混凝土復(fù)合減縮抗裂技術(shù)最新研究進(jìn)展

羅源兵，張武宗，張遠(yuǎn)

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最易發(fā)生，也是最嚴(yán)重的質(zhì)量問題?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生后，在荷載和環(huán)境侵蝕作用下，裂縫會(huì)進(jìn)一步激化和擴(kuò)大，引起鋼筋銹蝕，建筑物整體安全性能嚴(yán)重下降，大大縮短其工程項(xiàng)目使用年限[1]?；炷亮芽p包括塑性收縮裂縫、自收縮裂縫、干縮裂縫、溫度收縮裂縫、沉降裂縫、凍脹裂縫、施工裂縫等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土的裂縫有 80% 是由混凝土自身的收縮變形引起的，由外部荷載引起的裂縫只占20%[2]。因此，研究和解決收縮變形引起的裂縫問題是解決混凝土裂縫的主要方向。

目前解決混凝土收縮開裂的主要手段有在混凝土中添加膨脹劑、減縮劑、纖維、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑和礦物摻合料等。然而，上述減縮防裂措施各有自己的使用條件或限制，其使用效果也各不相同。雖然使用單一的減縮措施可以在一定程度上減少混凝土材料的收縮開裂，但在某些抗裂要求較高的混凝土工程，使用單一的減縮措施并不能滿足其抗裂防滲要求，或者會(huì)導(dǎo)致混凝土其他性能劣化。因此，許多研究人員以組合使用兩種或更多種減縮防裂措施，使各種減縮防裂措施可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮其協(xié)同或疊加作用，取得了極好的綜合效果。本文主要從內(nèi)養(yǎng)護(hù)與膨脹劑復(fù)合、纖維與膨脹劑復(fù)合、減縮劑與膨脹劑復(fù)合、減縮劑與纖維復(fù)合、內(nèi)養(yǎng)護(hù)與減縮劑復(fù)合五個(gè)方面闡述當(dāng)前混凝土復(fù)合減縮抗裂技術(shù)的最新研究進(jìn)展和存在的問題。

1 混凝土復(fù)合減縮抗裂技術(shù)

1.1 膨脹劑和內(nèi)養(yǎng)護(hù)復(fù)合

通過膨脹劑的補(bǔ)償收縮來減少混凝土的溫度收縮和干燥收縮，從而抑制混凝土的收縮開裂，已成為在實(shí)際工程中控制混凝土開裂的主要措施。膨脹劑主要通過水化反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹物質(zhì)，所需水量大。但是，在低水膠比高強(qiáng)混凝土中，外部水分難以進(jìn)入內(nèi)部，內(nèi)部處于缺水絕濕狀態(tài)，膨脹劑不能充分水化，膨脹劑的補(bǔ)償收縮效應(yīng)不能充分發(fā)揮，導(dǎo)致使用膨脹劑并沒有有效降低混凝土的收縮裂縫。低水膠比高強(qiáng)混凝土中，加入內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑不僅可以降低混凝土本身的自收縮，還能提供膨脹劑水化所需的水分，通過內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑和膨脹劑二者的疊加作用，大大降低混凝土的裂縫產(chǎn)生[3]。

Li[4]在恒溫、變溫條件下，研究預(yù)濕輕骨料和膨脹劑的結(jié)合使用對(duì)混凝土收縮變形的影響。結(jié)果表明，預(yù)濕輕骨料在降溫階段具有比膨脹劑更強(qiáng)的減縮效果，并能在后期提供連續(xù)的膨脹。通過將預(yù)濕輕骨料和膨脹劑組合使用，使混凝土的收縮變形顯著減少，并能夠抑制由單一的膨脹劑引起的機(jī)械性能的降低。

秦鴻根[3]在膨脹混凝土中加入聚合物吸水樹脂（SAP），因?yàn)槲畼渲奈屗饔?，有利于混凝土中鈣礬石的生成和水泥水化程度的提高，可顯著提高膨脹混凝土的早期膨脹值和限制膨脹率，且對(duì)強(qiáng)度無不利影響。丁慶軍[5]在 C60 自密實(shí)混凝土加入內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料和膨脹劑，結(jié)果表明，復(fù)摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料（AN-ICA）和膨脹劑（硫鋁酸水分鈣—氧化鈣型）比單摻膨脹劑，可以有效降低自密實(shí)混凝土的干燥收縮和自收縮。并采用聚羧酸減水劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑和膨脹劑成功制備出低收縮抗裂 C60 自密實(shí)混凝土。胡玉慶[6]在砂漿中復(fù)摻高倍吸水樹脂（SAP）與 MgO 膨脹劑，發(fā)現(xiàn)可降低砂漿的干縮和自收縮，但同時(shí)砂漿的粘聚性會(huì)增加，從而導(dǎo)致其流動(dòng)性降低。

陳波[7]采用溫度—應(yīng)力試驗(yàn)法研究了 SAP 和 UEA復(fù)合使用對(duì)混凝土的溫度—應(yīng)力發(fā)展的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)SAP 和 UEA 的復(fù)合使用，可以提升其升溫階段的壓應(yīng)力，降低拉應(yīng)力在降溫階段的發(fā)展速率，使開裂溫度降低，延長(zhǎng)了其裂開的時(shí)間。

胡曙光[8]在高強(qiáng)微膨脹鋼管混凝土中加入飽水頁巖陶粒，因?yàn)轭A(yù)濕陶粒的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，在混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低的情況下釋放的水分降低了自收縮，同時(shí)釋放的水分有利于膨脹劑和未水化的水泥繼續(xù)水化，從而減少了混凝土的體積收縮。然而，飽水頁巖陶粒的加入會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此有必要控制其合理的含量。

1.2 膨脹劑和纖維復(fù)合

膨脹劑可以有效的降低混凝土的干縮裂縫，但對(duì)因其塑性收縮產(chǎn)生的裂縫，效果卻不明顯，尤其是養(yǎng)護(hù)不好的部位。而在混凝土加入纖維，纖維的阻裂作用能抑制混凝土的早期塑性開裂。將二者復(fù)合使用，可以產(chǎn)生疊加作用，有效降低混凝土的收縮開裂[9,10]。

孫偉等人[11]研究復(fù)合纖維和膨脹劑對(duì)混凝土抗收縮和抗?jié)B的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用復(fù)合纖維和膨脹劑后，可以提高混凝土的內(nèi)部界面強(qiáng)度，而且混凝土的抗收縮性和抗?jié)B性得到了改善。王愛國(guó)等人[12]研究了鋼纖維與 MgO 膨脹劑復(fù)合使用對(duì)混凝土強(qiáng)度、透氣性和孔隙率的影響，得出了與孫偉等學(xué)者相近的結(jié)論，即鋼纖維與 MgO 膨脹劑可以使砂漿孔隙結(jié)構(gòu)和混凝土纖維基體界面結(jié)構(gòu)得到改善，從而提高混凝土力學(xué)和抗?jié)B性能。但是 Toutanji[13,14]研究了聚丙烯纖維增強(qiáng)硅灰膨脹混凝土的氯離子滲透性，卻發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維會(huì)增加混凝土的孔隙率，因?yàn)槔w維分散性差，且和水泥基體粘結(jié)性差，從而導(dǎo)致滲透性增加。所以如何提高混凝土中纖維分散性和與基體的粘結(jié)性是應(yīng)該著重考慮的問題。

Corinaldesi[15]等發(fā)現(xiàn)如果一起使用 CaO 膨脹劑與鍍銅纖維，能極大增加混凝土抗彎強(qiáng)度。通過微觀分析，發(fā)現(xiàn)是由于在堿性環(huán)境下黃銅脫鋅，在纖維與水泥漿體界面形成羥基鋅酸鈣晶體，增加了纖維與基體之間的粘結(jié)力。其纖維與水泥漿體界面的微觀分析見圖 1。

纖維品種對(duì)膨脹補(bǔ)償收縮的混凝土的影響各不相同。Cao[16-18]研究了聚丙烯纖維和鋼纖維與膨脹劑聯(lián)用對(duì)自密實(shí)混凝土早期開裂的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維較鋼纖維有更好的抗裂效果，纖維與膨脹劑聯(lián)用比只用纖維的自密實(shí)混凝土，抗裂效果要高 70%。Afroughsabe[19]研究了雙鉤鋼纖維及膨脹水泥對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土中的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用膨脹水泥在提高混凝土體積穩(wěn)定性的同時(shí)，拉拔阻力較普通水泥提高了 26%。而雙鉤鋼纖維用其他纖維代替會(huì)引起強(qiáng)度的降低。

1.3 減縮劑和膨脹劑復(fù)合

Maltese[20]研究了氧化鈣類膨脹劑和丙二醇醚類減縮劑對(duì)水泥砂漿體積穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)二者復(fù)合使用可以產(chǎn)生協(xié)同作用，從而大大減少砂漿的收縮。進(jìn)一步通過微觀分析研究，作者認(rèn)為減縮劑的有機(jī)疏水分子結(jié)構(gòu)能減少水的介電常數(shù)，降低氫氧化鈣的溶解度，促進(jìn)大量氫氧鈣石晶體的形成，產(chǎn)生體積膨脹，補(bǔ)償砂漿的收縮。

圖1 纖維的 SEM （大圖為纖維和膨脹劑，小圖為纖維）和能譜分析（記為 A,B,C）[15]

有學(xué)者通過研究單獨(dú)使用減縮劑（SRA）或膨脹劑時(shí)，并不能完全避免收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)，而 SRA 與膨脹劑復(fù)合，則可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，大大降低混凝土的收縮開裂[21]。SRA 的加入可以減少水分蒸發(fā)，使混凝土內(nèi)部保持相對(duì)較高的濕度，為膨脹劑水化反應(yīng)提供了良好的濕養(yǎng)護(hù)環(huán)境[22]。

Meddah[23]研究 SRA 和膨脹劑復(fù)合對(duì)硅灰高性能混凝土自收縮和自應(yīng)力的影響，混合加入 SRA 和膨脹劑可顯著降低混凝土的自收縮和自拉應(yīng)力，同時(shí)混凝土的劈裂拉伸和抗壓強(qiáng)度、彈性模量也略有降低。

Collepardi[24]將減縮型聚羧酸減水劑和 CaO 膨脹劑復(fù)合使用在沒有濕養(yǎng)護(hù)和收縮的室外樓板中。在堿性條件下，該減縮型聚羧酸減水劑的減縮基團(tuán)會(huì)從主鏈上釋放出來，會(huì)減少孔隙溶液的表面張力，從而增加混凝土的限制膨脹率。該室外樓板澆筑 8 個(gè)月后，沒有明顯裂縫產(chǎn)生。

Monosi[25]研究了硫鋁酸鈣膨脹劑和減縮劑對(duì)不同水膠比砂漿的影響效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)減縮劑能增加砂漿的自由膨脹，卻不會(huì)增加其膨脹損失。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)減縮劑會(huì)在早期輕微延遲鈣礬石的形成，而且會(huì)顯著改變鈣礬石晶體的形態(tài)，使其變得更為細(xì)長(zhǎng)。SEM 微觀掃描圖片見圖 2。

Cheung[26]研究用硫鋁酸鹽水泥替代波特蘭水泥和添加 SRA 對(duì)不同水膠比的高強(qiáng)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料收縮性能的影響。在低水膠比時(shí)，用 SRA 比硫鋁酸鹽水泥替代更能減少混凝土的收縮，而在高水膠比時(shí)，硫鋁酸鹽水泥替代普通水泥則更為有效。當(dāng)二者聯(lián)用時(shí)，減縮效果最為顯著，可降低 70%～80% 左右。

圖2 (a) 6h 水泥凈漿 SEM 照片（不含 SRA)；(b) 6h 水泥凈漿 SEM 照片（含 SRA）[25]

1.4 減縮劑和纖維復(fù)合

水泥砂漿摻入纖維，會(huì)在拌和過程中引入大量的空氣，包裹在砂漿中的氣體會(huì)降低對(duì)砂漿的強(qiáng)度和耐久性[27]。Chan[28]發(fā)現(xiàn)在混凝土中加入 SRA，會(huì)破壞氣泡的穩(wěn)定性，并使氣體在攪拌過程從混凝土中排出。另一方面，在纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維的潤(rùn)濕性對(duì)混凝土性能有重要影響。親水性的纖維，即具有較低的接觸角，更容易在其周圍形成更緊密的界面過渡區(qū)，與基體的結(jié)合力更強(qiáng)。而疏水性纖維則相反，它會(huì)排斥水分，形成多孔界面，與基體的結(jié)合力較弱。在混凝土中加入SRA，會(huì)降低水泥漿中的水的表面張力，減小接觸角，進(jìn)而改善纖維—基體結(jié)合力[29-31]。Wang[32]研究了不同濃度的減縮劑對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的影響，SRA能減小纖維的接觸角，增加纖維的潤(rùn)濕性。在纖維增強(qiáng)砂漿中加入 SRA，在減少砂漿含氣量的同時(shí)，還能顯著增加鋼纖維砂漿的抗彎強(qiáng)度。

Passuello[33]在纖維增強(qiáng)混凝土中加入減縮劑，即使纖維用量減少，也能產(chǎn)生較好的抗裂性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，這可以使混凝土纖維更易分散均勻，而且可以降低成本。試驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示。

Soliman[34]研究了硅灰石纖維和減縮劑對(duì)混凝土早期收縮和開裂的影響，結(jié)果表明，加入硅灰石纖維可以提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，彌補(bǔ)了加入 SRA 引起的抗壓強(qiáng)度降低。同時(shí)加入硅灰石超細(xì)纖維降低了水下混凝土中 SRA 的浸出，提高了 SRA 減縮抗裂的效果。

Gong[35]在陶?；炷林刑砑訙p縮劑和聚丙烯纖維，發(fā)現(xiàn)二者混合使用可以極大降低陶?；炷恋淖允湛s和干燥收縮。

圖3 減縮劑和纖維對(duì)混凝土裂縫寬度的影響

1.5 內(nèi)養(yǎng)護(hù)和減縮劑復(fù)合

喬墩[36]研究了減縮劑預(yù)飽和輕骨料對(duì)水泥砂漿體積穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)減縮劑飽和輕骨料相比普通水飽和輕骨料，具有更好的減縮能力，且不會(huì)影響砂漿的強(qiáng)度。作者認(rèn)為在水泥砂漿硬化后期，減縮劑才緩慢從飽和輕骨料釋放出來，發(fā)揮其減縮作用，從而避免了減縮劑對(duì)水泥水化的延遲作用。黨玉棟[37]將飽水輕骨料和 SRA 復(fù)合，能提高材料內(nèi)部的相對(duì)濕度，減少砂漿的自收縮。

Wehbe[38]發(fā)現(xiàn) SRA 的加入會(huì)延遲水化反應(yīng)溫度峰值的出現(xiàn)，而 SAP 和 SRA 聯(lián)用，由于 SAP 的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，可使反應(yīng)溫度峰值提前。這說明 SRA 會(huì)影響水泥的早期水化，而 SAP 由于內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，可以一定程度上抵消這種影響。對(duì)水化度的測(cè)試也證明了此結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果見圖 4[38]。

圖4 （a）水泥水化熱 （b）水化度

Zhutovsky[39]將內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑（預(yù)水飽和輕骨料和高吸水樹脂）與 SRA 復(fù)合使用，發(fā)現(xiàn)二者之間存在協(xié)同作用，可大大降低混凝土收縮開裂的可能性。但是同時(shí)內(nèi)養(yǎng)護(hù)和 SRA 可能會(huì)對(duì)混凝土性質(zhì)有一些影響，進(jìn)而造成混凝土的開裂敏感性不同。

黨玉棟[40]通過在混凝土表面復(fù)涂減縮劑 SRA 和養(yǎng)護(hù)劑 CC，發(fā)現(xiàn)相比單獨(dú)使用其中一種，復(fù)涂 SRA 和CC 更能顯著提高混凝土的抗裂性能。二者之間存在疊加作用，可以更好地減少混凝土收縮和保持水分。

2 結(jié)語與展望

通過將多種減縮抗裂技術(shù)復(fù)合，可以彌補(bǔ)單一措施的不足，提高混凝土的綜合抗裂性能，具有極大的推廣應(yīng)用前景。本文通過對(duì)已有研究成果的歸納總結(jié)，得出了以下結(jié)論：

（1）使用 SRA 會(huì)延遲水化反應(yīng)，影響混凝土的早期強(qiáng)度。而與纖維、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑結(jié)合使用，可以有效地改善混凝土的力學(xué)性能。

（2）膨脹劑和內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑復(fù)合，內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的吸水—釋水作用，可以補(bǔ)充膨脹劑水化反應(yīng)所需要的水分，同時(shí)與內(nèi)養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生疊加作用，大大提高混凝土抵抗收縮開裂的能力。

（3）纖維與 SRA 復(fù)合，SRA 可以改善纖維的潤(rùn)濕性，形成更緊密的界面過渡區(qū)，使纖維和基體的結(jié)合力更強(qiáng)，不但能提高混凝土的力學(xué)性能，還能大大提高其抗裂性能。

（4）減縮劑與膨脹劑復(fù)合，可以產(chǎn)生協(xié)同和疊加作用，有限改善混凝土的收縮開裂，降低膨脹劑的養(yǎng)護(hù)要求。

雖然混凝土復(fù)合減縮抗裂技術(shù)在研究上取得了一定的突破和進(jìn)展，眾多學(xué)者對(duì)其作用機(jī)理和其對(duì)混凝土的性能影響進(jìn)行了深入研究和探討，但離實(shí)際應(yīng)用，有以下方面仍需解決：

（1）目前的研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室的研究，缺乏實(shí)際工程的應(yīng)用檢驗(yàn)研究。如何通過復(fù)合減縮措施，在提高混凝土抗裂性能的同時(shí)降低成本，是決定其能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，也是目前需要迫切研究解決的問題。

（2）目前存在的減縮抗裂標(biāo)準(zhǔn)或施工指南，主要針對(duì)的是單一措施或者單一產(chǎn)品，對(duì)復(fù)合減縮措施的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、配合比設(shè)計(jì)方法、施工指南，研究尚處于空白階段，這也制約了其推廣應(yīng)用。