现代混凝土早期收缩裂缝及控制技术

2018-09-21缪昌文

徐州工程学院学报(自然科学版) 2018年3期

缪昌文

(1.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189； 2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 211100)

混凝土是当今世界用量最大、用途最广的建筑材料，是水利、核电、高铁、桥梁、地铁、隧道等重大工程建设不可或缺的基础材料.现代混凝土具有普遍采用化学外加剂和工业废渣的特征，降低了资源及环境消耗，提高了材料耐久性，并满足了现代土木工程设计和施工的性能要求.然而，组成日趋复杂、流动度加大、早期强度发展加快的材料特性，导致收缩加大；长跨径、大体积、强约束的现代结构，以及高温、干燥等严酷施工环境导致收缩开裂问题突出，严重影响构筑物的耐久性.

经历了经济高速增长和大规模快速兴建过程的发达国家，在相关问题上总结了经验教训[1-2].总体而言，由收缩变形引起的混凝土裂缝达80%以上[3].现代混凝土自收缩、温度变形和大部分的干燥收缩发生在“早期”(普通混凝土为28 d，大体积混凝土为90 d)，导致早期开裂问题突出.混凝土一旦开裂，抵抗渗透能力将大幅降低，引起渗漏等问题，严重影响构筑物服役功能.如近期对某轨道交通全线车站调研发现，由混凝土裂缝引起的渗漏占总渗漏的85%以上.裂缝加速有害介质传输速率，加剧材料自身性能劣化和钢筋锈蚀，尤其在高温、高盐等严酷腐蚀环境下，大大缩短服役寿命.

混凝土裂缝控制是一项系统工程，涉及到混凝土材料、外界环境条件、所处的约束条件等诸多因素，涉及设计、材料、施工等诸多环节,故而围绕工程需求，就混凝土裂缝产生原因、抗裂性评估方法及收缩裂缝控制技术的新进展进行重点介绍.

1 现代混凝收缩开裂主要原因

就混凝土材料本身而言，其收缩主要有以下几种：

1) 塑性阶段收缩：混凝土处于凝结前的塑性状态时，一方面骨料等颗粒下沉、泌水等导致塑性沉降收缩；另一方面，由于水分蒸发过快，泌水率小于表面水分蒸发率时，进一步水分蒸发将产生弯液面，引起孔隙负压并产生塑性收缩.

2) 自收缩：自收缩是指浇筑成型以后的混凝土在密封条件下表观体积的减小.自收缩的根本原因是水泥在水化过程中，体系总体积减小.

3) 温度收缩：温度收缩是由混凝土中热量的散失或温度下降引起的.水泥等水化时将会产生放热反应，水泥的水化放热量越大，放热速率越快，混凝土的内外温差越大，产生的收缩量也越大.

4) 碳化收缩：碳化收缩时由混凝土碳化引起的收缩，仅限于表层，易导致混凝土表层开裂.

与传统混凝土相比，现代混凝土材料组成、服役环境、所处的结构特征等发生显著变化，具体表现在材料自身，外部环境，结构形式等方面.

1.1 材料自身因素

现代混凝土与传统混凝土相比，组成及材料发生显著变化，主要表现在以下3个方面：

1) 现代混凝土流动性大、水胶比低，混凝土的泌水减少，表面更容易“变干”，加剧了塑性收缩开裂风险.ACI308R《混凝土养护指南》指出，由于泌水速率较小，现代混凝土所允许的临界蒸发速率可由1.0 kg/(m2·h)低至0.5 kg/(m2·h)以下.

2) 水泥细度增大，水化放热速率加快，温升及温降问题突出.Burrows[2]指出，一味快速施工的需求导致了水泥在半个世纪以来细度增加了不止1倍(图1)，而水泥细度的增加，使得早期水化速度明显加快，虽然增加了水泥早期强度，却导致了早期的放热速率急剧增加.当水泥细度从160 m2/kg增加到300 m2/kg时，1 d的放热比率(占28 d)从40%增加到近75%.而对江苏地区P·O42.5水泥调研结果表明，水泥的细度基本在360～390 m2/kg范围内.如图2监测结果所示[4]，由于早期放热速率集中，对于厚度仅为35 cm的较薄墙体，1 d左右温升可达20 ℃以上，其后温降速率达到6 ℃/d.

图1 水泥及混凝土性能发生的显著变化[2]

图2 某地下室侧墙温度监测结果[5]

3) 混凝土水胶比较低，水泥无法完全水化，自干燥现象更为显著(尤其是对于水胶比低于0.4的混凝土).由于现代混凝土孔隙较为致密，难以通过外部湿养进行缓解[5].根据Baroghel-Bouny等[6]研究结果，水灰比由0.45降低至0.30，自收缩可增加1倍左右.测试结果表明，C30、C50和C80混凝土1 d前的自收缩占28 d自收缩的比例可分别达到30%、50%和60%.此外，自收缩往往和温度收缩相叠加，加剧混凝土开裂.

1.2 外部环境因素

图3 蒸发速率对塑性开裂的影响

混凝土结构从浇筑成型开始，即处于材料-环境耦合作用的环境.在早龄期，环境因素影响混凝土表面蒸发速度或失水速度，同时影响水泥等胶凝材料的水化放热速率，并对混凝土温度和湿度造成影响.

在塑性阶段，ACI 305R-99基于大量试验研究所推出的水分蒸发诺模图，综合考虑了混凝土表面状况(温度、气压)和环境气候条件(大气的温度、湿度、风速和光照)，建立了上述因素和水分蒸发速率之间的关系.在30 ℃、30%相对湿度、4级风的条件下，混凝土表面水分蒸发速率可达1.5 kg/(m2·h)以上.如图3所示[8]，随着蒸发速率增大，混凝土塑性开裂时间显著提前.

在硬化阶段，温度对水泥水化的影响也满足化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式——Arrhenius公式，温度越高水化放热速率越快，对于大体积混凝土，会导致温峰增加且温峰出现时间提前，但对温升(温峰和初始温度差值)影响相对较小；对于具有一定散热条件(如墙板)的结构，图4表明，入模温度越高混凝土的温升越大，进而造成较大的温降收缩.湿度一方面影响水泥水化速率，水泥处于低湿度环境时，水化速度显著降低(如图5所示[8])，如果相对湿度降低至一定值(h≈75%)[9]，水泥水化过程减慢，甚至可能停止；另一方面引起湿变形的主要驱动力—孔隙负压随着湿度降低而快速增大，造成混凝土收缩(尤其是干燥收缩)显著增加.

图4 入模温度对温升影响

图5 相对湿度对水化速率的影响

1.3 结构形式因素

各种超高、超长、超深、超大型复杂结构不断涌现，对现代混凝土体积稳定性和抗裂性提出了更高更多的要求.具体表现在，体积越大，热量越不容易散出，内外温差引起的开裂风险增加；浇筑长度增加，收缩所受到的外约束增大；复杂结构容易造成应力集中.

2 结构混凝土抗裂性评估方法

现行标准规范的抗裂性设计过程往往从承载力角度出发进行设计，忽视了早期收缩裂缝.混凝土产生收缩变形的主要原因在于环境或混凝土内部温、湿度变化产生的内部应力，混凝土的表观变形是材料内部及表面温湿度变化状态的反映.开裂则是变形在约束下产生的拉应力超过抗拉强度产生.就具体工程而言，以往研究的单一因素、标准条件下水泥基材料收缩开裂的实验室结果与工程实践之间存在很大差异，原因在于浇筑成型的实际混凝土结构处于多场耦合作用的环境，考虑多场耦合作用机制混凝土收缩及开裂研究已成为最新趋势.此外，由于在塑性阶段结构尚未形成，其收缩开裂过程具有一定的特殊性，通常将塑性阶段和硬化阶段分开分析.下面就上述两阶段的收缩开裂模型进行介绍.

2.1 塑性阶段

图6 水泥基材料毛细管负压和塑性抗拉强度关系图

处于塑性阶段的水泥基材料体系可以看成是由固相颗粒、颗粒空间的液相及气相组成的三相复合体.体系中主要存在3种作用力，即范德华力、静电作用力及固-液-气界面作用引起的毛细作用力(毛细管负压).研究表明，当体系颗粒尺寸大于10 μm时，静电作用力和范德华力的影响相对较小[10].因此，毛细管负压是引起塑性收缩开裂的主要原因.而在此过程中，水化作用可忽略，温度和湿度等环境条件主要通过影响水分蒸发及毛细管负压，进而对塑性收缩开裂产生影响.由于在塑性阶段孔隙负压原位监测较为简易可行，可以控制毛细管负压增长过程而达到控制塑性开裂风险的目的.如图6所示[11]，在毛细管负压达到一定值(20 kPa左右)之前，体系塑性抗拉强度随毛细管负压的增加而显著增加，其后抗拉强度趋于稳定(15～30 kPa).由于在20 kPa前抗拉强度大于收缩驱动力，基本不会开裂，可以认为开裂所对应的临界孔隙负压值在20 kPa左右，即将塑性阶段表层孔隙负压控制在20 kPa即可控制裂缝.

2.2 硬化阶段

混凝土抗裂性设计方法大体经历了以下2个发展阶段：第一阶段始于上世纪90年代，Ulm等[12-13]研究了温度-水化-力耦合作用，并建立相应模型预测混凝土收缩和开裂.然而，该研究并未考虑徐变和湿度影响.Cervera等[14-15]所提出的热-水化-力耦合模型可以模拟混凝土的水化、老化、损伤及徐变等.此外，Lackner等[16]也提出了相关的耦合模型.但该阶段所体的模型均未考虑湿度的影响.第二阶段，综合考虑“水化-温度-湿度-约束”多因素耦合(如Gawin等[17-18]、Luzio等[19-20]，Li等[21])，并用于预测混凝土水化、收缩、应力等性能分析.在具体计算方法上，通过“水化-温度-湿度”多因素耦合机制，实现室内标准条件与现场复杂环境相对应；在热力学和多孔介质力学等理论的基本框架下，代入结构尺寸等约束条件，建立了“水化-温度-湿度-约束”耦合，实现了从材料到结构层次的混凝土收缩开裂的模拟预测.在开裂准则方面，理论上来讲，开裂风险系数(任意时刻收缩引起的拉应力和抗拉强度的比值)超过1则会开裂，但实际工程中，由于材料性能的不均匀性及损伤，一般控制开裂风险系数小于0.7，则可有效控制收缩裂缝.图7为计算实例[22].

图7 混凝土水化、温度、湿度、变形及开裂风险模拟计算实例

3 混凝土裂缝控制技术

3.1 原材料及配合比

图8为根据RILEM TC 119 TCE 3标准试验确定的各种技术途径对温度收缩开裂影响的比较(开裂温度降低幅度越大，抗裂性越好)[23]，从试验结果可知，提高水胶比、降低水泥细度、试验温度膨胀系数小的骨料降低水泥碱含量、降低水泥中C3A含量、引气、提高骨料粒径和掺加粉煤灰可以降低混凝土的开裂温度，提升抗裂性.就具体原材料优选及配合比优化而言，水泥细度、C3A含量、碱含量则是影响抗裂性的关键指标，根据相关的标准或指南，以及大量的研究工作总结，建议控制水泥比表面积宜≤350 m2/kg；C3A≤8.0%；碱含量≤0.6%；矿物掺合料、骨料、外加剂等应在满足国家的标准或规程要求基础上，择优选择；混凝土配合比应根据结构混凝土开裂的主要原因进行设计，一般遵循低水泥用量、适当水胶比、最大堆积密度等原则.

图8 不同技术途径对混凝土开裂温度的影响

3.2 抗裂性提升关键技术

当原材料控制、配合比优化等措施难以满足抗裂性要求时，掺加抗裂性功能材料是提升结构混凝土抗裂性的重要手段.提升抗裂性主要从降低收缩驱动力和提升抗力2个方面进行.在抗力提升方面，一般采取掺加聚合物乳液和添加纤维的技术，近年来从混凝土基体出发，采用增韧技术实现水化产物C-S-H胶凝基因的改性，是实现混凝土抗裂性提升的前沿方向，但该技术还处于探索阶段.本部分主要从驱动力调控角度，介绍相对成熟且有效的新技术，包括塑性阶段水分蒸发抑制、硬化阶段水化热调控及分阶段补偿收缩、服役阶段化学减缩3项技术.

3.2.1 塑性阶段水分蒸发抑制技术

传统洒水、覆膜等养护方法会对塑性阶段混凝土表层外观、渗透性等造成负面影响，仅适用于解决硬化混凝土的水分蒸发问题.针对上述问题，通过引入双亲性分子结构，在高盐、高碱的混凝土表面泌水层上实现自组装，并形成稳定单分子膜(图9).所形成的单分子膜在温度40 ℃、湿度为30 %和风速为5 m/s的条件下，可抑制水泥基材料水分蒸发达75 %以上(图10)，进而大大推迟了该阶段收缩驱动力(孔隙负压)的出现时间[24-25]，并有效减少混凝土表面起皮和结壳等现象.工程应用过程中，根据孔隙负压监测结果，及时喷洒水分蒸发抑制材料，将表层孔隙负压控制在2.0 kPa以下，完全避免在极端干燥条件下混凝土的收缩开裂.该项技术成功应用于兰新高铁(环境温度>40 ℃；地表温度>50 ℃；湿度<30%；风速>8 m/s)，实现了2×106m2混凝土无塑性裂缝.

3.2.2 水化速率与膨胀历程双重调控技术

降低温升和混凝土收缩是抑制硬化阶段开裂的关键.处于强约束条件下(如地下结构底板对侧墙的约束)混凝土，往往温升高、温降速率快，且叠加自收缩，5～7 d产生的内应力即可能超过其极限抗拉强度，出现开裂，并在夏季施工和高强混凝土中更为突出.针对该类结构特点，采取水化速率与膨胀历程双重调控的技术措施，一方面通过调控温度场，降低结构温峰，另一方面通过膨胀历程的调控，提升温降阶段的膨胀效能，补偿温降收缩，从而抑制混凝土的硬化阶段早期开裂.如图11所示，通过在外加剂分子中引入含多羟基的功能基团，开发了水化热调控材料，能够降低水泥水化放热速率峰值50%以上，降低结构混凝土的温升5～10 ℃以上；水化热调控材料不仅能够调控水泥水化历程，还具有调控膨胀材料膨胀历程的效果，在快速温降阶段产生足够膨胀(温降阶段的膨胀增大50～120 με).该项目解决了传统单一措施(如补偿收缩)作用历程和混凝土温度及收缩历程相不匹配问题，可降低结构开裂风险系数降低60%以上，结合施工等综合措施，可控制开裂风险系数小于0.7，应用于轨道交通、桥梁等工程，实现无可见裂缝.

图9 水分蒸发抑制剂作用原理

图10 孔隙负压控制效果

图11 双重调控技术作用效果

3.2.3 化学减缩技术

现代高性能混凝土均掺加化学减水剂，但传统的减水剂均增大混凝土的收缩，如在GB 8076—2008《混凝土外加剂》中只规定高性能减水剂28 d的收缩率比≯110%.掺加减缩剂是抑制收缩的重要技术途径，但传统缩聚型减缩剂存在成本高且降低混凝土强度等缺点.针对上述问题，将微疏水改性聚醚侧链采用原位接枝到弱吸附聚合物主链，协调聚合物亲水亲油平衡，有效降低了孔溶液表面张力和离子浓度，实现减缩、分散与分散保持的协同[图12(a)].掺量0.4%时，28 d干燥收缩率降低20%以上[图12(b)].与传统复配技术(普通聚羧酸与传统低分子减缩剂)相比，达到同样性能水平时，掺量降低60%以上.这项技术应用于田湾核电、港珠澳沉管隧道等工程，有效降低了服役阶段干燥收缩开裂风险.