高性能混凝土的早期裂缝防治

2011-08-15唐健慧

山西建筑 2011年18期

唐健慧

1 概述

高性能混凝土以耐久性为首要设计指标，可以为基础设施工程提供 100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性。但是实际工程表明，即使是肉眼不可见的微裂缝，对高性能混凝土结构耐久性的负面影响依然是显著的。

2 混凝土裂缝的类型

2.1 混凝土工程结构裂缝

混凝土的结构裂缝宽度一般以0.05mm为界，不小于0.05mm的裂缝称为“宏观裂缝”，小于 0.05mm的称为“微观裂缝”，混凝土宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般认为，混凝土的结构裂缝主要以三种形式存在:粘着裂缝、水泥石裂缝、集料裂缝。集料裂缝出现较少，多数是粘着裂缝和水泥石裂缝。

2.2 混凝土温度裂缝

温度裂缝表现为内部裂缝和表面裂缝，宽度可达1mm～4mm，严重时上下贯穿;它与混凝土及其各组分的热膨胀系数、内部最高温度和降温速度等因素有关。降低温升，提高混凝土抗拉强度，使用热膨胀系数低的集料是防止温度应力的措施。

2.3 混凝土收缩裂缝

实际工程中，混凝土由于受到基础、钢筋或其他相邻部分的牵制而处于不同程度的约束状态，因此，混凝土的收缩在混凝土中产生拉应力，当这种拉应力超过混凝土的抗拉强度以后，混凝土即产生裂缝。并且，混凝土内集料的存在，也会约束水泥基相的收缩，从而引起混凝土的水泥石内产生裂缝。收缩主要包括塑性收缩、化学减缩、碳化收缩、干燥收缩及自收缩等[1]。

3 影响高性能混凝土产生裂缝的主要因素

混凝土浇筑后温度变化和其他因素使混凝土产生变形，对这些变形的约束使混凝土产生早期裂缝。影响混凝土早期温度开裂的因素有以下几点:

1)水泥品种。不同品种的水泥对抗裂性能的影响。首先是温度发展的影响。其次，不同水泥有不同的变形特性，这也会影响抗裂性能。为了使混凝土具有较低的开裂敏感性，所用水泥在理论上应该满足如下条件:在最初 12 h内弹性模量发展较快，以获得相对较大的预压应力;同时此阶段内水化放热应十分小。

2)粉煤灰等矿物掺合料。粉煤灰的微集料填充效应、火山灰效应、滚珠效应，大大改善混凝土的工作性、抗裂抗渗性能及耐久性。高性能混凝土一般采用低水胶比、掺外加剂以及矿物掺合料，为防止混凝土收缩开裂，有时掺加膨胀剂，达到补偿收缩的效果。在一定掺量范围(2%～40%)内，随粉煤灰掺量增加，高性能混凝土塑性裂缝总面积呈减小趋势，裂缝出现的初始时间有所推迟;但当粉煤灰掺量较高(为60%)时，高性能塑性裂缝总面积又有增大趋势，裂缝出现的初始时间缩短。掺量对裂缝最大宽度的影响与对裂缝总面积的影响趋势是相同的，它们之间具有较好的相关性。混凝土水分蒸发速率随粉煤灰掺量增大而升高。可见，在一定掺量范围内粉煤灰具有抑制高性能混凝土塑性开裂的作用，该范围为20%～40%。

3)骨料。采用低热膨胀系数的骨料可以减小混凝土的温度变形，减小混凝土收缩时的约束应力，从而获得较低的开裂敏感性。另外，碎骨料对于混凝土的抗拉强度是有益的，因为粗糙的表面可以产生较大的粘着力，提高抗拉强度。大粒径骨料可减少水泥用量，降低水泥水化热，从而减小混凝土温升，同时对提高混凝土拌合物的工作性也十分有利，然而较大粒径的骨料在一定程度上也会降低混凝土的抗拉强度。

4)外加剂。高效减水剂用于减少混凝土用水量而提高强度或节约水泥时，混凝土收缩值小于不掺减水剂的空白混凝土试样;用于增加坍落度而改善和易性时，收缩值略高于或等于不掺减水剂的空白混凝土试样，但不超过技术标准规定的限值 1× 10-4。

5)浇筑温度。在诸多影响因素中，混凝土浇筑温度十分重要。浇筑温度高的构件，混凝土温升也快，因为较高的浇筑温度加速了水泥的水化放热，致使温升加快。如果环境最低温度低于第二零应力温度，那么混凝土在降温至环境温度过程中所产生的温降收缩变形要比低浇筑温度的混凝土大得多。值得注意的是，在较高温度状态下硬化的混凝土，其抗拉强度会比较低，这是因为形成的水化产物(CSH)强度较低，这些都会导致较高的浇筑温度对应较高的开裂温度。

4 高性能混凝土早期收缩裂缝防治措施

由混凝土塑性收缩裂缝产生的机理，可知预防或减少塑性裂缝的基本出发点在于:1)降低混凝土表面毛细管水的蒸发速率; 2)减小混凝土早期水化收缩和自收缩;3)增大混凝土的早期抗裂强度。

4.1 优化配合比

通过各项基础材料的择优选取，从源头上减少裂缝的出现，水泥材料选取时，应结合高性能混凝土特性，宜选用较少用量达到较高强度的 42.5或 52.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不宜采用早强型水泥及立窑水泥。选取骨料时，骨料的含泥量影响着混凝土的收缩，所以严格控制粗细骨料含泥量小于 1%，细骨料含泥量小于 2%。细骨料宜选用石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净，具有平滑筛分线的中粗砂;粗骨料的形状、表面以及其中的针片状骨料影响着混凝土的流动性，对强度影响很大，所选用的针片状骨料含量宜小于 10%。选取矿物掺合料要考虑材料中有害组成物质的含量以及材料强度活性，矿物掺合料是高性能混凝土不可缺少的组分。针对水胶比参数，在保证混凝土的密实度，及满足施工和易性的前提下，应尽量降低水胶比。关于水泥用量在满足规范范围内应尽量少，用干缩率小的细掺料(粉煤灰、磨细矿渣等)部分替代，以减少水化热、收缩等负面效应。

4.2 改善施工工艺

1)根据施工配合比把各材料投入搅拌机中，计量要准确，尤其是抗拉材料用量和用水量，为使掺膨胀剂混凝土拌和均匀，其拌制时间要比普通混凝土延长 30 s。

2)高性能混凝土对用水量很敏感，施工前必须标定或校核量水系统，并扣除集料将带入的游离水。应杜绝商品混凝土中途或现场掺水事件的发生。

3)混凝土振捣要密实，不漏振，也不过振。各部位混凝土振捣时间和次数必须均匀，尤其是配筋密集的施工部位，不能对有的部位进行长时间的振捣，而有的部位漏振，否则混凝土的均匀度、密实度差，易导致开裂，影响混凝土的抗渗性能。

4)浇筑好的混凝土在终凝前，要多次抹压，防止沉缩裂缝出现。

4.3 混凝土养护

1)早期供水养护要及时、充分。混凝土开始凝固时，表面尚未形成毛细管弯液面，故此时对表面进行湿养护。初凝后混凝土体系逐步失去塑性，水泥石的进一步水化使水分消耗引起绝对体积的减少，形成孔隙。如果没有及时供水养护，随着水分的蒸发，以及混凝土的进一步水化，在表面形成毛细孔弯液面，其对于孔壁产生拉力，使混凝土表面处于受拉状态。由于此时混凝土的抗拉强度非常低，极易产生表面裂缝和管壁裂缝。当毛细管壁的阻力超过水的表面张力，使毛细管水间断，此时水分不能从表面向内部迁移，这种水分的供给作用消失，故后期即使表面进行养护，所起到的养护作用已不显著。由此可见，早期供水养护可及时地抑制混凝土的早期自收缩。

2)早期保温养护要及时、充分。这主要由于早期混凝土内部升温很高，拆模后表面温度突然降低，在表面部分形成了很陡的温度梯度，而此时混凝土的极限拉伸率小，低温季节或温度较低时，如果养护不采取适当的保温措施，容易产生冷缩裂缝。

4.4 掺入聚丙烯纤维

掺入聚丙烯纤维混凝土可明显改善混凝土抗拉、抗剪、抗弯、抗冲击等性能，尤其是抗裂性能。低弹模的聚丙烯纤维相对于塑性混凝土来说可以认为是一种高弹模材料，依靠其与混凝土之间的界面吸附粘结力、机械齿合力等，增加了材料抵抗塑性开裂的抗拉强度，混凝土初裂时间延迟，甚至不出现开裂，即使出现开裂，裂缝扩展速度得以延缓;掺入聚丙烯纤维的混凝土表面布上了纵横交错的纤维材料，使得水分迁移较为困难，混凝土水分蒸发速率有减小趋势，使毛细管失水收缩有所减小。