混凝土收缩开裂性能控制研究

左俊卿 房霆宸 陈逸群 季京安 周 虹

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2.上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080；3. 上海建工建材科技集团股份有限公司 上海 200086

混凝土是应用最广泛的一种建筑材料。在建筑工程中，大体积混凝土结构受到水泥水化作用会产生较大的热应力[1]。在水泥水化过程中，热应力、水分扩散与干燥收缩同时进行，热胀冷缩引起的体积变化和收缩产生的局部拉应力，会导致混凝土产生微裂缝、裂纹和结构损伤[2]。然而，这些微裂缝可能不会立即降低混凝土结构的安全性，但会使外部有害物质更容易进入混凝土结构，从而影响混凝土结构的耐久性[3]。

同时，根据ACI-116要求，对于一些大体积的混凝土构件，如混凝土基础、混凝土梁和混凝土柱等，应采取特殊的措施以缓解水泥水化产生的热应力。因此，研究混凝土早期抗裂性能，以及如何提高混凝土早期抗裂性能并保证混凝土的耐久性，已经成为现代混凝土工程技术中亟待解决的问题。

目前，混凝土早期抗裂问题已经成为水泥基材料领域中最普遍的技术难题。近年来，国内外诸多学者围绕着混凝土早期裂缝开展了大量的试验研究和工程应用，不断探索提高混凝土早期抗裂性能的有效措施和方法。其中，在混凝土中添加膨胀剂、减缩剂和纤维材料是最重要的途径。

大量研究表明，在混凝土中掺入聚丙烯纤维，有利于增强混凝土的抗裂性能[4]。膨胀剂的掺入会引起水泥浆体体积的膨胀，抵消混凝土早期部分的收缩[5]。减缩剂（SRA）是一种新型的抑制混凝土早期开裂的外加剂，Soliman等人[6]的研究证实SRA的掺入减少了超高性能混凝土早期收缩。

由上述可知，膨胀剂、减缩剂和聚丙烯纤维对混凝土早期抗裂性能均有改善作用，但目前关于三者改善效果优良对比的研究比较缺乏。因此，本文采用平板试验法对比研究了膨胀剂、减缩剂和纤维材料对混凝土早期抗裂性能的改善效果。

1 试验

1.1 原材料

本文采用P.O 42.5水泥，其密度和比表面积分别为3.15 g/cm3和350 m2/kg。矿物掺合料主要包括Ⅱ级粉煤灰（FA）和S95矿粉（MP）。细骨料为构件五厂水洗砂，细度模数为2.4，含泥量＜0.5%，泥块含量0，大于5 mm颗粒含量＜1%。粗骨料为人工碎石，粒径为5～20 mm，堆积密度为1 450 kg/m3。外加剂为803外加剂，SBT-SRA（Ⅰ）混凝土减缩剂，膨胀剂采用HME-V混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂和DENKA HP-CSA。纤维采用聚丙烯纤维（polypropylene fiber，PP）。水为自来水。试验所用胶凝材料的化学组成（质量分数）如表1所示。

表1 胶凝材料的化学成分质量分数 单位：%

1.2 配合比设计

为研究膨胀剂、减缩剂和聚丙烯纤维对混凝土早期开裂的影响，本文设计了三种体系的混凝土：Mix-Ⅰ，HP-CSA和HME-V分别为20 kg/m3和34.4 kg/m3；Mix-Ⅱ，减缩剂掺量分别为1%和2%；Mix-Ⅲ，聚丙烯纤维的掺量分别为0.1%和0.2%。混凝土中水胶比为0.37，胶凝材料的总量为430 kg/m3，砂率为0.43。具体的混凝土配合比设计如表2所示。

表2 混凝土配合比设计 单位：kg/m3

1.3 试验方案

本研究采用了平板试验方法，以反映在四边约束条件下混凝土早期开裂的情况。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，本试样所采用的模具尺寸为800 mm×600 mm×100 mm，如图1所示。

图1 平板试样模具示意

混凝土搅拌好后分2层进行插捣振实，待成形后将试样置于密封条件下养护2 h，然后将试样放置在温度（20±1）℃、相对湿度（60±5）%、风速0.8 m/s的环境条件下养护。数据采集时间：养护初期5 min观察一次；当出现裂缝后，观察时间为10 min/次；待裂缝发展稳定后，每隔30 min记录一次；养护3 d后，观察时间为0.5 d/次。利用放大倍数为50的显微镜读数并记录裂缝宽度最大的数据（图2），其他还包括试样裂缝数量、长度、宽度。

图2 裂缝测宽仪读数示意

1.4 抗裂性评定标准

混凝土的平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和单位面积上的总开裂面积根据其浇筑24 h后测量得到的裂缝数据来计算，计算公式如式（1）所示。

式中：Wi——第i条裂缝的最大宽度，mm；

Li——第i条裂缝的长度，mm；

N——总裂缝数量；

A——试样的表面积，取0.48 m2；

a——每条裂缝的平均开裂面积，mm2/条；

b——单位面积的裂缝数目，条/m2；

c——单位面积上的总开裂面积，mm2/m2。

本文根据每条裂缝的平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和单位面积上的总开裂面积对混凝土的抗裂性能等级进行划分[7]。

试件早期的开裂敏感性评价准则如下：①仅有非常细的裂纹；②平均开裂面积＜10 mm2；③单位面积裂缝数目＜10条/m2；④单位面积上的总裂开面积＜10 mm2/m2。按以上4个准则，将开裂敏感性划分为5个等级：Ⅰ级——全部满足上述4个条件；Ⅱ级——满足上述4个条件中的3个；Ⅲ级——满足上述4个条件中的2个；Ⅳ级——满足上述4个条件中的1个；Ⅴ级——1个条件也不满足。

2 试验结果与分析

图3给出了7个试样混凝土表面裂缝的状况。从图中可以发现，减缩剂、膨胀剂和聚丙烯纤维的掺入均减少了混凝土早期裂缝的数量。对于含减缩剂混凝土而言，随着SRA掺量的增加，混凝土早期抗裂性能逐渐增强，含2%SRA试样的裂纹数量虽然增加至2条，但其裂纹宽度明显减小；对比HP和HME膨胀剂可以发现，HME对混凝土早期抗裂性能的提高效果更加显著，表面未观察到明显的微裂纹。随着聚丙烯纤维的掺入，混凝土表面裂纹数量进一步减少，其中含0.2%PP试样的表面基本上无微裂纹。通过混凝土表面裂纹的变化可以发现，聚丙烯纤维的改善效果最优，其次是膨胀剂，减缩剂的改善效果最弱。

图3 混凝土表面裂缝的实物

混凝土早期开裂试验结果如表3所示。从表中可以看出，与基准组相比，无论是掺入减缩剂、膨胀剂还是聚丙烯纤维，其对混凝土的平均开裂面积、单位面积的裂缝数目和总开裂面积总体上均有明显的改善作用。C＋1%SRA试样每条裂缝的平均开裂面积高于基准组，这是因为混凝土表面仅存在一条较长的裂纹，但是其他指标均明显低于基准组。C＋2%SRA试样的a、b和c指标与基准组相比分别降低了95%、60%和98%，这是因为SRA分子吸附在水和空气界面，降低其表面张力，促进混凝土孔隙内部的毛细管负压下降，导致混凝土收缩降低。同时，SRA还会降低混凝土孔溶液的离子浓度并调节混凝土内部的相对湿度，这对降低混凝土收缩均有积极作用[8-9]。通过将膨胀剂试样和基准组对比可知，膨胀剂的掺入，使混凝土开裂性能进一步增强。其中C＋HME试样的效果更好，试样的a、b和c指标与基准组相比分别降低了96%、80%和99%，其机理为：在混凝土早期，膨胀剂的掺入增加了孔隙溶液中碱离子、氢氧根离子和硫酸根离子的浓度，促进钙离子的溶出，形成更多氢氧化钙和钙矾石晶体，使混凝土基体出现膨胀效应，抵消部分混凝土收缩[10]。

表3 混凝土早期抗裂性能试验结果

与上述结果相似，含聚丙烯纤维混凝土的早期抗裂性能更优，并且随着聚丙烯纤维掺量的增加，其改善效果逐渐增强。C＋0.2%PP试样的a、b和c指标与基准组相比分别降低了97.2%、80%和99.4%，这主要归因于聚丙烯纤维本身具有较高的抗拉强度，与混凝土基体具有良好的黏结性，有效抑制原生裂缝的扩展，在混凝土中起到桥接的作用[11]。

3 结语

随着减缩剂、膨胀剂和聚丙烯纤维的掺入，混凝土的最大裂缝宽度、单位面积内的裂缝数量均显著减少，混凝土的早期收缩开裂性能得到显著的改善。综合抗裂性指标来看，C＋0.2%PP＞C＋HME＞C＋0.1%PP＞C＋2%SRA＞C＋HP＞C＋1%SRA＞C0。减缩剂的改善机理归因于降低了孔隙毛细管压力和孔溶液的离子溶度以及调节混凝土内部的相对湿度。膨胀剂对混凝土早期表现出良好的膨胀效应，抵消混凝土早期的部分收缩。另外，聚丙烯纤维的增强作用是因为纤维能有效抑制原生裂缝的扩展，在混凝土中起到桥接的作用。

裂缝控制的优劣直接影响到大体积混凝土浇筑的成败。除了在材料上采取优化大体积混凝土配合比、控制混凝土水胶比、增加粉煤灰的掺量、减少水泥用量等措施外，在施工方面也应根据现场场地布置，综合考虑大体积混凝土使用量、浇捣时间、混凝土搅拌车停放及运输道路、泵车布置等因素，合理确定浇捣路线及方案。在大体积混凝土养护方面采用2层薄膜、2层麻袋保温养护，可满足温控及防裂要求。在养护阶段，薄膜、麻袋边缘要搭接好，不允许漏缝。大体积混凝土不仅要保温，还要注意保湿，以减小混凝土的收缩，特别是高强度等级的混凝土前期收缩较大。在混凝土终凝后，保温薄膜应及时覆盖，尽快形成保温保湿养护环境。在混凝土初终凝阶段，采用两次抹面技术，消除表面裂缝。