水工混凝土抗裂性研究

刘 湛

（北京建筑大学城市经济与管理学院， 北京 102616）

0 引言

混凝土抗裂性是指混凝土在内外部应力包括环境作用下抵抗裂缝生成的能力，其本质是局部拉应力超过了材料的抗拉强度导致受拉破坏。在混凝土养护早期，由于其强度较低，干缩和温度变形产生的应力是造成这种裂缝产生的主要原因；养护的中后期，裂缝产生大多与外部荷载有关。实际工程中，混凝土是采有带裂缝的工作方式，而裂缝的数量和其发展程度对混凝土力学及耐久性能有巨大的影响。

由于抗裂性是一个定性的概念，一般只能通过是否开裂来评价，然而对裂缝的认定具有一定的主观性，而且在不发生开裂时我们仍然需要一定的数值指标来表示混凝土抵抗裂缝的潜在能力，并以此为依据优化混凝土配合比设计。

1 抗裂性影响因素

混凝土的抗裂性可以从两方面来对待：一是材料本身的抗裂性；二是施工、环境条件对混凝土的影响。就材料本身而言，影响其抗裂性能的因素也比较多，大致可以分为三类：力学类、变形类、热学类，这三类因素可以通过公式相互转换。下面分析几个最基本的因素与混凝土抗裂性的联系。极限拉伸变形：变形较大的混凝土能够抵抗更大应力，具有更好的抗裂性。轴心抗拉强度：在高强混凝土中还与骨料本身强度有关。拉伸弹性模量：数值越大，材料脆性强，抗裂性差。自身体积变形：在外部约束情况下，混凝土自身体积收缩表现为内部拉应力，而体积膨胀则表现为内部压应力。干缩：受环境湿度影响，养护早期，干缩占总体收缩变形的比例很大。徐变：对大体积混凝土来说，徐变越大，应力松弛越大，对抗裂性有利。

理想中具有优秀抗裂性能的混凝土应取各项参数的最优点，但实际上由于参数之间相互影响制约，往往不能达到全部取到最优值，而且实际工程中也不可能只考虑抗裂性而忽视力学及其他耐久性能。由于混凝土的抗裂性与上述多种参数相关，若使用其中单个参数作为抗裂性评价依据将有很大的片面性，与实际情况可能不符。因此，需要提出一个综合以上多种参数的抗裂性评价指标。

2 抗裂性评价指标

2.1 简易指标

我国DL/T5108-1999《混凝土重力坝设计规范》提出将极限拉伸值和允许温差作为抗裂设计指标，通常在大坝混凝土温度应力计算及裂缝控制时，往往会采取提高混凝土极限拉伸值的方法来满足防止裂缝的目的。只用极限拉伸值来评价混凝土的抗裂性能有一定的片面性。对此，我们还采用以下指标进行评定：热强比、弹强比、拉压比、抗拉韧性等。

以上指标具有数据简单易得的优点，大多使用了常用的力学参数，由于缺乏对变形的考量，因此抗裂性的表述并不完整，尤其对于不同原材料及配合比的混凝土可比性较差。基于此，国内部分学者发展了多种评价指标。

2.2 发展的指标

目前，混凝土的抗裂性指标得到了较好的发展，很多学者都对其计算方法进行了详细的分析和论证。

李光伟认为混凝土的自由体积变形削弱了混凝土的抗裂性，并建议以混凝土的抗裂变形指数B，即混凝土在外荷载的作用下的荷载变形与自由体积变形之比作为混凝土的综合抗裂能力指标，其计算方法如下：式中：ε1为混凝土的荷载变形，ε0为自由体积变形。既考虑了混凝土在拉力下的瞬时变形和徐变变形，又考虑了自身水化反应导致的温度变形和自身体积变形。

曾力等综合混凝土的抗拉强度、极限拉伸值、抗拉弹性模量和温度变形等主要因素，提出了抗裂性指标Φ，该值能反应出混凝土阶段性的抗裂能力，Φ值越大，抗裂性能就越好。但是该抗裂性指标未能考虑混凝土干缩、自生体积变形等因素。方坤河等在此基础上加入了干缩和自生体积变形等因素，提出了混凝土抗裂指数η。

此外，还有抗裂安全系数Kf、抗裂度因子K0、防裂温降以及开裂风险系数等。

3 抗裂性评价的试验方法

3.1 平板法

在对混凝土抗塑性收缩和干燥收缩开裂的研究中，美国密西根州立大学的Dr. Soroushia研究小组采用了一种弯起钢板约束的平板式试验装置；另一种研究混凝土抗裂性的平板试验装置及测试方法由美国圣约瑟大学的Karri提出。

表2 两种平板法的特点对比

如上表所示， Dr. Soroushian平板法试件较厚，能够支持二级配混凝土的测试，其缺点在于提供的约束不够，且表面光滑约束程度太低；Karri平板法是大面积的薄板，仅能进行水泥净浆或砂浆试验，若测试混凝土则需要通过5mm湿筛浇筑，无法说明骨料在混凝土中所起的抗裂作用，其优点在于钢筋网提供的约束程度较高，底部的薄膜能底表面也能自由收缩。就干燥方式而言，前者模拟了实际环境可能的干燥条件，后者则更倾向于极限试验，测试了极限条件下的收缩开裂。

平板法具有简单易操作的特点，能有效研究混凝土或砂浆的干缩开裂情况，其缺点是约束不均匀，因此得到的指数可能有较大的离散型，且对水化热温升的敏感性不高，在评价大体积混凝土抗裂能力时有很大缺漏。

3.2 圆环法

该试验可用来研究由于自收缩和干燥收缩产生的自应力对混凝土抗裂性的影响。研究实践表明，圆环试验在研究水泥浆和砂浆的抗裂性时，由于水泥浆和砂浆环的收缩能沿环比较均匀的分布，所以试验效果明显；而由于混凝土中粗骨料的存在，使混凝土环表面水份蒸发受到一定阻碍，从而使混凝土的外表面不能沿环均匀的收缩，且粗集料对裂缝限制分散作用，使混凝土表面容易形成不可见的微裂纹，使得可见裂纹的最大宽度对混凝土的抗裂性评价受到影响。但与平板法相比，圆环法给混凝土提供了完全的均匀的约束，在很大程度上体现了混凝土在约束条件下收缩和应力松弛的综合作用，能有效的评价混凝土的抗裂性能。

3.3 温度-应力试验方法

温度-应力试验是指采用开裂试验架或温度-应力试验机(TSTM)评价混凝土抗裂性能的一种基于水平方向单轴约束的试验方法，实质是进行温度仿真、约束仿真以及从混凝土试件浇筑开始至开裂进行过程仿真的试验。

混凝土浇筑后由于水化温升，温度逐渐上升，同时带来体积膨胀，内部主要为膨胀压应力（温度应力）；随后由于水化导致的自身体积收缩和温度降低收缩，混凝土的内压力逐渐降低，经历应力零点后显示为内拉力；试件在设定的温度历程下降温，直至收缩开裂试验终止。

目前，国内外学者已采用温度-应力试验方法进行了多项研究，探究混凝土的开裂条件和抗裂性能。经过几十年的发展，温度-应力试验方法得到不断改进，为混凝土抗裂性评价提供了一套较为精密的参数。当下的问题在于各参数的相互影响关系尚不明确，评价的理论基础有待完善，如何从繁复的参数中找到决定性的评价指标。

4 提高抗裂性的措施

4.1 提高混凝土材料本身抗裂性

就材料本身而言，主要是从原材料优选和配合比优化方面入手，原材料方面在允许的条件下选用低热水泥，适当情况可以考虑微膨胀水泥；选用线膨胀系数小、强度适宜的优质骨料；使用粉煤灰等活性掺合料能有效提高材料抗裂性能；合理使用外加剂。配合比优化主要是在水胶比、水泥用量等方面，综合优化材料的强度、韧性、水化热温升。材料的抗裂性影响因素较多，应根据工程实地的气候条件和材料限制，找到关键的决定因素，在可选的材料范围内通过不同配合比的抗裂性试验找到适宜的组合，最终达到抗裂性与混凝土强度及耐久性的平衡点。

4.2 施工和养护措施

优化材料只是提高抗裂性的一个方面，实地的施工和养护措施对早期混凝土的防裂尤为重要，高质量的施工和早期养护能有效减少微裂纹的产生，极大限制裂缝的生长发展。就大体积混凝土而言，主要是在温湿度方面：合理控制浇筑温度，夏季可以通过预冷骨料或用冷水拌制混凝土，同时避免在高温下浇筑，尽量选择夜间施工；冬季应加强原材料保温，气温过低时不宜施工。加强湿养护，混凝土硬化后应及时洒水或喷雾养护，尤其注意在高温、大风条件下及时补水，防止表面干缩。降低温差，对于混凝土水化热温升，应及时合理通水降温，减小内外温差；在冬季或在昼夜温差较大时应铺盖棉被或设置保温层，降低环境与混凝土本体的温差。合理分缝分块，使混凝土适应温度变化引起的体积变形，减小温度应力。

5 总结

混凝土抗裂性对其服役生命有很大影响，裂缝通过与各类病害的相互作用会导致恶性循环。抗裂性本身是一个受多种因素影响的复杂问题，多因素之间有耦合作用，无法通过单因素确定最优组合。除此以外，对抗裂性的优化同时还需要兼顾满足力学要求和耐久性要求，达到多方平衡。

目前，已有考虑因素较为全面的混凝土的抗裂性指标，但各指标的有效性有待考证，不同指标的评价结果有的还有较大差异，似乎很难发展出一种统一适用的抗裂指标。在此条件下，应联系工程实际，采用合适的抗裂指标对混凝土抗裂性进行评价。

平板法和圆环法作为一种简单易行的抗裂性评价方法，更适用于暴露面积/体积比值较大的情况，不适宜大体积混凝土抗裂性评价。温度-应力试验方法作为一种过程仿真模拟，能够提供混凝土浇筑直至降温开裂的全过程数据，为研究人员提供了大量分析数据，这一方法是抗裂性研究的发展趋势，应加强理论研究，优化试验方法，深入剖析各参数在评价混凝土抗裂性方面的基础意义，推动混凝土抗裂性试验结果的定量化。

研究者和工程师应从材料优化和加强施工方面着手，注意提高混凝土的抗裂性，尤其是要加强对混凝土早期的养护。在材料受限的条件下，高质量的施工和养护对提高抗裂性具有举足轻重的作用。