浅谈高性能混凝土的收缩开裂特征

王小东

(南通紫琅混凝土有限公司， 南通 226003)

浅谈高性能混凝土的收缩开裂特征

王小东

(南通紫琅混凝土有限公司， 南通 226003)

本文对比分析了低水胶比高性能混凝土与普通混凝土的变形特性差异性，探讨了高性能混凝土早期开裂加剧的影响因素，并从材料控制的角度提出可能的抑制措施，为高性能混凝土在实际工程中的裂缝控制提供参考。

高性能混凝土；收缩；开裂特征；抑制措施

0 前言

高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，引起了世界各国材料科学与工程界的密切关注和高度重视，其中高耐久与长寿命的研究已成为全世界所密切关注和全力攻关的重大科学技术问题。随着建筑物的使用环境日趋复杂和苛刻，对其耐久性和使用寿命的要求也越来越高，发展高性能混凝土，具有迫切的现实意义。高性能混凝土的实验室制备技术已经取得理论和实践的重大突破。然而，在工程实践中大规模推广使用后发现，裂缝尤其是早期收缩裂缝问题相比传统混凝土反而更加突出。美国混凝土协会通过对20世纪建造的一系列工程大量的的现场调查结果显示：30年代后由于提高了水泥和混凝土的强度，导致了相应的混凝土结构物破坏现象加剧；即使施工水平很高，混凝土在未成熟时就发生了早期破坏；暴露在恶劣环境下的混凝土结构物开裂与破坏失效之间关系非常密切[1]。实验室精心制作的小试件由于没有开裂而显示出较传统混凝土无法比拟的抗渗透性。但是，当从试验室走向大规模的工程应用时，由于缺乏科学有效的养护措施，高性能混凝土的体积稳定性问题逐渐暴露出来，严重阻碍了高性能混凝土的进一步推广应用。为此，本文从变形特性的角度探讨了高性能混凝土早期开裂加剧的影响因素，并提出可能的抑制措施。

1 高性能混凝土的收缩开裂特征

众所周知，混凝土体积收缩受约束时会产生拉应力，而一旦拉应力超过混凝土的抗拉强度，将使混凝土开裂，进而加快其劣化进程，降低混凝土的耐久性。高性能混凝土的体积收缩由化学收缩、浇注初期的塑性收缩、干燥收缩、发生于混凝土内部的自干燥收缩和温度收缩等组成，它们彼此独立地发生或者同时出现，它与普通混凝土的变形特性主要区别如下：

1.1 化学收缩

水泥水化后，固相体积增加，但水泥——水体系的绝对体积则减小。有研究表明，100g水泥与33mL水拌成的水泥浆体，其硬化后的体积收缩总量为7%～9%[2,3]。虽然高性能混凝土中胶凝材料总量比普通混凝土的多，但其水胶比小，水化程度受到制约，所以高性能混凝土的化学收缩量会比普通混凝土的减小。

1.2 塑性收缩

混凝土浇筑成型后初凝前，由于重力作用，粗细骨料及胶凝材料颗粒比重大，产生沉降；水分比重小，上浮至混凝土表面，产生泌水。水浮至混凝土表面产生上分层；水泥浆体沉至粗骨料下方，产生内分层。混凝土泌水产生塑性收缩，是一种不可逆的变形。高性能混凝土的水胶比低，自由水分少，成型后基本不泌水，表面水分蒸发快，所以高性能混凝土比普通混凝土更容易产生塑性收缩。

1.3 干燥收缩

混凝土的干燥收缩，主要是由于毛细管压力造成的。混凝土的毛细管孔隙在混凝土干燥过程中逐渐失水，毛细管也逐渐变形，产生很大的毛细管张力，使混凝土产生体积收缩。如果混凝土中用水量增加，水灰比增大，则毛细管孔隙增多，混凝土体积干燥收缩增大。高性能混凝土的水灰比小，孔隙率低，所以它的干燥收缩率比普通混凝土小。

1.4 自干燥收缩

密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细管中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自干燥收缩。在普通混凝土中这部分收缩较小，比干燥收缩小得多，但是，对高性能混凝土则不同，由于它的水胶比很低，早期强度较高地发展会使内部自由水消耗较快，以至于使毛细孔体系中的相对湿度低于 80%。而高性能混凝土结构较密实，外界水分很难渗入补充，在这种条件下开始产生自干燥收缩。高性能混凝土的总收缩中干燥收缩和自干燥收缩几乎相等，水胶比越低，掺合料越细，混凝土硬化后内部毛细孔的孔径也越小，自干燥收缩所占比例越大。且其自干燥收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的前几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部微裂缝，若混凝土变形受到约束，则进一步产生结构裂缝。

1.5 湿胀开裂

所谓“湿胀”开裂是由于高性能混凝土的水胶低，混凝土中部分水泥没有得到水化。高性能混凝土硬化后在水分长期的作用下，水分扩散到混凝土内部，未水化的水泥发生水化反应，产生体积膨胀，其膨胀应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土即产生开裂[4]。

根据Powers的理论，水泥凝胶体积是未水化水泥的2.1倍。水分子进入低水胶比的水泥浆中，将继续水化，其凝胶产物的体积也是未水化水泥的2.1倍。但这时没有可供凝胶生长所必须的空间，内部膨胀力增大，导致混凝土产生裂纹。因此，高性能混凝土处于露天或水下的条件下，水的缓慢扩散过程可能导致后期继续水化，随后产生裂缝和强度下降。但是在干燥环境下上述过程是不可能发生的[5]。

1.6 温度收缩

明显的温度收缩往往由水化热引起，一般发生在水化热温度上升结束、温度开始下降的时候，多在混凝土浇筑后一周内的龄期发生。在绝热状态下，每 100g水泥水化可使混凝土升温10℃～12℃。高性能混凝土的水泥用量较大，一般温升可达35℃～40℃，加上初始温度可使最高温度达到70℃～80℃。一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃，当温度下降20℃～25℃时造成的收缩量为(2～2.5)×10-4。高性能混凝土的温度收缩比普通混凝土大，而混凝土的极限抗拉值只有(1～1.5)×10-4，因此温度收缩易引起高性能混凝土开裂。

1.7 徐变

徐变是在持续荷载作用下，混凝土结构的变形将随时间不断增加的过程。徐变是混凝土粘性的一个表征，徐变能降低温度应力，减少收缩裂缝，在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，徐变能消减这类结构的应力峰值，减轻混凝土的收缩开裂风险[6]。由于高性能混凝土中胶凝材料用量较多、水胶比较低，硬化浆体的早期强度和弹性模量发展迅速，所以高性能混凝土的徐变较普通混凝土显著减小。一般说来，混凝土的强度越高，徐变度越小，因此，越是高强混凝土越容易开裂。在早期，混凝土的强度较小，徐变度较大，应力松弛的作用也较大，高早强比低早强混凝土的徐变度小，这也是高性能(高强)混凝土早期开裂风险较大的原因之一。

2 高性能混凝土的收缩开裂抑制措施

高性能混凝土的早期收缩开裂已成为困扰当代水泥混凝土工程界的重大难题，相关的研究成为当今国际砼材料研究领域的焦点。以下从材料控制的角度探讨一下高性能混凝土的收缩开裂的抑制措施。

2.1 表面增强

水分蒸发是高性能混凝土早期开裂的主要因素之一。塑性阶段的水分蒸发以平面水蒸发为主，养护剂不能在塑性混凝土表面成膜，这时应先考虑用能在混凝土表层实现单分子膜自组装的减蒸剂。当混凝土处于硬化阶段时，再喷洒养护剂进行养护，可以明显增加混凝土的表面强度，降低开裂风险。

2.2 化学减缩

化学减缩剂通常都是由两亲性分子组成，这些分子聚集在溶液与空气的界面处，可以明显降低溶液的表面张力，减小毛细孔中的压力，从而起到减少水泥基材料干燥收缩和自干燥收缩的作用。在高性能混凝土中掺入化学减缩剂，可以减少高性能混凝土的收缩，降低开裂风险。

2.3 补偿收缩

膨胀剂是一种经水化反应能产生体积膨胀的外加剂。利用膨胀剂在水化过程中产生的适量膨胀来抵抗混凝土收缩所产生的拉应力，推迟极限拉伸变形出现的时间，为混凝土抗拉强度的进一步增长赢得时间，可有效降低高性能混凝土的开裂风险。

2.4 自养护

混凝土自养护是指在混凝土中引入一种组分作为养护剂，它均匀地分散在混凝土中起到内部蓄水池的作用。当混凝土水化过程中出现水分不足时，养护剂中的水分便补给水化所需水分，支持混凝土水化反应继续进行。高性能混凝土由于水胶比低，水泥水化过程中易产生内部自干燥现象，这时在高性能混凝土中掺入自养护材料，通过自养护材料在混凝土内部的缓慢释水，改善高性能混凝土内的相对湿度，减小高性能混凝土内部自干燥收缩的发展。

2.5 纤维阻裂

纤维具有显著的增韧作用，在高性能混凝土中掺入纤维可以增加混凝土材料的韧性，改善材料的脆性与应变能力，提高材料的抗拉强度，从而能够减少材料的收缩开裂风险，阻止裂缝的发展，减少裂缝宽度和裂纹面积，整体提高混凝土的体积稳定性。

3 结语

高性能混凝土因采用低水灰比、高标号水泥、高水泥用量和高效减水剂等措施虽然使混凝土达到了高强化，但也带来了混凝土的高弹模化和低徐变性，增加了混凝土的脆性。水胶比越低，高性能混凝土的自干燥收缩所占比例越大，并且主要发生在早期；温度收缩大，温度收缩出现的时间提早。正是早期高的自干燥收缩和温度收缩的叠加，加上混凝土自身的高弹模化和低徐变性，收缩应力难以得到有效释放，大大加剧了高性能混凝土早期开裂风险。通过掺入减蒸剂、养护剂、减缩剂、膨胀剂和纤维可以提高混凝土自身的体积稳定性和抗裂能力，降低开裂风险。

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

[2] 覃维祖. 高强和高性能混凝土的收缩及其补偿. In: 高强与高性能混凝土及其应用论文集, 1998.

[3] 吴中伟, 廉惠珍. 高性能混凝土[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1999.

[4] 冯乃谦. 高性能混凝土的耐久性与超高耐久性混凝土的开发应用[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, 祝永年等译. 混凝土的结构、性能与材料[M]. 上海: 同济大学出版社, 1991.

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1007-6344（2017）10-0290-02