小。

為了解決混凝土收縮開裂，利用鈣礬石的膨脹來彌補收縮。所以，在混凝土中摻入膨脹劑是解決混凝土開裂的有效措施之一。膨脹劑加入混凝土中，在水泥凝結(jié)硬化過程中能產(chǎn)生體積增大的水化產(chǎn)物，從而表現(xiàn)出膨脹性能，這是因為結(jié)晶態(tài)膨脹組分由于晶體生長穿透周圍物質(zhì)而向外生長（晶體生長理論）和凝膠態(tài)膨脹組分由于吸水而體積增大（吸水腫脹理論）［6］。

膨脹劑和粉煤灰等礦物摻合料復(fù)合，再加上緩凝型外加劑，可以降低混凝土水化熱引起的溫度梯度，可以協(xié)調(diào)溫度應(yīng)力與混凝土的初期結(jié)構(gòu)強度，從而減少和防止溫度裂縫的出現(xiàn)，提高混凝土的體積穩(wěn)定性［8］。

5）纖維

纖維有阻裂、增強、增韌的作用，以三維亂向均勻分散在水泥基材中，使之處于限制收縮狀態(tài)。當(dāng)混凝土達到極限抗拉強度時，混凝土表面出現(xiàn)開裂。通過對纖維的復(fù)合材料理論和間距理論的分析可得，纖維的加入，可吸收大量的能量，減少應(yīng)力集中，提高水泥基材的抗拉強度和變形能力，阻止基材中裂縫的擴展和延緩新裂縫的產(chǎn)生［7］。

2.2 優(yōu)化混凝土配合比

在保證混凝土強度和工作性的前提下，應(yīng)盡量選用高水灰比，減小混凝土膠集比，有效減小混凝土絕熱溫升和溫度應(yīng)力［2］。

2.3 合理化施工

預(yù)冷混凝土原材料，在大體積混凝土中預(yù)埋冷卻水管來降低混凝土的入模溫度，加強混凝土保溫、保濕養(yǎng)護，控制混凝土降溫速率。

3 結(jié) 論

a.優(yōu)選原材料，并選用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，減少水泥用量和用水量，降低混凝土水化熱，從而抑制混凝土的干縮，提高混凝土抗開裂性能。

b.在混凝土中摻入高效減水劑，水泥水化程度相對減小，同時高效減水劑產(chǎn)生的“滯后效應(yīng)”會導(dǎo)致混凝土總收縮相對減小。

c.纖維有阻裂、增強、增韌的作用，摻入到混凝土內(nèi)部，可吸收大量能量，減少應(yīng)力集中，提高水泥基材的抗拉強度，阻礙裂縫的發(fā)展，減小混凝土的裂隙程度，從而提高水泥基材的變形能力。

d.在工程實際中，合理安排施工，降低混凝土入模溫度，及時做好養(yǎng)護工作，使水泥有足夠的水分進行水化反應(yīng)，避免混凝土出現(xiàn)早期裂縫。

［1］姚 燕.高性能混凝土的體積變形及裂縫控制［M］.北京：中國建筑出版社，2011.

［2］吳明友，劉 俊，曾 艷.高性能混凝土早期開裂分析與抑制措施［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2008（3）：91－93.

［3］孫躍生.混凝土裂縫控制中的材料選擇［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］王立久，董晶亮，谷 鑫.不同礦物摻合料對混凝土早期強度和工作性能影響的研究［J］.混凝土，2013（4）：1－3.

［5］張向軍，鄭秀夫，葉 青.摻超細礦渣和膨脹劑的高性能混凝土試驗研究［A］.游寶坤，趙順增.混凝土膨脹劑文集［C］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2006：134－139.

［6］魯統(tǒng)衛(wèi)，劉永生.膨脹劑在高性能混凝土中的應(yīng)用研究［A］.游寶坤，趙順增.混凝土膨脹劑文集［C］，北京：中國建材工業(yè)出版社，2006：99－105.

［7］李 藝，趙 文.混雜纖維混凝土增韌及耐久性能［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

［8］陳小成.膨脹劑在高性能混凝土中的應(yīng)用研究［J］.科技信息（科學(xué)教研），2008（21）：444－446.