混凝土復合減縮抗裂技術最新研究進展

羅源兵，張武宗，張遠

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

裂縫是混凝土結構中最易發生，也是最嚴重的質量問題。混凝土結構裂縫發生后，在荷載和環境侵蝕作用下，裂縫會進一步激化和擴大，引起鋼筋銹蝕，建筑物整體安全性能嚴重下降，大大縮短其工程項目使用年限[1]。混凝土裂縫包括塑性收縮裂縫、自收縮裂縫、干縮裂縫、溫度收縮裂縫、沉降裂縫、凍脹裂縫、施工裂縫等。據統計，混凝土的裂縫有 80% 是由混凝土自身的收縮變形引起的，由外部荷載引起的裂縫只占20%[2]。因此，研究和解決收縮變形引起的裂縫問題是解決混凝土裂縫的主要方向。

目前解決混凝土收縮開裂的主要手段有在混凝土中添加膨脹劑、減縮劑、纖維、內養護劑和礦物摻合料等。然而，上述減縮防裂措施各有自己的使用條件或限制，其使用效果也各不相同。雖然使用單一的減縮措施可以在一定程度上減少混凝土材料的收縮開裂，但在某些抗裂要求較高的混凝土工程，使用單一的減縮措施并不能滿足其抗裂防滲要求，或者會導致混凝土其他性能劣化。因此，許多研究人員以組合使用兩種或更多種減縮防裂措施，使各種減縮防裂措施可以取長補短，發揮其協同或疊加作用，取得了極好的綜合效果。本文主要從內養護與膨脹劑復合、纖維與膨脹劑復合、減縮劑與膨脹劑復合、減縮劑與纖維復合、內養護與減縮劑復合五個方面闡述當前混凝土復合減縮抗裂技術的最新研究進展和存在的問題。

1 混凝土復合減縮抗裂技術

1.1 膨脹劑和內養護復合

通過膨脹劑的補償收縮來減少混凝土的溫度收縮和干燥收縮，從而抑制混凝土的收縮開裂，已成為在實際工程中控制混凝土開裂的主要措施。膨脹劑主要通過水化反應產生體積膨脹物質，所需水量大。但是，在低水膠比高強混凝土中，外部水分難以進入內部，內部處于缺水絕濕狀態，膨脹劑不能充分水化，膨脹劑的補償收縮效應不能充分發揮，導致使用膨脹劑并沒有有效降低混凝土的收縮裂縫。低水膠比高強混凝土中，加入內養護劑不僅可以降低混凝土本身的自收縮，還能提供膨脹劑水化所需的水分，通過內養護劑和膨脹劑二者的疊加作用，大大降低混凝土的裂縫產生[3]。

Li[4]在恒溫、變溫條件下，研究預濕輕骨料和膨脹劑的結合使用對混凝土收縮變形的影響。結果表明，預濕輕骨料在降溫階段具有比膨脹劑更強的減縮效果，并能在后期提供連續的膨脹。通過將預濕輕骨料和膨脹劑組合使用，使混凝土的收縮變形顯著減少，并能夠抑制由單一的膨脹劑引起的機械性能的降低。

秦鴻根[3]在膨脹混凝土中加入聚合物吸水樹脂（SAP），因為吸水樹脂的吸水—釋水作用，有利于混凝土中鈣礬石的生成和水泥水化程度的提高，可顯著提高膨脹混凝土的早期膨脹值和限制膨脹率，且對強度無不利影響。丁慶軍[5]在 C60 自密實混凝土加入內養護材料和膨脹劑，結果表明，復摻內養護材料（AN-ICA）和膨脹劑（硫鋁酸水分鈣—氧化鈣型）比單摻膨脹劑，可以有效降低自密實混凝土的干燥收縮和自收縮。并采用聚羧酸減水劑、內養護劑和膨脹劑成功制備出低收縮抗裂 C60 自密實混凝土。胡玉慶[6]在砂漿中復摻高倍吸水樹脂（SAP）與 MgO 膨脹劑，發現可降低砂漿的干縮和自收縮，但同時砂漿的粘聚性會增加，從而導致其流動性降低。

陳波[7]采用溫度—應力試驗法研究了 SAP 和 UEA復合使用對混凝土的溫度—應力發展的影響規律，發現SAP 和 UEA 的復合使用，可以提升其升溫階段的壓應力，降低拉應力在降溫階段的發展速率，使開裂溫度降低，延長了其裂開的時間。

胡曙光[8]在高強微膨脹鋼管混凝土中加入飽水頁巖陶粒，因為預濕陶粒的內養護作用，在混凝土內部相對濕度降低的情況下釋放的水分降低了自收縮，同時釋放的水分有利于膨脹劑和未水化的水泥繼續水化，從而減少了混凝土的體積收縮。然而，飽水頁巖陶粒的加入會降低混凝土的抗壓強度，因此有必要控制其合理的含量。

1.2 膨脹劑和纖維復合

膨脹劑可以有效的降低混凝土的干縮裂縫，但對因其塑性收縮產生的裂縫，效果卻不明顯，尤其是養護不好的部位。而在混凝土加入纖維，纖維的阻裂作用能抑制混凝土的早期塑性開裂。將二者復合使用，可以產生疊加作用，有效降低混凝土的收縮開裂[9,10]。

孫偉等人[11]研究復合纖維和膨脹劑對混凝土抗收縮和抗滲的影響，結果發現使用復合纖維和膨脹劑后，可以提高混凝土的內部界面強度，而且混凝土的抗收縮性和抗滲性得到了改善。王愛國等人[12]研究了鋼纖維與 MgO 膨脹劑復合使用對混凝土強度、透氣性和孔隙率的影響，得出了與孫偉等學者相近的結論，即鋼纖維與 MgO 膨脹劑可以使砂漿孔隙結構和混凝土纖維基體界面結構得到改善，從而提高混凝土力學和抗滲性能。但是 Toutanji[13,14]研究了聚丙烯纖維增強硅灰膨脹混凝土的氯離子滲透性，卻發現聚丙烯纖維會增加混凝土的孔隙率，因為纖維分散性差，且和水泥基體粘結性差，從而導致滲透性增加。所以如何提高混凝土中纖維分散性和與基體的粘結性是應該著重考慮的問題。

Corinaldesi[15]等發現如果一起使用 CaO 膨脹劑與鍍銅纖維，能極大增加混凝土抗彎強度。通過微觀分析，發現是由于在堿性環境下黃銅脫鋅，在纖維與水泥漿體界面形成羥基鋅酸鈣晶體，增加了纖維與基體之間的粘結力。其纖維與水泥漿體界面的微觀分析見圖 1。

纖維品種對膨脹補償收縮的混凝土的影響各不相同。Cao[16-18]研究了聚丙烯纖維和鋼纖維與膨脹劑聯用對自密實混凝土早期開裂的影響，結果發現聚丙烯纖維較鋼纖維有更好的抗裂效果，纖維與膨脹劑聯用比只用纖維的自密實混凝土，抗裂效果要高 70%。Afroughsabe[19]研究了雙鉤鋼纖維及膨脹水泥對纖維增強混凝土中的影響，結果發現用膨脹水泥在提高混凝土體積穩定性的同時，拉拔阻力較普通水泥提高了 26%。而雙鉤鋼纖維用其他纖維代替會引起強度的降低。

1.3 減縮劑和膨脹劑復合

Maltese[20]研究了氧化鈣類膨脹劑和丙二醇醚類減縮劑對水泥砂漿體積穩定性的影響，發現二者復合使用可以產生協同作用，從而大大減少砂漿的收縮。進一步通過微觀分析研究，作者認為減縮劑的有機疏水分子結構能減少水的介電常數，降低氫氧化鈣的溶解度，促進大量氫氧鈣石晶體的形成，產生體積膨脹，補償砂漿的收縮。

圖1 纖維的 SEM （大圖為纖維和膨脹劑，小圖為纖維）和能譜分析（記為 A,B,C）[15]

有學者通過研究單獨使用減縮劑（SRA）或膨脹劑時，并不能完全避免收縮開裂的風險，而 SRA 與膨脹劑復合，則可以產生協同效應，大大降低混凝土的收縮開裂[21]。SRA 的加入可以減少水分蒸發，使混凝土內部保持相對較高的濕度，為膨脹劑水化反應提供了良好的濕養護環境[22]。

Meddah[23]研究 SRA 和膨脹劑復合對硅灰高性能混凝土自收縮和自應力的影響，混合加入 SRA 和膨脹劑可顯著降低混凝土的自收縮和自拉應力，同時混凝土的劈裂拉伸和抗壓強度、彈性模量也略有降低。

Collepardi[24]將減縮型聚羧酸減水劑和 CaO 膨脹劑復合使用在沒有濕養護和收縮的室外樓板中。在堿性條件下，該減縮型聚羧酸減水劑的減縮基團會從主鏈上釋放出來，會減少孔隙溶液的表面張力，從而增加混凝土的限制膨脹率。該室外樓板澆筑 8 個月后，沒有明顯裂縫產生。

Monosi[25]研究了硫鋁酸鈣膨脹劑和減縮劑對不同水膠比砂漿的影響效果，結果發現減縮劑能增加砂漿的自由膨脹，卻不會增加其膨脹損失。同時，發現減縮劑會在早期輕微延遲鈣礬石的形成，而且會顯著改變鈣礬石晶體的形態，使其變得更為細長。SEM 微觀掃描圖片見圖 2。

Cheung[26]研究用硫鋁酸鹽水泥替代波特蘭水泥和添加 SRA 對不同水膠比的高強纖維增強水泥基復合材料收縮性能的影響。在低水膠比時，用 SRA 比硫鋁酸鹽水泥替代更能減少混凝土的收縮，而在高水膠比時，硫鋁酸鹽水泥替代普通水泥則更為有效。當二者聯用時，減縮效果最為顯著，可降低 70%～80% 左右。

圖2 (a) 6h 水泥凈漿 SEM 照片（不含 SRA)；(b) 6h 水泥凈漿 SEM 照片（含 SRA）[25]

1.4 減縮劑和纖維復合

水泥砂漿摻入纖維，會在拌和過程中引入大量的空氣，包裹在砂漿中的氣體會降低對砂漿的強度和耐久性[27]。Chan[28]發現在混凝土中加入 SRA，會破壞氣泡的穩定性，并使氣體在攪拌過程從混凝土中排出。另一方面，在纖維增強混凝土中，纖維的潤濕性對混凝土性能有重要影響。親水性的纖維，即具有較低的接觸角，更容易在其周圍形成更緊密的界面過渡區，與基體的結合力更強。而疏水性纖維則相反，它會排斥水分，形成多孔界面，與基體的結合力較弱。在混凝土中加入SRA，會降低水泥漿中的水的表面張力，減小接觸角，進而改善纖維—基體結合力[29-31]。Wang[32]研究了不同濃度的減縮劑對纖維增強水泥基復合材料的影響，SRA能減小纖維的接觸角，增加纖維的潤濕性。在纖維增強砂漿中加入 SRA，在減少砂漿含氣量的同時，還能顯著增加鋼纖維砂漿的抗彎強度。

Passuello[33]在纖維增強混凝土中加入減縮劑，即使纖維用量減少，也能產生較好的抗裂性能。在實際生產中，這可以使混凝土纖維更易分散均勻，而且可以降低成本。試驗結果如圖 3 所示。

Soliman[34]研究了硅灰石纖維和減縮劑對混凝土早期收縮和開裂的影響，結果表明，加入硅灰石纖維可以提高混凝土的早期抗壓強度，彌補了加入 SRA 引起的抗壓強度降低。同時加入硅灰石超細纖維降低了水下混凝土中 SRA 的浸出，提高了 SRA 減縮抗裂的效果。

Gong[35]在陶粒混凝土中添加減縮劑和聚丙烯纖維，發現二者混合使用可以極大降低陶粒混凝土的自收縮和干燥收縮。

圖3 減縮劑和纖維對混凝土裂縫寬度的影響

1.5 內養護和減縮劑復合

喬墩[36]研究了減縮劑預飽和輕骨料對水泥砂漿體積穩定性及力學性能的影響，發現減縮劑飽和輕骨料相比普通水飽和輕骨料，具有更好的減縮能力，且不會影響砂漿的強度。作者認為在水泥砂漿硬化后期，減縮劑才緩慢從飽和輕骨料釋放出來，發揮其減縮作用，從而避免了減縮劑對水泥水化的延遲作用。黨玉棟[37]將飽水輕骨料和 SRA 復合，能提高材料內部的相對濕度，減少砂漿的自收縮。

Wehbe[38]發現 SRA 的加入會延遲水化反應溫度峰值的出現，而 SAP 和 SRA 聯用，由于 SAP 的內養護作用，可使反應溫度峰值提前。這說明 SRA 會影響水泥的早期水化，而 SAP 由于內養護作用，可以一定程度上抵消這種影響。對水化度的測試也證明了此結論。試驗結果見圖 4[38]。

圖4 （a）水泥水化熱 （b）水化度

Zhutovsky[39]將內養護劑（預水飽和輕骨料和高吸水樹脂）與 SRA 復合使用，發現二者之間存在協同作用，可大大降低混凝土收縮開裂的可能性。但是同時內養護和 SRA 可能會對混凝土性質有一些影響，進而造成混凝土的開裂敏感性不同。

黨玉棟[40]通過在混凝土表面復涂減縮劑 SRA 和養護劑 CC，發現相比單獨使用其中一種，復涂 SRA 和CC 更能顯著提高混凝土的抗裂性能。二者之間存在疊加作用，可以更好地減少混凝土收縮和保持水分。

2 結語與展望

通過將多種減縮抗裂技術復合，可以彌補單一措施的不足，提高混凝土的綜合抗裂性能，具有極大的推廣應用前景。本文通過對已有研究成果的歸納總結，得出了以下結論：

（1）使用 SRA 會延遲水化反應，影響混凝土的早期強度。而與纖維、內養護劑結合使用，可以有效地改善混凝土的力學性能。

（2）膨脹劑和內養護劑復合，內養護劑的吸水—釋水作用，可以補充膨脹劑水化反應所需要的水分，同時與內養護產生疊加作用，大大提高混凝土抵抗收縮開裂的能力。

（3）纖維與 SRA 復合，SRA 可以改善纖維的潤濕性，形成更緊密的界面過渡區，使纖維和基體的結合力更強，不但能提高混凝土的力學性能，還能大大提高其抗裂性能。

（4）減縮劑與膨脹劑復合，可以產生協同和疊加作用，有限改善混凝土的收縮開裂，降低膨脹劑的養護要求。

雖然混凝土復合減縮抗裂技術在研究上取得了一定的突破和進展，眾多學者對其作用機理和其對混凝土的性能影響進行了深入研究和探討，但離實際應用，有以下方面仍需解決：

（1）目前的研究主要局限于實驗室的研究，缺乏實際工程的應用檢驗研究。如何通過復合減縮措施，在提高混凝土抗裂性能的同時降低成本，是決定其能否推廣應用的關鍵，也是目前需要迫切研究解決的問題。

（2）目前存在的減縮抗裂標準或施工指南，主要針對的是單一措施或者單一產品，對復合減縮措施的相關標準、配合比設計方法、施工指南，研究尚處于空白階段，這也制約了其推廣應用。