淺談高性能混凝土的收縮開裂特征

王小東

(南通紫瑯混凝土有限公司， 南通 226003)

淺談高性能混凝土的收縮開裂特征

王小東

(南通紫瑯混凝土有限公司， 南通 226003)

本文對比分析了低水膠比高性能混凝土與普通混凝土的變形特性差異性，探討了高性能混凝土早期開裂加劇的影響因素，并從材料控制的角度提出可能的抑制措施，為高性能混凝土在實際工程中的裂縫控制提供參考。

高性能混凝土；收縮；開裂特征；抑制措施

0 前言

高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，引起了世界各國材料科學(xué)與工程界的密切關(guān)注和高度重視，其中高耐久與長壽命的研究已成為全世界所密切關(guān)注和全力攻關(guān)的重大科學(xué)技術(shù)問題。隨著建筑物的使用環(huán)境日趨復(fù)雜和苛刻，對其耐久性和使用壽命的要求也越來越高，發(fā)展高性能混凝土，具有迫切的現(xiàn)實意義。高性能混凝土的實驗室制備技術(shù)已經(jīng)取得理論和實踐的重大突破。然而，在工程實踐中大規(guī)模推廣使用后發(fā)現(xiàn)，裂縫尤其是早期收縮裂縫問題相比傳統(tǒng)混凝土反而更加突出。美國混凝土協(xié)會通過對20世紀(jì)建造的一系列工程大量的的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示：30年代后由于提高了水泥和混凝土的強(qiáng)度，導(dǎo)致了相應(yīng)的混凝土結(jié)構(gòu)物破壞現(xiàn)象加劇；即使施工水平很高，混凝土在未成熟時就發(fā)生了早期破壞；暴露在惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)物開裂與破壞失效之間關(guān)系非常密切[1]。實驗室精心制作的小試件由于沒有開裂而顯示出較傳統(tǒng)混凝土無法比擬的抗?jié)B透性。但是，當(dāng)從試驗室走向大規(guī)模的工程應(yīng)用時，由于缺乏科學(xué)有效的養(yǎng)護(hù)措施，高性能混凝土的體積穩(wěn)定性問題逐漸暴露出來，嚴(yán)重阻礙了高性能混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為此，本文從變形特性的角度探討了高性能混凝土早期開裂加劇的影響因素，并提出可能的抑制措施。

1 高性能混凝土的收縮開裂特征

眾所周知，混凝土體積收縮受約束時會產(chǎn)生拉應(yīng)力，而一旦拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，將使混凝土開裂，進(jìn)而加快其劣化進(jìn)程，降低混凝土的耐久性。高性能混凝土的體積收縮由化學(xué)收縮、澆注初期的塑性收縮、干燥收縮、發(fā)生于混凝土內(nèi)部的自干燥收縮和溫度收縮等組成，它們彼此獨立地發(fā)生或者同時出現(xiàn)，它與普通混凝土的變形特性主要區(qū)別如下：

1.1 化學(xué)收縮

水泥水化后，固相體積增加，但水泥——水體系的絕對體積則減小。有研究表明，100g水泥與33mL水拌成的水泥漿體，其硬化后的體積收縮總量為7%～9%[2,3]。雖然高性能混凝土中膠凝材料總量比普通混凝土的多，但其水膠比小，水化程度受到制約，所以高性能混凝土的化學(xué)收縮量會比普通混凝土的減小。

1.2 塑性收縮

混凝土澆筑成型后初凝前，由于重力作用，粗細(xì)骨料及膠凝材料顆粒比重大，產(chǎn)生沉降；水分比重小，上浮至混凝土表面，產(chǎn)生泌水。水浮至混凝土表面產(chǎn)生上分層；水泥漿體沉至粗骨料下方，產(chǎn)生內(nèi)分層?；炷撩谒a(chǎn)生塑性收縮，是一種不可逆的變形。高性能混凝土的水膠比低，自由水分少，成型后基本不泌水，表面水分蒸發(fā)快，所以高性能混凝土比普通混凝土更容易產(chǎn)生塑性收縮。

1.3 干燥收縮

混凝土的干燥收縮，主要是由于毛細(xì)管壓力造成的?；炷恋拿?xì)管孔隙在混凝土干燥過程中逐漸失水，毛細(xì)管也逐漸變形，產(chǎn)生很大的毛細(xì)管張力，使混凝土產(chǎn)生體積收縮。如果混凝土中用水量增加，水灰比增大，則毛細(xì)管孔隙增多，混凝土體積干燥收縮增大。高性能混凝土的水灰比小，孔隙率低，所以它的干燥收縮率比普通混凝土小。

1.4 自干燥收縮

密封的混凝土內(nèi)部相對濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細(xì)管中的水分不飽和而產(chǎn)生負(fù)壓，因而引起混凝土的自干燥收縮。在普通混凝土中這部分收縮較小，比干燥收縮小得多，但是，對高性能混凝土則不同，由于它的水膠比很低，早期強(qiáng)度較高地發(fā)展會使內(nèi)部自由水消耗較快，以至于使毛細(xì)孔體系中的相對濕度低于 80%。而高性能混凝土結(jié)構(gòu)較密實，外界水分很難滲入補(bǔ)充，在這種條件下開始產(chǎn)生自干燥收縮。高性能混凝土的總收縮中干燥收縮和自干燥收縮幾乎相等，水膠比越低，摻合料越細(xì)，混凝土硬化后內(nèi)部毛細(xì)孔的孔徑也越小，自干燥收縮所占比例越大。且其自干燥收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的前幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若混凝土變形受到約束，則進(jìn)一步產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。

1.5 濕脹開裂

所謂“濕脹”開裂是由于高性能混凝土的水膠低，混凝土中部分水泥沒有得到水化。高性能混凝土硬化后在水分長期的作用下，水分?jǐn)U散到混凝土內(nèi)部，未水化的水泥發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生體積膨脹，其膨脹應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土即產(chǎn)生開裂[4]。

根據(jù)Powers的理論，水泥凝膠體積是未水化水泥的2.1倍。水分子進(jìn)入低水膠比的水泥漿中，將繼續(xù)水化，其凝膠產(chǎn)物的體積也是未水化水泥的2.1倍。但這時沒有可供凝膠生長所必須的空間，內(nèi)部膨脹力增大，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂紋。因此，高性能混凝土處于露天或水下的條件下，水的緩慢擴(kuò)散過程可能導(dǎo)致后期繼續(xù)水化，隨后產(chǎn)生裂縫和強(qiáng)度下降。但是在干燥環(huán)境下上述過程是不可能發(fā)生的[5]。

1.6 溫度收縮

明顯的溫度收縮往往由水化熱引起，一般發(fā)生在水化熱溫度上升結(jié)束、溫度開始下降的時候，多在混凝土澆筑后一周內(nèi)的齡期發(fā)生。在絕熱狀態(tài)下，每 100g水泥水化可使混凝土升溫10℃～12℃。高性能混凝土的水泥用量較大，一般溫升可達(dá)35℃～40℃，加上初始溫度可使最高溫度達(dá)到70℃～80℃。一般混凝土的熱膨脹系數(shù)為10×10-6/℃，當(dāng)溫度下降20℃～25℃時造成的收縮量為(2～2.5)×10-4。高性能混凝土的溫度收縮比普通混凝土大，而混凝土的極限抗拉值只有(1～1.5)×10-4，因此溫度收縮易引起高性能混凝土開裂。

1.7 徐變

徐變是在持續(xù)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的變形將隨時間不斷增加的過程。徐變是混凝土粘性的一個表征，徐變能降低溫度應(yīng)力，減少收縮裂縫，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)和因基礎(chǔ)不均勻沉陷引起局部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中，徐變能消減這類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值，減輕混凝土的收縮開裂風(fēng)險[6]。由于高性能混凝土中膠凝材料用量較多、水膠比較低，硬化漿體的早期強(qiáng)度和彈性模量發(fā)展迅速，所以高性能混凝土的徐變較普通混凝土顯著減小。一般說來，混凝土的強(qiáng)度越高，徐變度越小，因此，越是高強(qiáng)混凝土越容易開裂。在早期，混凝土的強(qiáng)度較小，徐變度較大，應(yīng)力松弛的作用也較大，高早強(qiáng)比低早強(qiáng)混凝土的徐變度小，這也是高性能(高強(qiáng))混凝土早期開裂風(fēng)險較大的原因之一。

2 高性能混凝土的收縮開裂抑制措施

高性能混凝土的早期收縮開裂已成為困擾當(dāng)代水泥混凝土工程界的重大難題，相關(guān)的研究成為當(dāng)今國際砼材料研究領(lǐng)域的焦點。以下從材料控制的角度探討一下高性能混凝土的收縮開裂的抑制措施。

2.1 表面增強(qiáng)

水分蒸發(fā)是高性能混凝土早期開裂的主要因素之一。塑性階段的水分蒸發(fā)以平面水蒸發(fā)為主，養(yǎng)護(hù)劑不能在塑性混凝土表面成膜，這時應(yīng)先考慮用能在混凝土表層實現(xiàn)單分子膜自組裝的減蒸劑。當(dāng)混凝土處于硬化階段時，再噴灑養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可以明顯增加混凝土的表面強(qiáng)度，降低開裂風(fēng)險。

2.2 化學(xué)減縮

化學(xué)減縮劑通常都是由兩親性分子組成，這些分子聚集在溶液與空氣的界面處，可以明顯降低溶液的表面張力，減小毛細(xì)孔中的壓力，從而起到減少水泥基材料干燥收縮和自干燥收縮的作用。在高性能混凝土中摻入化學(xué)減縮劑，可以減少高性能混凝土的收縮，降低開裂風(fēng)險。

2.3 補(bǔ)償收縮

膨脹劑是一種經(jīng)水化反應(yīng)能產(chǎn)生體積膨脹的外加劑。利用膨脹劑在水化過程中產(chǎn)生的適量膨脹來抵抗混凝土收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，推遲極限拉伸變形出現(xiàn)的時間，為混凝土抗拉強(qiáng)度的進(jìn)一步增長贏得時間，可有效降低高性能混凝土的開裂風(fēng)險。

2.4 自養(yǎng)護(hù)

混凝土自養(yǎng)護(hù)是指在混凝土中引入一種組分作為養(yǎng)護(hù)劑，它均勻地分散在混凝土中起到內(nèi)部蓄水池的作用。當(dāng)混凝土水化過程中出現(xiàn)水分不足時，養(yǎng)護(hù)劑中的水分便補(bǔ)給水化所需水分，支持混凝土水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。高性能混凝土由于水膠比低，水泥水化過程中易產(chǎn)生內(nèi)部自干燥現(xiàn)象，這時在高性能混凝土中摻入自養(yǎng)護(hù)材料，通過自養(yǎng)護(hù)材料在混凝土內(nèi)部的緩慢釋水，改善高性能混凝土內(nèi)的相對濕度，減小高性能混凝土內(nèi)部自干燥收縮的發(fā)展。

2.5 纖維阻裂

纖維具有顯著的增韌作用，在高性能混凝土中摻入纖維可以增加混凝土材料的韌性，改善材料的脆性與應(yīng)變能力，提高材料的抗拉強(qiáng)度，從而能夠減少材料的收縮開裂風(fēng)險，阻止裂縫的發(fā)展，減少裂縫寬度和裂紋面積，整體提高混凝土的體積穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

高性能混凝土因采用低水灰比、高標(biāo)號水泥、高水泥用量和高效減水劑等措施雖然使混凝土達(dá)到了高強(qiáng)化，但也帶來了混凝土的高彈模化和低徐變性，增加了混凝土的脆性。水膠比越低，高性能混凝土的自干燥收縮所占比例越大，并且主要發(fā)生在早期；溫度收縮大，溫度收縮出現(xiàn)的時間提早。正是早期高的自干燥收縮和溫度收縮的疊加，加上混凝土自身的高彈?；偷托熳冃?，收縮應(yīng)力難以得到有效釋放，大大加劇了高性能混凝土早期開裂風(fēng)險。通過摻入減蒸劑、養(yǎng)護(hù)劑、減縮劑、膨脹劑和纖維可以提高混凝土自身的體積穩(wěn)定性和抗裂能力，降低開裂風(fēng)險。

[1] Richard W. Burrows, The visible and invisible cracking of concrete. ACI Monograph, 1998, No. 11, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan.

[2] 覃維祖. 高強(qiáng)和高性能混凝土的收縮及其補(bǔ)償. In: 高強(qiáng)與高性能混凝土及其應(yīng)用論文集, 1998.

[3] 吳中偉, 廉惠珍. 高性能混凝土[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1999.

[4] 馮乃謙. 高性能混凝土的耐久性與超高耐久性混凝土的開發(fā)應(yīng)用[J]. 混凝土, 1998, 112(2): 7-9.

[5] O. M. Jensen，P. F. Hansen. Water-Entrained Cement-Based Materials.Ⅱ.Experimental Observation [J]. Cement and Concrete Research，2002，32：973-978.

[6] Mehta P K著, 祝永年等譯. 混凝土的結(jié)構(gòu)、性能與材料[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 1991.

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