高強(qiáng)混凝土早期收縮及抗裂性能研究綜述

段小芳，夏正兵，吳旭

（1.南通開(kāi)放大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226006；2.南通理工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

0 引言

混凝土作為當(dāng)今用量最大、使用范圍最廣的建筑材料，其良好的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性在結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛應(yīng)用，成為構(gòu)成建筑物的主要建筑材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)建筑物的功能提出更高的要求，特別是現(xiàn)階段超高層、大跨度、節(jié)能減排等高技術(shù)水平建筑物的快速發(fā)展，對(duì)混凝土的要求已經(jīng)超出了傳統(tǒng)性能范疇。高強(qiáng)混凝土具有超高強(qiáng)度、高韌性、高流動(dòng)性和高耐久性等特性?；炷林兴嗪退旌蠒r(shí)，發(fā)生了放熱反應(yīng)，在這個(gè)反應(yīng)中熱量釋放引起材料的膨脹。當(dāng)水化放熱結(jié)束后，溫度下降，材料收縮，如果這種體積變化受到約束，將在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力。因?yàn)樵谟不^(guò)程中混凝土的彈性模量發(fā)生了變化，在初始溫度再次達(dá)到之前壓應(yīng)力變成了拉應(yīng)力。如果拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)開(kāi)裂。

高強(qiáng)混凝土，水和膠凝材料比值不大于0.4，因?yàn)樗鄾](méi)有足夠的水參加反應(yīng)，材料內(nèi)部干燥，稱(chēng)為“自干燥”，自干燥引起早期收縮，和普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土早期收縮較大，當(dāng)早期收縮受到抑制，高強(qiáng)混凝土易于早期開(kāi)裂。

混凝土開(kāi)裂會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的美觀，也增加了結(jié)構(gòu)的滲透性，進(jìn)而加劇鋼筋銹蝕，這對(duì)建筑架構(gòu)的安全性與耐久性都有巨大的潛在危險(xiǎn)。因此，減小高強(qiáng)混凝土早期自收縮具有重大的工程實(shí)際意義。

1 高強(qiáng)混凝土早期收縮研究現(xiàn)狀

國(guó)際上設(shè)立了不少專(zhuān)業(yè)科研機(jī)構(gòu)從事混凝土早期特性方面的研究，例如國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)（RILEM）、美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）、日本混凝土協(xié)會(huì)（JCI）等。自收縮是研究混凝土早期特性的一個(gè)重要內(nèi)容，日本混凝土協(xié)會(huì)（JCI）對(duì)自收縮的定義為：“混凝土初凝后水泥水化引起膠凝材料宏觀體積的減小，自收縮不包括因物質(zhì)的損失或侵入，溫度的變化或外部力量或限制物的應(yīng)用引起的體積變形”。

二十世紀(jì)三、四十年代Lyman和Davis等人已提出混凝土自身能夠收縮，由于當(dāng)時(shí)的混凝土水灰比普遍較大，測(cè)試得出的自收縮值很小，往往被忽略。

國(guó)標(biāo)CBJ82-85規(guī)定了混凝土收縮的標(biāo)準(zhǔn)方法:100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，端部預(yù)埋測(cè)頭，試件成型l d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后置于20℃、RH60%的干燥環(huán)境中，并以其作為測(cè)量的起點(diǎn)，用千分表測(cè)量試件兩測(cè)頭間長(zhǎng)度值隨齡期的變化。

2010年康明通過(guò)在混凝土試件中配置不同種類(lèi)的鋼筋，研究配筋率、鋼筋表面形式、鋼筋布置方式對(duì)混凝土早期收縮的影響。任意齡期自由收縮應(yīng)變公式：

式中：ε（t）為任意時(shí)間的收縮， (時(shí)間)以天為單位；ε0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的極限收縮；a、b為相關(guān)參數(shù)。

2014年Salman Afzal等通過(guò)研究5%、10%、15%和20%的膨潤(rùn)土取代混合料中水泥，評(píng)價(jià)混凝土密封條件下早期自收縮，結(jié)果表明使用10%的膨潤(rùn)土取代水泥控制混凝土的收縮效果最好。

東南大學(xué)陳德鵬等通過(guò)混凝土一系列的收縮試驗(yàn)，研究了SAP對(duì)混凝土收縮開(kāi)裂性能的改善作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，SAP可以使混凝土過(guò)篩后的砂漿開(kāi)裂面積減小到原來(lái)的一半，混凝土的收縮減小30%～40%。

武漢理工大學(xué)周宇飛等研究了SAP的摻量和引入水量對(duì)不同水膠比混凝土的自收縮與強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)摻入混凝土中的SAP摻量不超過(guò)膠凝材料總重量0.5%時(shí)，可顯著減小混凝土的自收縮，同時(shí)抗壓強(qiáng)度損失很小。武漢大學(xué)何真等通過(guò)SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土試件的早期自收縮、長(zhǎng)期干燥收縮及橢圓環(huán)約束開(kāi)裂試驗(yàn)，探討了內(nèi)養(yǎng)護(hù)措施對(duì)改善混凝土收縮開(kāi)裂性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑減小了混凝土蒸發(fā)失水對(duì)混凝土早期開(kāi)裂和后期干燥收縮影響的程度，進(jìn)而減少了混凝土的開(kāi)裂和收縮。

混凝土自收縮預(yù)測(cè)模型有Tazawa-Miyazawa模型、Hua-Acker-Eriacher模型、歐洲EN-1992模型、FIP Model Code-2010、蔣正武等的濕度線性關(guān)系模型和閻培渝的水化動(dòng)力學(xué)模型等。這些模型的建立主要基于自收縮的發(fā)生機(jī)理，相對(duì)濕度和水泥的水化參數(shù)是最常見(jiàn)的兩類(lèi)輸入?yún)⒘?。但是由于混凝土早期變形發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性，至今仍未找到能夠準(zhǔn)確描述混凝土早期變形的預(yù)測(cè)模型。

為減小HSC的自收縮并使膠凝材料的水化程度達(dá)到最大，需要通過(guò)內(nèi)養(yǎng)護(hù)向HSC中引入適量的額外水分，以滿(mǎn)足HSC漿體水化時(shí)對(duì)內(nèi)部濕度的要求。內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)指的是將某種內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑均勻地?fù)饺氲交炷林校瑑?nèi)養(yǎng)護(hù)劑可以在混凝土內(nèi)部水分不足以供給膠凝材料水化反應(yīng)時(shí)釋放儲(chǔ)存在其中的水分。目前最常用的混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑主要有兩種：一種為飽水輕集料 （lightweight aggregate，簡(jiǎn)稱(chēng)LWA）；另外一種為高吸水性樹(shù)脂（super absorbent polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)SAP）。若內(nèi)養(yǎng)護(hù)引水量不足，則不能最大程度地降低 HSC的自收縮，膠凝材料水化程度也無(wú)法最大化；若內(nèi)養(yǎng)護(hù)引水量過(guò)大，則會(huì)引起HSC內(nèi)部孔隙率的增大。

2 高強(qiáng)混凝土早期抗裂性能研究現(xiàn)狀

目前，用以評(píng)價(jià)混凝土在約束收縮條件下抗裂性能的試驗(yàn)方法主要有端部約束試驗(yàn)法、圓環(huán)法、側(cè)邊約束試驗(yàn)法三種。

2.1 端部約束試驗(yàn)法

端部約束試驗(yàn)是研究混凝土早期抗裂性能的方法之一。該方法力學(xué)概念和物理意義清晰明確，約束程度可控可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)約束度為100%的完全約束，約束由棱柱體試件端部的鉗型夾具提供，試件中的拉應(yīng)力可在其收縮時(shí)被測(cè)出。用端部約束試驗(yàn)法測(cè)試混凝土早期開(kāi)裂的精確度與可重復(fù)性均較高，不僅能夠定量測(cè)出混凝土因收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，還能換算出早期彈性模量及徐變值，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出來(lái)的溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)定早期混凝土約束應(yīng)力的發(fā)展歷程，從而更全面、更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)混凝土的早期抗裂性能。

端部約束試驗(yàn)裝置的發(fā)展，經(jīng)歷了早期的被動(dòng)剛性約束框架，到后來(lái)的計(jì)算機(jī)控制下的電液伺服系統(tǒng)或者步進(jìn)電機(jī)主動(dòng)加載試驗(yàn)裝置的演化。端部約束主動(dòng)控制約束試驗(yàn)裝置最早于二十世紀(jì)八十年代，Springenschmid（1985）、Gierlinger（1985）、研制成功，取名 TSTM（Thermal Stress Test Machine），用于混凝土的溫度變形和應(yīng)力問(wèn)題的研究。1989年Breitenbücher在溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)上研究配筋混凝土性能抗裂性能。研究結(jié)果表明，在普通混凝土試樣和配筋混凝土試件中，開(kāi)裂溫度近似相同。在此基礎(chǔ)上，他得出結(jié)論：配置鋼筋不會(huì)降低開(kāi)裂的可能性。

后來(lái)以色列理工學(xué)院的 Kovler（1994）、Bloom（1995）， 美國(guó)伊利諾斯州大學(xué)的 David、Lange（2001）等人分別不斷地對(duì)該試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，相繼研制出類(lèi)似的約束變形試驗(yàn)裝置，并采用此類(lèi)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了素混凝土試件早期約束收縮的試驗(yàn)研究。Kovler、Bloom等人的試件有效長(zhǎng)度為1 000 mm，截面尺寸按不同需要可以做成 40 mm2×40 mm2、50 mm2×50 mm2、75 mm2×75 mm2等，為方便約束荷載的施加，試件端部通常做成局部大頭，一端固定在框架上，另一端安裝在滑道上可以移動(dòng)，移動(dòng)端連接高精度拉力傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量變形和約束應(yīng)力的變化并及時(shí)調(diào)整荷載，保證達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的約束度，多數(shù)情況是要求完全約束，即約束度R為l。

David A.Lange(2001)實(shí)驗(yàn)中，試件橫截面尺寸采用 76 mm2×76 mm2，有效長(zhǎng)度 1 000 mm，荷載傳感器的量程為20 kN，在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先規(guī)定一個(gè)收縮門(mén)檻值5 μm，每當(dāng)收縮變形達(dá)到該閥值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)加載系統(tǒng)，使試件的可移動(dòng)端重新回到原來(lái)初始位置，通過(guò)這樣的控制，可以把收縮變形、徐變變形、彈性變形恰當(dāng)?shù)貜目傋冃沃袇^(qū)分開(kāi)來(lái)，使進(jìn)一步的開(kāi)裂機(jī)理分析更為方便。

Ronit（2002）采用同樣長(zhǎng)度、截面為 40 mm2×40 mm2的試件，荷載傳感器量程荷5 kN，啟動(dòng)加載系統(tǒng)的收縮門(mén)檻值設(shè)為2 μm。2002年荷蘭代爾夫特理工大學(xué)M.Sule等采用類(lèi)似的自行研制的約束試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了配筋混凝土構(gòu)件的早期溫度應(yīng)力和開(kāi)裂的研究，其試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，試驗(yàn)系統(tǒng)由加載部分、控制部分、測(cè)量和數(shù)據(jù)采集部分、試驗(yàn)框架和夾具等組成，每組試件的試驗(yàn)期間大約為一周左右。由于混凝土早期變形值很小，試驗(yàn)要求系統(tǒng)位移控制的精度能達(dá)到l μm，這對(duì)傳感器和控制系統(tǒng)硬件都要求很高，使得其造價(jià)昂貴，在一定程度上限制了該試驗(yàn)系統(tǒng)的普及。研究針對(duì)素混凝土和配筋混凝土展開(kāi)，配筋混凝土設(shè)計(jì)有四種配筋率（0%、0.75%、1.34%、3.02%）、 六種配筋方式（1Φ12和 4Φ6，1Φ16 和 4Φ8，1Φ25 和 4Φ12）。 混凝土采用高強(qiáng)混凝土 HSC（w/c率=0.33）和普通混凝土NSC（w/c率=0.5），試件均處于恒溫和半絕熱養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其自由收縮和受約束情況下的應(yīng)力和裂縫。研究結(jié)果表明，鋼筋能推遲主裂縫形成的時(shí)間，并提出了應(yīng)變提高系數(shù)來(lái)定量評(píng)估鋼筋對(duì)減小混凝土早期貫穿性裂縫危險(xiǎn)的效應(yīng)。

圖1 混凝土溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)

2006年同濟(jì)大學(xué)袁勇、候景鵬等通過(guò)設(shè)計(jì)軸向配筋構(gòu)件的剛性框架端部約束收縮試驗(yàn)系統(tǒng)，研究配筋混凝土構(gòu)件在剛性框架被動(dòng)約束下從拆模開(kāi)始的約束荷載、鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)力等參數(shù)隨齡期的變化規(guī)律。

端部約束試驗(yàn)法既可以應(yīng)用于素混凝土試件研究，又可應(yīng)用于配筋混凝土構(gòu)件研究，因此有利于研究配筋對(duì)高強(qiáng)混凝土早期抗裂性能的影響。然而，研究裝置難以在試件端部提供充分的、不偏心的約束力。

2.2 圓環(huán)法

圓環(huán)法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種測(cè)量混凝土約束收縮的試驗(yàn)方法，操作比較簡(jiǎn)易，并且圓環(huán)試件關(guān)于圓心是軸對(duì)稱(chēng)的，更加便于力學(xué)分析。澆筑在內(nèi)鋼環(huán)外側(cè)的混凝土環(huán)，由于收縮時(shí)受到內(nèi)鋼環(huán)的約束，會(huì)使其中形成可能引發(fā)開(kāi)裂的環(huán)向拉應(yīng)力。圓環(huán)法可以均勻地約束混凝土的收縮 （自收縮和干燥收縮），便于評(píng)價(jià)約束應(yīng)力對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響程度。此外，混凝土在約束收縮時(shí)的應(yīng)力松弛效應(yīng)也可以由圓環(huán)法而更加便捷地反映出來(lái)。所以，用圓環(huán)法可以對(duì)混凝土抗裂性能進(jìn)行更有效地分析和評(píng)價(jià)。

圓環(huán)法最早是應(yīng)用于裂縫寬度及裂縫出現(xiàn)時(shí)間的觀測(cè)，以便對(duì)混凝土在約束收縮時(shí)的抗裂性能進(jìn)行定性分析；后來(lái)采用圓環(huán)法監(jiān)測(cè)內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)表面的壓應(yīng)變，并結(jié)合抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)混凝土在約束收縮時(shí)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)力松弛效應(yīng)進(jìn)行定量分析；再后來(lái)，針對(duì)圓環(huán)法的美國(guó)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1581-04也相繼出臺(tái)，這說(shuō)明圓環(huán)法的理論評(píng)價(jià)體系日趨成熟，標(biāo)志著圓環(huán)法已經(jīng)走上了標(biāo)準(zhǔn)化的道路，以便對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析。

二十世紀(jì)中期，Roy Carlson采用圓環(huán)法對(duì)水泥凈漿和水泥砂漿試件進(jìn)行約束開(kāi)裂試驗(yàn)，這是圓環(huán)試驗(yàn)的開(kāi)端。這個(gè)試驗(yàn)中，水泥漿體圍繞圓環(huán)澆注，并與空氣直接接觸。試樣的收縮受到圓環(huán)的約束，將產(chǎn)生裂縫。然而，這個(gè)試驗(yàn)顯示，開(kāi)裂是由于干燥收縮，不是由于熱變形，所以不適合預(yù)測(cè)熱效應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力發(fā)展。沒(méi)過(guò)多久，美國(guó)西北大學(xué)研究中心提出了ACBM方法。該試驗(yàn)裝置的內(nèi)鋼環(huán)尺寸為：外徑305 mm，內(nèi)徑254 mm，高140 mm，試件厚度35 mm，外環(huán)由紙板制成。由于ACBM方法測(cè)試法與試件尺寸沒(méi)有關(guān)系，受力相對(duì)均勻，因此可以較好地研究混凝土的約束收縮開(kāi)裂。

河海大學(xué)楊蓉通過(guò)圓環(huán)法研究混凝土早期抗裂性能，并提出評(píng)價(jià)混凝土早期開(kāi)裂可能性的系統(tǒng)試驗(yàn)方法。圓環(huán)裝置見(jiàn)圖2。環(huán)形試件厚度為38 mm，外環(huán)尺寸為Φ410 mm×150 mm×5 mm。

圖2 ASTM標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)后底板尺寸

2.3 側(cè)邊約束試驗(yàn)法

側(cè)邊約束試驗(yàn)主要研究基礎(chǔ)對(duì)混凝土墻體的約束作用。目前，國(guó)外對(duì)于混凝土墻體結(jié)構(gòu)的早期溫度、收縮裂縫研究的起步要比國(guó)內(nèi)相對(duì)要早。早在1934年和1973年，前蘇聯(lián)的馬斯洛夫、亞歷山大德羅夫斯基應(yīng)用彈性力學(xué)理論分別計(jì)算出了澆筑在無(wú)限剛性基巖上矩形平面墻和一邊嵌固三邊自由的墻體由于均勻溫升引起的溫度應(yīng)力。但是計(jì)算過(guò)程也極其復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果非常繁瑣。

1994年Emborg和Bernander研究表明墻體內(nèi)部和外部的溫度差異是墻體早期裂縫形成的可能性之一，并強(qiáng)調(diào)如果溫度準(zhǔn)則不與現(xiàn)行的約束程度一起考慮，是沒(méi)有意義的。通過(guò)對(duì)兩米厚的墻進(jìn)行研究，結(jié)果表明基礎(chǔ)和墻體交界處的外部軸向約束是100%，墻體頂端軸向約束幾乎可以忽略。因此，盡管表面和中間的溫度差異相同，但應(yīng)力發(fā)展不同。這導(dǎo)致兩種不同的關(guān)鍵時(shí)刻。澆注后的幾天，墻體頂端趨于發(fā)生表面早期拉應(yīng)力。然而，在基礎(chǔ)和墻體交界處早期拉應(yīng)力不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵缙隗w積擴(kuò)張引起的壓應(yīng)力在應(yīng)力領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。后來(lái)，在冷卻階段，整個(gè)截面產(chǎn)生了拉應(yīng)力，導(dǎo)致貫穿裂縫產(chǎn)生。

1994年P(guān)ass將鋼筋混凝土墻和素混凝土墻澆注在剛度可選擇的條形基礎(chǔ)或板形基礎(chǔ)上，分析基礎(chǔ)和配筋對(duì)墻體早期開(kāi)裂的影響，成功地預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度，材料性能和裂縫形成過(guò)程，并提供了最小配筋率的設(shè)計(jì)圖。2002年做了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，研究了理論和試驗(yàn)中基礎(chǔ)對(duì)墻體的約束系數(shù)。通過(guò)澆注點(diǎn)的滑移破壞和結(jié)構(gòu)本身的幾何形狀，得出結(jié)論：約束系數(shù)受到基礎(chǔ)材料邊界約束的影響。1998年P(guān)ass用試驗(yàn)研究了澆筑在基礎(chǔ)板上的墻的開(kāi)裂性能，并建立無(wú)筋墻和有筋墻的理論模型。由于下面受到完全約束，墻只有頂端邊緣才能變形。研究結(jié)果表明，無(wú)筋水平墻條的水平變形取決于開(kāi)裂時(shí)間和開(kāi)裂位置。通過(guò)引入虛擬長(zhǎng)度和長(zhǎng)度變化值,計(jì)算水平變形：

Kianoush以體積變形受到約束的混凝土墻為基礎(chǔ)建立模型，設(shè)計(jì)了高2 m，長(zhǎng)4 m，厚150 mm，配筋率0.2%，鋼筋直徑10 mm，鋼筋間距為262 mm的墻體，研究墻的高度、長(zhǎng)度、長(zhǎng)高比、厚度、配筋率，收縮和溫度變形對(duì)裂縫寬度的影響，并利用FEM有限元方法分析進(jìn)行了分析研究。研究表明，使用有限元得到的裂縫寬度預(yù)測(cè)公式和試驗(yàn)觀測(cè)獲得的裂縫整體模式和裂縫寬度吻合。

文獻(xiàn)中通過(guò)研究厚300 mm和900 mm、長(zhǎng)度15 000 mm、高2 000 mm的長(zhǎng)墻試件，研究新老混凝土交界處的粘結(jié)和不同截面形狀下老混凝土的所施加的內(nèi)部約束。研究結(jié)果表明，約束的分布決定于構(gòu)件的截面形狀、新澆混凝土的幾何性質(zhì)、粘結(jié)處的滑動(dòng)斷裂、彈性模量和基礎(chǔ)邊界所傳遞的約束等。河海大學(xué)張軍通過(guò)編制考慮溫度對(duì)水化反映的影響以及徐變因素的CTS-ANSYS混凝土徐變溫度程序，研究早期徐變溫度應(yīng)力、自收縮應(yīng)力以及干縮應(yīng)力對(duì)混凝土墻體的早期開(kāi)裂情況的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然各國(guó)學(xué)者對(duì)于高強(qiáng)混凝土收縮及抗裂性能進(jìn)行了大量的研究，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于高強(qiáng)混凝土早期裂縫的控制還沒(méi)有得到工程界普遍認(rèn)可、簡(jiǎn)便易行的控制方法。鑒于這種情況，有必要進(jìn)一步研究高強(qiáng)混凝土早期抗裂措施。