关于混凝土抗裂材料的选择

马殿广　丁　发

随着我国钢筋混凝土结构的长大化和复杂化，以及商品混凝土的大量推广和混凝土强度等级的提高，结构裂缝的出现机率大大增加。对混凝土材料的选择和配合比，除达到设计的强度、抗渗等级外，还应具有抵抗裂缝的功能。

钢筋混凝土结构的裂缝控制是个系统的工程，笔者仅从材料角度，分析如何科学的选择混凝土抗裂材料，有效的控制混凝土裂缝。

1.混凝土的收缩裂缝成因

关于影响混凝土收缩因素和产生收缩裂缝的机理，国内外学者已发表不少论文。从混凝土开始浇筑至使用期，收缩过程大致如下;

(1) 塑性收缩期。

(2) 自生收缩期。

(3) 水化热温差收缩期。

(4) 干缩收缩期。

(5) 环境温度收缩期。

了解混凝土硬化过程中各种收缩成因，有助于我们采取相应的抗裂对策。

2.混凝土基本抗裂措施

根据国内外施工经验，减少混凝土收缩裂缝的措施有：

（1） 混凝土的设计强度等级尽量低些。

（2） 基础混凝土设计强度等级采用60d强度等级

（3） 水泥采用水化热较低的品种，水泥中C3A<8%。

（4） 混凝土中掺入细磨掺合料、降低水泥用量。

（5） 选用含泥量小，级配较好的砂子和石子。

（6） 选用收缩比较小的减水剂，降低水胶比。

（7） 采用细而密的配筋和分块的设计原则，每30～40m设一道后浇带。

（8） 混凝土终凝前，要多次抹压，消除表面塑性裂缝。

（9） 混凝土硬化后，及时进行保温、保湿养护、养护期为14d。

(10)混凝土结构验收后，要及时采取保温措施，减少环境温度对结构变形的影响。

3.混凝土的附加抗裂材料

上述措施，无疑可减少结构的有害裂缝。但在实际工程中，有些条件难以，满足。因此，往往要求在普通混凝土基础上添加膨胀剂、纤维、减缩剂等附加抗裂材料。

根据已公开成果，首先了解各种混凝土抗裂材料的特性和用途，以及其技术经济效果，才能正确使用。

（1） 纤维

常用于混凝土结构的纤维主要有碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维，它们的抗裂性能见表1。由此可见，纤维的抗拉强度变比素混凝土高100—1000倍，而极限延伸率比素混凝土高100倍左右。碳纤维和钢纤维的弹性模量比素混凝土低10倍。这三项综合性能，部表明纤维具有非常好的抗裂性能。

由于纤维的直径很细，例如杜拉纤维是一种以100%的高强聚丙烯束状单丝纤维，每立米混凝土仅需掺入0.7---1kg聚丙烯纤维，纤维丝数量可达2000多万条，即每立方厘米混凝土中有20多根纤维，碳纤维比聚丙烯纤维直径小三倍，每立方米混凝土需掺入60—120kg钢纤维，钢纤维数量多达100—150万条。

在混凝土中掺入上述数量巨大的单丝纤维，形成乱向分布的重重网状撑拖系统，承托骨料，从而有效减少骨料的离析，减少混凝土泌水和离析。当胶凝材料基体收缩时，由于纤维这些微细配筋的作用，有效地消耗了收缩拉应力的能量，对克服混凝土凝结期间的塑性裂缝十分有利。混凝土硬化过程中产生水化热温差收缩和干燥收缩裂缝出现难免，但它要扩展必然受到乱向分布的纤维的重重阻挡，阻止扩散为大的可见裂纹。这是纤维提高混凝土抗裂性的基本原理。同时，加入纤维后，混凝土的性能得到很大改善。由此可见，纤维在混凝土中起到的主要作用是，阻止基体中原有裂缝的扩展并延缓新裂缝的出现；提高混凝土的变形能力并从而改善其韧性与抗冲击性能。

①碳纤维

在各种纤维中，碳纤维的抗拉强度最高，其弹性模量也很高，主要应用于航天航空工业的特殊复合材料。由于它的造价昂贵，难以在混凝土工程应用。目前，国内外碳纤维片材主要应用于混凝土结构补强加固。

②钢纤维

钢纤维的抗拉强度高，弹性模量高于混凝土，所以，它是混凝土的优良抗裂材料，它的掺量为60—100kg/m3，增加造价约100—120元/m3，难以在混凝土工程中大量应用。目前，它主要应用于高层建筑转梁层大梁，高强混凝土框架节点，桩头和桩帽，防水屋面和铺装道路及桥梁铺装层等。

③聚丙烯纤维

它掺入混凝土中对减少塑性裂缝和防止裂缝扩展是有好处的。但是，由于它的弹性模量比混凝土低10倍，因此，它对已硬化混凝土的变形裂缝只能起分散和阻抗作用，对提高混凝土结构的抗裂性贡献很小。另外，它的造价高，聚丙烯纤维掺入混凝土中约0.7—1.0kg/m3，增加造价约50—80元/m3，所以，它应用于大体积混凝土则大大提高工程造价。目前，它主要用于铺装路面、桥面、屋面、地面、内外墙、衬砌薄壁和结构转换层等。

（2）减缩剂

混凝土减缩剂是由聚醚或聚醇类有机物或它们的衍生物组成。它可降低孔隙水的表面能力，从而减少失水时产生的毛细收缩压力，降低混凝土的干缩率。减缩剂能起到减少混凝土塑性裂缝和干缩裂缝的作用，尤其适用于难以养护的混凝土结构。它的价格较高，每立方混凝土成本约增加50—60元/m3。另外，它的实际防裂效果尚需作出全面评估，故至今尚未较多推广应用。

（3）膨胀剂

混凝土膨胀剂是从膨胀水泥发展而来。分硫铝酸钙类和氧化镁类膨胀剂。国内外绝大多数生产硫铝酸钙类膨胀剂。

4.抗裂材料的复合应用

上述混凝土抗渗材料各有优缺点，还要考虑混凝土的造价，应根据工程结构的耐久性设计要求，选择合适的抗裂材料. 作为提高混凝土抗裂性能的材料，根据其性能的可靠性，施工难易性和单方增加成本来看，膨胀剂较好，聚丙烯纤维次之。近年来，设计界根据抗裂材料的特性，取长补短，成功的进行了复合应用。

结语

混凝土结构的耐久性与抗裂控制有密切关系，裂缝控制是系统工程，在结构设计中应采取“防”、“放”、“抗”的综合措施。由于混凝土是一种脆性材料，在硬化过程中容易产生收缩裂缝。因此，如何提高混凝土的抗裂性能是工程界十分关注的难题。国内外研究表明，掺钢纤维和聚丙烯纤维的混凝土，以及掺膨胀剂的补偿收缩混凝土都可提高结构的抗裂性能。这些抗裂材料各有优缺点，材料价格不同。因此要根据混凝土结构的耐久性要求和使用环境 ，科学合理的选择混凝土的抗裂材料，并采取相应的应用技术才能达到预期的技术经济效果。◆