水工混凝土抗裂性研究

劉 湛

（北京建筑大學城市經濟與管理學院， 北京 102616）

0 引言

混凝土抗裂性是指混凝土在內外部應力包括環境作用下抵抗裂縫生成的能力，其本質是局部拉應力超過了材料的抗拉強度導致受拉破壞。在混凝土養護早期，由于其強度較低，干縮和溫度變形產生的應力是造成這種裂縫產生的主要原因；養護的中后期，裂縫產生大多與外部荷載有關。實際工程中，混凝土是采有帶裂縫的工作方式，而裂縫的數量和其發展程度對混凝土力學及耐久性能有巨大的影響。

由于抗裂性是一個定性的概念，一般只能通過是否開裂來評價，然而對裂縫的認定具有一定的主觀性，而且在不發生開裂時我們仍然需要一定的數值指標來表示混凝土抵抗裂縫的潛在能力，并以此為依據優化混凝土配合比設計。

1 抗裂性影響因素

混凝土的抗裂性可以從兩方面來對待：一是材料本身的抗裂性；二是施工、環境條件對混凝土的影響。就材料本身而言，影響其抗裂性能的因素也比較多，大致可以分為三類：力學類、變形類、熱學類，這三類因素可以通過公式相互轉換。下面分析幾個最基本的因素與混凝土抗裂性的聯系。極限拉伸變形：變形較大的混凝土能夠抵抗更大應力，具有更好的抗裂性。軸心抗拉強度：在高強混凝土中還與骨料本身強度有關。拉伸彈性模量：數值越大，材料脆性強，抗裂性差。自身體積變形：在外部約束情況下，混凝土自身體積收縮表現為內部拉應力，而體積膨脹則表現為內部壓應力。干縮：受環境濕度影響，養護早期，干縮占總體收縮變形的比例很大。徐變：對大體積混凝土來說，徐變越大，應力松弛越大，對抗裂性有利。

理想中具有優秀抗裂性能的混凝土應取各項參數的最優點，但實際上由于參數之間相互影響制約，往往不能達到全部取到最優值，而且實際工程中也不可能只考慮抗裂性而忽視力學及其他耐久性能。由于混凝土的抗裂性與上述多種參數相關，若使用其中單個參數作為抗裂性評價依據將有很大的片面性，與實際情況可能不符。因此，需要提出一個綜合以上多種參數的抗裂性評價指標。

2 抗裂性評價指標

2.1 簡易指標

我國DL/T5108-1999《混凝土重力壩設計規范》提出將極限拉伸值和允許溫差作為抗裂設計指標，通常在大壩混凝土溫度應力計算及裂縫控制時，往往會采取提高混凝土極限拉伸值的方法來滿足防止裂縫的目的。只用極限拉伸值來評價混凝土的抗裂性能有一定的片面性。對此，我們還采用以下指標進行評定：熱強比、彈強比、拉壓比、抗拉韌性等。

以上指標具有數據簡單易得的優點，大多使用了常用的力學參數，由于缺乏對變形的考量，因此抗裂性的表述并不完整，尤其對于不同原材料及配合比的混凝土可比性較差?；诖耍瑖鴥炔糠謱W者發展了多種評價指標。

2.2 發展的指標

目前，混凝土的抗裂性指標得到了較好的發展，很多學者都對其計算方法進行了詳細的分析和論證。

李光偉認為混凝土的自由體積變形削弱了混凝土的抗裂性，并建議以混凝土的抗裂變形指數B，即混凝土在外荷載的作用下的荷載變形與自由體積變形之比作為混凝土的綜合抗裂能力指標，其計算方法如下：式中：ε1為混凝土的荷載變形，ε0為自由體積變形。既考慮了混凝土在拉力下的瞬時變形和徐變變形，又考慮了自身水化反應導致的溫度變形和自身體積變形。

曾力等綜合混凝土的抗拉強度、極限拉伸值、抗拉彈性模量和溫度變形等主要因素，提出了抗裂性指標Φ，該值能反應出混凝土階段性的抗裂能力，Φ值越大，抗裂性能就越好。但是該抗裂性指標未能考慮混凝土干縮、自生體積變形等因素。方坤河等在此基礎上加入了干縮和自生體積變形等因素，提出了混凝土抗裂指數η。

此外，還有抗裂安全系數Kf、抗裂度因子K0、防裂溫降以及開裂風險系數等。

3 抗裂性評價的試驗方法

3.1 平板法

在對混凝土抗塑性收縮和干燥收縮開裂的研究中，美國密西根州立大學的Dr. Soroushia研究小組采用了一種彎起鋼板約束的平板式試驗裝置；另一種研究混凝土抗裂性的平板試驗裝置及測試方法由美國圣約瑟大學的Karri提出。

表2 兩種平板法的特點對比

如上表所示， Dr. Soroushian平板法試件較厚，能夠支持二級配混凝土的測試，其缺點在于提供的約束不夠，且表面光滑約束程度太低；Karri平板法是大面積的薄板，僅能進行水泥凈漿或砂漿試驗，若測試混凝土則需要通過5mm濕篩澆筑，無法說明骨料在混凝土中所起的抗裂作用，其優點在于鋼筋網提供的約束程度較高，底部的薄膜能底表面也能自由收縮。就干燥方式而言，前者模擬了實際環境可能的干燥條件，后者則更傾向于極限試驗，測試了極限條件下的收縮開裂。

平板法具有簡單易操作的特點，能有效研究混凝土或砂漿的干縮開裂情況，其缺點是約束不均勻，因此得到的指數可能有較大的離散型，且對水化熱溫升的敏感性不高，在評價大體積混凝土抗裂能力時有很大缺漏。

3.2 圓環法

該試驗可用來研究由于自收縮和干燥收縮產生的自應力對混凝土抗裂性的影響。研究實踐表明，圓環試驗在研究水泥漿和砂漿的抗裂性時，由于水泥漿和砂漿環的收縮能沿環比較均勻的分布，所以試驗效果明顯；而由于混凝土中粗骨料的存在，使混凝土環表面水份蒸發受到一定阻礙，從而使混凝土的外表面不能沿環均勻的收縮，且粗集料對裂縫限制分散作用，使混凝土表面容易形成不可見的微裂紋，使得可見裂紋的最大寬度對混凝土的抗裂性評價受到影響。但與平板法相比，圓環法給混凝土提供了完全的均勻的約束，在很大程度上體現了混凝土在約束條件下收縮和應力松弛的綜合作用，能有效的評價混凝土的抗裂性能。

3.3 溫度-應力試驗方法

溫度-應力試驗是指采用開裂試驗架或溫度-應力試驗機(TSTM)評價混凝土抗裂性能的一種基于水平方向單軸約束的試驗方法，實質是進行溫度仿真、約束仿真以及從混凝土試件澆筑開始至開裂進行過程仿真的試驗。

混凝土澆筑后由于水化溫升，溫度逐漸上升，同時帶來體積膨脹，內部主要為膨脹壓應力（溫度應力）；隨后由于水化導致的自身體積收縮和溫度降低收縮，混凝土的內壓力逐漸降低，經歷應力零點后顯示為內拉力；試件在設定的溫度歷程下降溫，直至收縮開裂試驗終止。

目前，國內外學者已采用溫度-應力試驗方法進行了多項研究，探究混凝土的開裂條件和抗裂性能。經過幾十年的發展，溫度-應力試驗方法得到不斷改進，為混凝土抗裂性評價提供了一套較為精密的參數。當下的問題在于各參數的相互影響關系尚不明確，評價的理論基礎有待完善，如何從繁復的參數中找到決定性的評價指標。

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，主要是從原材料優選和配合比優化方面入手，原材料方面在允許的條件下選用低熱水泥，適當情況可以考慮微膨脹水泥；選用線膨脹系數小、強度適宜的優質骨料；使用粉煤灰等活性摻合料能有效提高材料抗裂性能；合理使用外加劑。配合比優化主要是在水膠比、水泥用量等方面，綜合優化材料的強度、韌性、水化熱溫升。材料的抗裂性影響因素較多，應根據工程實地的氣候條件和材料限制，找到關鍵的決定因素，在可選的材料范圍內通過不同配合比的抗裂性試驗找到適宜的組合，最終達到抗裂性與混凝土強度及耐久性的平衡點。

4.2 施工和養護措施

優化材料只是提高抗裂性的一個方面，實地的施工和養護措施對早期混凝土的防裂尤為重要，高質量的施工和早期養護能有效減少微裂紋的產生，極大限制裂縫的生長發展。就大體積混凝土而言，主要是在溫濕度方面：合理控制澆筑溫度，夏季可以通過預冷骨料或用冷水拌制混凝土，同時避免在高溫下澆筑，盡量選擇夜間施工；冬季應加強原材料保溫，氣溫過低時不宜施工。加強濕養護，混凝土硬化后應及時灑水或噴霧養護，尤其注意在高溫、大風條件下及時補水，防止表面干縮。降低溫差，對于混凝土水化熱溫升，應及時合理通水降溫，減小內外溫差；在冬季或在晝夜溫差較大時應鋪蓋棉被或設置保溫層，降低環境與混凝土本體的溫差。合理分縫分塊，使混凝土適應溫度變化引起的體積變形，減小溫度應力。

5 總結

混凝土抗裂性對其服役生命有很大影響，裂縫通過與各類病害的相互作用會導致惡性循環?？沽研员旧硎且粋€受多種因素影響的復雜問題，多因素之間有耦合作用，無法通過單因素確定最優組合。除此以外，對抗裂性的優化同時還需要兼顧滿足力學要求和耐久性要求，達到多方平衡。

目前，已有考慮因素較為全面的混凝土的抗裂性指標，但各指標的有效性有待考證，不同指標的評價結果有的還有較大差異，似乎很難發展出一種統一適用的抗裂指標。在此條件下，應聯系工程實際，采用合適的抗裂指標對混凝土抗裂性進行評價。

平板法和圓環法作為一種簡單易行的抗裂性評價方法，更適用于暴露面積/體積比值較大的情況，不適宜大體積混凝土抗裂性評價。溫度-應力試驗方法作為一種過程仿真模擬，能夠提供混凝土澆筑直至降溫開裂的全過程數據，為研究人員提供了大量分析數據，這一方法是抗裂性研究的發展趨勢，應加強理論研究，優化試驗方法，深入剖析各參數在評價混凝土抗裂性方面的基礎意義，推動混凝土抗裂性試驗結果的定量化。

研究者和工程師應從材料優化和加強施工方面著手，注意提高混凝土的抗裂性，尤其是要加強對混凝土早期的養護。在材料受限的條件下，高質量的施工和養護對提高抗裂性具有舉足輕重的作用。