高性能混凝土的早期裂縫防治

唐健慧

1 概述

高性能混凝土以耐久性為首要設計指標，可以為基礎設施工程提供 100年以上的使用壽命。區別于傳統混凝土，高性能混凝土具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等許多優良特性。但是實際工程表明，即使是肉眼不可見的微裂縫，對高性能混凝土結構耐久性的負面影響依然是顯著的。

2 混凝土裂縫的類型

2.1 混凝土工程結構裂縫

混凝土的結構裂縫寬度一般以0.05mm為界，不小于0.05mm的裂縫稱為“宏觀裂縫”，小于 0.05mm的稱為“微觀裂縫”，混凝土宏觀裂縫是微觀裂縫擴展的結果。一般認為，混凝土的結構裂縫主要以三種形式存在:粘著裂縫、水泥石裂縫、集料裂縫。集料裂縫出現較少，多數是粘著裂縫和水泥石裂縫。

2.2 混凝土溫度裂縫

溫度裂縫表現為內部裂縫和表面裂縫，寬度可達1mm～4mm，嚴重時上下貫穿;它與混凝土及其各組分的熱膨脹系數、內部最高溫度和降溫速度等因素有關。降低溫升，提高混凝土抗拉強度，使用熱膨脹系數低的集料是防止溫度應力的措施。

2.3 混凝土收縮裂縫

實際工程中，混凝土由于受到基礎、鋼筋或其他相鄰部分的牽制而處于不同程度的約束狀態，因此，混凝土的收縮在混凝土中產生拉應力，當這種拉應力超過混凝土的抗拉強度以后，混凝土即產生裂縫。并且，混凝土內集料的存在，也會約束水泥基相的收縮，從而引起混凝土的水泥石內產生裂縫。收縮主要包括塑性收縮、化學減縮、碳化收縮、干燥收縮及自收縮等[1]。

3 影響高性能混凝土產生裂縫的主要因素

混凝土澆筑后溫度變化和其他因素使混凝土產生變形，對這些變形的約束使混凝土產生早期裂縫。影響混凝土早期溫度開裂的因素有以下幾點:

1)水泥品種。不同品種的水泥對抗裂性能的影響。首先是溫度發展的影響。其次，不同水泥有不同的變形特性，這也會影響抗裂性能。為了使混凝土具有較低的開裂敏感性，所用水泥在理論上應該滿足如下條件:在最初 12 h內彈性模量發展較快，以獲得相對較大的預壓應力;同時此階段內水化放熱應十分小。

2)粉煤灰等礦物摻合料。粉煤灰的微集料填充效應、火山灰效應、滾珠效應，大大改善混凝土的工作性、抗裂抗滲性能及耐久性。高性能混凝土一般采用低水膠比、摻外加劑以及礦物摻合料，為防止混凝土收縮開裂，有時摻加膨脹劑，達到補償收縮的效果。在一定摻量范圍(2%～40%)內，隨粉煤灰摻量增加，高性能混凝土塑性裂縫總面積呈減小趨勢，裂縫出現的初始時間有所推遲;但當粉煤灰摻量較高(為60%)時，高性能塑性裂縫總面積又有增大趨勢，裂縫出現的初始時間縮短。摻量對裂縫最大寬度的影響與對裂縫總面積的影響趨勢是相同的，它們之間具有較好的相關性。混凝土水分蒸發速率隨粉煤灰摻量增大而升高。可見，在一定摻量范圍內粉煤灰具有抑制高性能混凝土塑性開裂的作用，該范圍為20%～40%。

3)骨料。采用低熱膨脹系數的骨料可以減小混凝土的溫度變形，減小混凝土收縮時的約束應力，從而獲得較低的開裂敏感性。另外，碎骨料對于混凝土的抗拉強度是有益的，因為粗糙的表面可以產生較大的粘著力，提高抗拉強度。大粒徑骨料可減少水泥用量，降低水泥水化熱，從而減小混凝土溫升，同時對提高混凝土拌合物的工作性也十分有利，然而較大粒徑的骨料在一定程度上也會降低混凝土的抗拉強度。

4)外加劑。高效減水劑用于減少混凝土用水量而提高強度或節約水泥時，混凝土收縮值小于不摻減水劑的空白混凝土試樣;用于增加坍落度而改善和易性時，收縮值略高于或等于不摻減水劑的空白混凝土試樣，但不超過技術標準規定的限值 1× 10-4。

5)澆筑溫度。在諸多影響因素中，混凝土澆筑溫度十分重要。澆筑溫度高的構件，混凝土溫升也快，因為較高的澆筑溫度加速了水泥的水化放熱，致使溫升加快。如果環境最低溫度低于第二零應力溫度，那么混凝土在降溫至環境溫度過程中所產生的溫降收縮變形要比低澆筑溫度的混凝土大得多。值得注意的是，在較高溫度狀態下硬化的混凝土，其抗拉強度會比較低，這是因為形成的水化產物(CSH)強度較低，這些都會導致較高的澆筑溫度對應較高的開裂溫度。

4 高性能混凝土早期收縮裂縫防治措施

由混凝土塑性收縮裂縫產生的機理，可知預防或減少塑性裂縫的基本出發點在于:1)降低混凝土表面毛細管水的蒸發速率; 2)減小混凝土早期水化收縮和自收縮;3)增大混凝土的早期抗裂強度。

4.1 優化配合比

通過各項基礎材料的擇優選取，從源頭上減少裂縫的出現，水泥材料選取時，應結合高性能混凝土特性，宜選用較少用量達到較高強度的 42.5或 52.5硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，不宜采用早強型水泥及立窯水泥。選取骨料時，骨料的含泥量影響著混凝土的收縮，所以嚴格控制粗細骨料含泥量小于 1%，細骨料含泥量小于 2%。細骨料宜選用石英含量高、顆粒形狀渾圓、潔凈，具有平滑篩分線的中粗砂;粗骨料的形狀、表面以及其中的針片狀骨料影響著混凝土的流動性，對強度影響很大，所選用的針片狀骨料含量宜小于 10%。選取礦物摻合料要考慮材料中有害組成物質的含量以及材料強度活性，礦物摻合料是高性能混凝土不可缺少的組分。針對水膠比參數，在保證混凝土的密實度，及滿足施工和易性的前提下，應盡量降低水膠比。關于水泥用量在滿足規范范圍內應盡量少，用干縮率小的細摻料(粉煤灰、磨細礦渣等)部分替代，以減少水化熱、收縮等負面效應。

4.2 改善施工工藝

1)根據施工配合比把各材料投入攪拌機中，計量要準確，尤其是抗拉材料用量和用水量，為使摻膨脹劑混凝土拌和均勻，其拌制時間要比普通混凝土延長 30 s。

2)高性能混凝土對用水量很敏感，施工前必須標定或校核量水系統，并扣除集料將帶入的游離水。應杜絕商品混凝土中途或現場摻水事件的發生。

3)混凝土振搗要密實，不漏振，也不過振。各部位混凝土振搗時間和次數必須均勻，尤其是配筋密集的施工部位，不能對有的部位進行長時間的振搗，而有的部位漏振，否則混凝土的均勻度、密實度差，易導致開裂，影響混凝土的抗滲性能。

4)澆筑好的混凝土在終凝前，要多次抹壓，防止沉縮裂縫出現。

4.3 混凝土養護

1)早期供水養護要及時、充分。混凝土開始凝固時，表面尚未形成毛細管彎液面，故此時對表面進行濕養護。初凝后混凝土體系逐步失去塑性，水泥石的進一步水化使水分消耗引起絕對體積的減少，形成孔隙。如果沒有及時供水養護，隨著水分的蒸發，以及混凝土的進一步水化，在表面形成毛細孔彎液面，其對于孔壁產生拉力，使混凝土表面處于受拉狀態。由于此時混凝土的抗拉強度非常低，極易產生表面裂縫和管壁裂縫。當毛細管壁的阻力超過水的表面張力，使毛細管水間斷，此時水分不能從表面向內部遷移，這種水分的供給作用消失，故后期即使表面進行養護，所起到的養護作用已不顯著。由此可見，早期供水養護可及時地抑制混凝土的早期自收縮。

2)早期保溫養護要及時、充分。這主要由于早期混凝土內部升溫很高，拆模后表面溫度突然降低，在表面部分形成了很陡的溫度梯度，而此時混凝土的極限拉伸率小，低溫季節或溫度較低時，如果養護不采取適當的保溫措施，容易產生冷縮裂縫。

4.4 摻入聚丙烯纖維

摻入聚丙烯纖維混凝土可明顯改善混凝土抗拉、抗剪、抗彎、抗沖擊等性能，尤其是抗裂性能。低彈模的聚丙烯纖維相對于塑性混凝土來說可以認為是一種高彈模材料，依靠其與混凝土之間的界面吸附粘結力、機械齒合力等，增加了材料抵抗塑性開裂的抗拉強度，混凝土初裂時間延遲，甚至不出現開裂，即使出現開裂，裂縫擴展速度得以延緩;摻入聚丙烯纖維的混凝土表面布上了縱橫交錯的纖維材料，使得水分遷移較為困難，混凝土水分蒸發速率有減小趨勢，使毛細管失水收縮有所減小。

5 結語

減少混凝土的早期裂縫，可以有效保證高性能混凝土的耐久性能。通過對施工中高性能混凝土產生裂縫的主要原因進行分析，提出有針對性的防治措施，對改善高性能混凝土性能及防治裂縫均有一定的借鑒意義。

[1] 吳中偉.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999: 125-128.

[2] CECS 207∶2006，高性能混凝土應用技術規程[S].

[3] SCG F51-2010，橋梁高性能混凝土制備與應用技術指南[S].