高性能混凝土構件的收縮與裂縫控制

康 江

(山西省公路工程質量檢測中心，山西 太原 030006)

隨著高性能混凝土構件在高速公路的廣泛應用，混凝土構件裂縫這一工程中的常見問題也越來越為業(yè)內人土所重視。交通運輸部《關于印發(fā)公路水運工程混凝土質量通病治理活動實施方案的通知》(交質監(jiān)發(fā)(2009)174號)并要求各地交通運輸主管部門要總結混凝土質量通病治理經(jīng)驗，總結成熟的工藝、工法，加以推廣，形成長效機制。

目前橋梁上部預制構件采用普通混凝土主要質量缺陷有:構件混凝土實體強度離散性大，構件強度評定時經(jīng)常有不合格的情況發(fā)生；預制構件內面易出現(xiàn)空洞、露筋缺陷，梁板端部易出現(xiàn)漏漿，不密實；構件腹板易出現(xiàn)分層水紋、麻面、大的氣泡、色差；預制構件表面裂縫多，浮漿厚，表面粗糙、不密實，不利后續(xù)工藝連接；構件錨墊板部位混凝土密實性差，強度低，施加預應力易出現(xiàn)裂縫。

1 高性能混凝土

高性能混凝土是采用普通材料和工藝，以提高混凝土結構的使用性能為目的，具有較高的施工性、高體積穩(wěn)定性和高耐久性特點的混凝土，其特征組分為高性能減水劑和礦物摻合料，如粉煤灰，硅粉，磨細高爐礦渣等。高性能減水劑能有效減少混凝土的用水量，降低水膠比，提高早期強度，降低體積變形，減少施工過程中的坍落度損失；超細礦質摻合料能有效分散水泥顆粒，并參與二次水化反應，從而改善混凝土內部界面結構，起到增密、增塑、減水效果，提高結構的密實性、強度和耐久性。粉煤灰等都屬于工業(yè)廢料，在高性能混凝土結構中，根據(jù)使用要求，摻加一定數(shù)量的超細物質，替代部分耗能較大的水泥熟料，達到既減少能耗，又循環(huán)利用工業(yè)廢棄物效果，所以高性能混凝土又可叫做低碳環(huán)保混凝土或綠色混凝土[1]。

2 高性能混凝土收縮與裂縫產生的原因分析

眾所周知，結構的破壞都是從裂縫開始的，環(huán)境中有害物質通過裂縫滲入混凝土內部發(fā)生物理、化學反應，導致混凝土保護層開裂、脫落、鋼筋被腐蝕、結構有效受力面積變小，最終結構破壞。但是，正如中國工程院院士王鐵夢在他的論著《工程結構裂縫控制》[2]中提到的，混凝土構件產生裂縫是必然的，正確的方法是控制裂縫的產生及將裂縫寬度控制在一定范圍內。

混凝土構件產生裂縫，主要有以下兩種原因：由于受力引起的裂縫和形變引起的裂縫，根據(jù)資料顯示，由于形變(溫度、收縮、不均勻沉降)導致混凝土構件裂縫的，約占到80%以上。除設計原因外，溫度收縮、干燥收縮、自收縮是導致混凝土構件裂縫的內在原因。

1)溫度收縮是由于水泥水化熱溫升引起的，一方面，由于混凝土構件內外溫差過大使得混凝土表面產生裂縫；另一方面，由于溫度變化使得混凝土產生延時收縮裂縫。隨著高強混凝土的廣泛應用，在混凝土配合比配制時水泥用量勢必加大，由此產生的水化熱也較大，造成溫度收縮也較大。

2)干燥收縮是指混凝土在水化過程中因水分蒸發(fā)引起的，一般高達500 μm/m～600 μm/m。這種情況多數(shù)是因為在混凝土早期養(yǎng)護過程中缺水造成的。

3)自收縮是指混凝土因水泥水化過程產生的體積縮減，對普通混凝土而言，這種收縮較小，但在高性能混凝土中則可能達到200 μm/m～400 μm/m,不可忽視。

4)其他原因引起的裂縫，如由于預制臺座不均勻沉降導致預制構件混凝土局部拉應力過大導致結構物混凝土開裂產生裂縫。

所有上述原因引起的裂縫，如果不采取措施進行控制，都將影響到結構物的使用安全和耐久性(使用壽命)，從而影響到人民的生命和國家財產的安全。

3 高性能混凝土收縮與裂縫的控制

控制裂縫的措施，主要是在結構設計、施工和材料配比等方面考慮。

3.1 設計方面

主要包括在配筋上，增設預防溫度裂縫鋼筋、局部加強鋼筋、加強構造鋼筋等；在不同位置設置伸縮縫、變形縫以縮短混凝土的連續(xù)長度，減小裂縫的產生幾率。如在橋梁防撞護欄設計時，建議除在墩頂和1/2跨中、1/4跨中設置變形縫外，要根據(jù)跨徑大小，間隔5 m～8 m最大不超過10 m增設變形縫將混凝土斷開，縮短混凝土連續(xù)長度以減少裂縫。另外，建議設計單位根據(jù)不同構件、不同情況，在設計中采用特殊措施如設計成抗裂混凝土，提出相應的控制構件裂縫的有關技術要求、施工注意事項等。

3.2 施工方面

1)要嚴格按照設計圖紙和JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規(guī)范[3]認真施工，從原材料選擇、進場檢驗，都要進行嚴格的控制。

2)在施工過程中，要嚴格控制鋼筋骨架位置，采取可靠的定位措施以保證混凝土保護層厚度符合設計要求。

3)在混凝土施工時間的選擇上，夏季要避開當天氣溫最高的11點～16點時段，并在施工前對模板進行適當?shù)慕禍靥幚恚敾炷帘砻婢哂幸欢◤姸群罅⒓催M行覆蓋灑水養(yǎng)護，并要保證濕養(yǎng)時間，這是減少裂縫至關重要的步驟和要點；冬季施工時要嚴格按照批準的冬季施工方案執(zhí)行，施工時間要盡可能選在每天的9點～15點之間，當混凝土表面具有一定強度后立即進行覆蓋灑水、保溫養(yǎng)護，并要保證在養(yǎng)護期內構件的周圍環(huán)境溫度滿足冬季施工方案要求，且要做好相應的記錄。

采取上述各種混凝土抗裂措施，對控制混凝土構件裂縫有一定效果，但是要從根本上消除結構混凝土的裂縫，依照現(xiàn)有的技術很難達到?；炷粱旌狭弦蚧瘜W反應產生的水化熱、混凝土構件本身的體積收縮、干縮，是導致混凝土結構產生非受力裂縫的根本原因。高性能混凝土構件因其自身特點(強度高)，要求的單方水泥用量相對就高，因此控制裂縫較普通混凝土構件尤為突出。目前業(yè)內大量采用摻加粉煤灰、磨細高爐礦渣、硅粉等膠凝材料和高效減水劑形成的高性能混凝土，以此減少水泥用量、提高混凝土的性能，筆者就此闡述如下。

3.3 材料配比方面

1)在原材料的選擇方面要嚴格把關。對粗集料的級配、最大粒徑、壓碎指標等項目要嚴格控制，細集料要嚴格控制含泥量、細度模數(shù)、超粒徑顆粒含量等指標。2)混凝土配合比設計時，要采取措施減少水泥用量，摻加如粉煤灰、磨細高爐礦渣、硅粉等材料，并使用高效減水劑等外摻劑減少單方混凝土用水量。3)摻加纖維材料或聚合物提高混凝土抗裂性也是控制裂縫的有效措施之一，如我省多條高速公路在橋面混凝土中摻加鋼纖維提高混凝土的抗裂性能，但這種方法的成本較高。

4 工程實例

某高速公路一座橋梁上部結構設計為C50預制預應力箱梁。施工時，采用了高性能混凝土配合比設計方法進行。以往C50梁板采用非高性能混凝土時存在很多質量缺陷，如本文前述。在征得建設業(yè)主和施工監(jiān)理同意下，本項目預制構件采用摻加高性能減水劑和礦物摻合料的高性能混凝土施工。

4.1 水泥

根據(jù)混凝土強度試配原則，水泥強度應為配制混凝土強度的0.9倍～1.5倍。

4.2 集料

4.2.1細集料

一般情況下，混凝土的單方用水量隨著細集料中含泥量的加大而增加，同時，配制混凝土時的用水量也隨著細集料偏細而增加。

本項目試驗按照GB/T 14684—2011建設用砂標準中Ⅰ級砂標準控制(含泥量≤1.0%,云母含量≤1.0%,輕物質含量≤1.0%,大于4.75含量<5%,空隙率<44%,細度模數(shù)：2.6～2.9Ⅰ區(qū)中砂)，采用水洗河砂，技術指標為：細度模數(shù)：2.82,含泥量：0.9%,云母含量：0.5%。

4.2.2粗集料

在粒料形狀相同條件下，粒料加工粒徑越小，在混凝土中的受力越均勻，配制出的強度越高。一般情況下，用于加工粗集料的石料強度宜不小于混凝土強度等級的1.5倍。

本項目試配時按照GB/T 14685—2011建設用卵石、碎石標準中Ⅰ級石灰?guī)r碎石的標準，要求含泥量不大于0.5%,針片狀顆粒含量不大于5%。

4.3 外加劑

本項目采用與水泥配伍性好的高效粉狀減水劑、減水率β為18%，本項目采用的兩種高效減水劑為：1)UNF-Ⅱ高效減水劑；2)ADD-NS高效減水劑。

4.4 外摻料

高性能混凝土設計水膠比一般不大于0.4，在配制強度要求較高的高性能混凝土時，根據(jù)使用要求，摻加經(jīng)試驗確定的超細礦物活性材料置換部分水泥。

4.5 混凝土強度試配

4.5.1配制強度

fcu,0=fcu,k+1.645σ=59.9 MPa。

其中，fcu,0為混凝土配制強度，MPa；fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值,取混凝土的設計強度等級值,MPa；σ為混凝土強度標準差,MPa。

4.5.2參數(shù)選擇

1)52.5級水泥、富余系數(shù)取rc=1.03,fb=52.5×1.03=54.0 MPa。其中，rc為水泥強度等級值的富余系數(shù)；fb為水泥28 d膠砂抗壓強度，MPa。

2)42.5級水泥、富余系數(shù)取rc=1.13,fb=42.5×1.13=48.0 MPa。砂率Sp:以普通混凝土查表選擇為基礎，提高10%～20%, 本項目砂率Sp取35%，混凝土表觀密度為2 500 kg/m3。

4.5.3基準配合比參數(shù)

1)52.5級水泥：mw0=176 kg/m3，W/B=0.40,mb0=440 kg/m3。

其中，W/B為混凝土水膠比；mb0為每立方米混凝土水泥用量。

2)42.5級水泥：mw0=176 kg/m3，W/B=0.36,mb0=489 kg/m3。

Sp=35%,混凝土表觀密度為2 500 kg/m3。

硅粉摻量取水泥用量的4%，6%，8%,粉煤灰摻量取水泥用量的8%，10%，12%。

5 結語

筆者通過對高性能混凝土產生收縮和裂縫的分析，提出了控制的思路和措施，并就工程實例進行闡述，期望對今后高性能混凝土裂縫控制提供參考。