高性能混凝土收缩开裂与对策研究

liuxinyv100 2016-06-26

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艾红梅 白雪娇

（大连理工大学，辽宁 大连 116024）

摘要：高性能混凝土具有很多优良性能，被广泛地应用于多种建筑结构，但是高性能混凝土的收缩开裂会影响其耐久性和使用寿命，因此高性能混凝土收缩性能的研究尤为重要。本文概括了混凝土收缩的类型，分析高性能混凝土收缩开裂的主要原因及其影响因素，并提出应对措施。

关键词：高性能混凝土；收缩开裂；自收缩；应对措施；

0 引言

高性能混凝土是以耐久性作为基本要求的混凝土。发展高性能混凝土有利于改善建筑物的使用功能，延长建筑的使用寿命，进而保护生态环境，促进经济社会的可持续发展。但在工程实践中，由于高性能混凝土具有水胶比较低、水泥用量较大以及砂率较高等特点，使得混凝土收缩较大，容易开裂。高性能混凝土有着与普通混凝土不同的结构特点，因而引起高性能混凝土收缩开裂的主要原因也与普通混凝土不同。

1 高性能混凝土的特点

1990年5月美国国家标准与技术研究院(NIST)和美国混凝土协会(ACI)召开会议，首次提出高性能混凝土(HPC)的概念，认为HPC是同时具有某些性能的匀质混凝土。不同国家、不同学者由于各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土有不同的定义和解释。吴中伟教授认为高性能混凝土是一种新型高技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土侧重于保证混凝土的耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。因此，高性能混凝土在配制上的特点是：低水胶比；选用优质原材料；除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效减水剂[1]。

高性能混凝土的微观结构特点如下：

(1)孔隙率低，基本上不存在大于100μm的大孔；

(2)水化物中Ca(OH)2减少，C-S-H凝胶和钙矾石增多；

(3)未水化胶凝材颗粒多，各中心质间距缩短，有利的中心质效应增多，中心质网络骨架强化；

(4)界面过渡层厚度小，水化物结晶颗粒尺寸减小，更接近于水泥石本体水化物的分布。

高性能混凝土的微观结构特点决定了其与普通混凝土的变形特征不同，随之带来了早期体积稳定性差，容易开裂等问题。

2 混凝土收缩的类型

2.1 塑性收缩

塑性收缩发生在新拌混凝土成型后最初的若干小时内，此时混凝土仍为塑性，还没有明显的强度。塑性收缩的原因可以归结于毛细管应力差。混凝土在浇注后的最初几个小时，在干燥或炎热气候条件下，当蒸发速率超过了泌水达到表面的速率时，在靠近表面的粒子(水泥和骨料)之间的水中将形成复杂的弯月面体系（见图1）。这种条件下的毛细作用，使得液体状态内的压力得以发展，从而产生塑性收缩[2]。

图1毛细管压力简图

高性能混凝土的水胶比低，自由水分少，表面水分蒸发快，所以高性能混凝土比普通混凝土更容易产生塑性收缩变形。

这一点可以通过加强高性能混凝土的早期养护来解决，例如采用喷雾养护可保持混凝土表面必要的湿度，防止毛细孔中水分蒸发，减少塑性收缩。见图2。

图2 混凝土早期养护

另外，王川等人的研究表明[3]，较低水灰比和较高水灰比对应的混凝土拌合物塑性收缩裂缝相对较小，而中间某一水灰比对应的裂缝最大。这一最大裂缝对应的拌合物水灰比为0.4或0.45左右。因此，对于高性能混凝土要注意水灰比的选择，在满足强度和耐久性要求的前提下，选择适宜的水灰比。

2.2 化学收缩

混凝土的化学收缩是指混凝土内水泥水化过程中，水化产物的绝对体积比水化前水泥与水的绝对体积之和减少的现象，主要是由于水化反应前后化合物密度不同所致。100 g水泥完全水化，水泥—水体系总体积约减少6mL左右，约占浆体总体积的7%~9%。化学收缩自水泥与水混合后即开始，至水泥水化完全结束。其中，只有极少部分表现为固相体积的减小，大部分转变为水泥浆体或混凝土内部的孔隙(或空气体积)。

高性能混凝土的水胶比低，水化程度受到制约，故高性能混凝土的化学收缩量会比普通混凝土小。此外，配制高性能混凝土都要掺加足够数量的矿物细掺料；而研究表明[4]，当粉煤灰以一定比例等量取代水泥掺入时，在水化早期因不参与水化并填充空隙而减少收缩，在后期因其活性组分SiO2、Al2O3与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应生成C-S-H凝胶体而弥补收缩，且二次水化速率缓慢，因而，粉煤灰对控制水泥及混凝土的早期及后期的化学收缩都是很有效的。

2.3 干燥收缩

干燥收缩简称干缩，是指混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔中的吸附水而发生的不可逆收缩。

图3 混凝土表面的干燥收缩裂缝

干燥收缩主要发生在表面，且只有混凝土暴露在非饱和空气里时才会产生。干燥收缩可能产生于混凝土构件的某一个表面，也可能产生于混凝土构件的各个表面或构件暴露于空气中的所有表面。干燥收缩有一个相当长的发展过程，2周、3个月、1年龄期的干燥收缩值分别为20年龄期干燥收缩值的14%～34%、40%～80%、66%～85%[5]。

混凝土中的孔隙是由新拌混凝土中填充水空间形成的，新拌混凝土的填充水空间越大，也就是水胶比越大，水化后混凝土的孔隙率越高。高性能混凝土水泥用量大、水灰比低，水化后孔隙率较低，未水化的水泥颗粒多，对水泥浆体的干燥收缩有抑制作用。因此，高性能混凝土的干燥收缩小于普通混凝土的干燥收缩[6]。另外，在高性能混凝土中掺入优质粉煤灰或细度与水泥相当的磨细矿渣，干燥收缩随矿物掺合料掺量（在一定范围内）的增加而减少。

2.4 温度收缩

温度收缩主要是由于混凝土内部温度随水泥水化而升高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。水泥的水化热、外界热源及环境温度的变化，是引起温度收缩的主要原因。一般情况下，水泥强度等级越高、水泥用量越大、入模温度越高，则温度收缩越大。

高性能混凝土水灰比小，单位体积混凝土中水泥用量大，在混凝土凝结硬化过程中水泥水化放出的热量多，温升快，混凝土内外温度越悬殊，在混凝土表面容易出现收缩开裂。在绝热状态下，每100 kg水泥水化可使混凝土升温10～12℃；高性能混凝土的温升一般可达35～40℃[7]。因此，高性能混凝土较普通混凝土温度收缩大。掺用粉煤灰，尤其是采用大掺量粉煤灰，取代一定量的水泥，使参与水化的水泥减少，放出的水化热量减少，可有效改善温度收缩。

2.5 碳化收缩

混凝土由于碳化作用引起的收缩称为碳化收缩。碳化作用是指大气中的二氧化碳在有水份存在的条件下与水泥的水化产物发生化学反应产生碳酸钙和游离水等产物，从而引起水泥石的收缩。

碳化作用在二氧化碳浓度高、干湿交替作用的环境中发展更为显著。高性能混凝土水胶比低，孔隙率小，且呈均匀小孔径分布，有利于减小碳化收缩。

碳化收缩在一般环境中并不作专门考虑，但在特殊环境中和对耐久性要求很高的工程中则应加以考虑。碳化作用的危害在于：碳化作用可使混凝土碱性状态中性化、pH值降低，钢筋的混凝土保护层完全碳化后，在水和氧气能渗入的条件下钢筋会发生锈蚀[6]。

2.6 自收缩

混凝土浇筑成型后，随着胶凝材料的水化，在和外界没有水分交换的情况下（即无重量损失），混凝土内部相对湿度降低，使得毛细孔因水分被吸收而变得不饱和，产生了混凝土内部的自干燥。毛细孔周围的水泥石结构承受自真空作用而产生真空向内拉紧力，由此引起的宏观体积减少即为混凝土的自生收缩。见图4。

图4 毛细孔中水的表面张力示意图

高性能混凝土的原材料与配合比，决定了它的早期水化速度快、自干燥程度高、自收缩大等特点，因此，高性能混凝土的自收缩比普通混凝土大得多。

研究表明：2个月龄期，水胶比为0.4的高性能混凝土自收缩为1×10-4；水胶比为0.3的高性能混凝土的自收缩为2×10-4；水胶比为0.17的高性能混凝土的自收缩为8×10-4。高性能混凝土的总收缩中干缩和自收缩几乎相等，水胶比越低，掺合料越细，自收缩所占比例越大[8]。

由以上分析可知，与普通混凝土相比，自收缩是影响高性能混凝土耐久性的突出因素。

3 影响高性能混凝土自收缩的因素及抑制措施

由自收缩的机理可知，混凝土自收缩的根源是水泥凝结硬化后的继续水化，条件是混凝土内部密实而水分迁移困难。因此，凡是加速密实混凝土中水泥水化的因素都能促进混凝土的自收缩。

3.1 水胶比

水胶比不同使混凝土有不同的密实度，影响混凝土内部水分的迁移，故对混凝土自收缩有重要的影响。水胶比越低，密封的水泥浆体或砂浆内部相对湿度随龄期的增长下降越快，自收缩也越大。

3.2 水泥品种

水化速率快的水泥，如早强水泥、铝酸盐水泥等自收缩较大。硅酸盐水泥的矿物组成中，C3A和C4AF对自收缩的影响最大。用中热或低热硅酸盐水泥制备的混凝土的自收缩值比普通硅酸盐水泥混凝土低得多。另外，水泥的细度对自收缩值也有影响，较细的水泥在早期表现出较大的自收缩速度[9]。

3.3 矿物掺合料

矿物掺合料，例如硅灰、粉煤灰、偏高岭土、磨细矿渣等都会对混凝土的自收缩产生影响。安明喆[10]等人的研究表明：掺入粉煤灰的混凝土同基准混凝土相比，初凝至1d龄期内的自收缩增长速率明显减小，但是1d至3d龄期的自收缩增长速率反而随粉煤灰掺量的增加而增大。在0~20%掺量范围内，随着粉煤灰掺量的增加，自收缩减少量增大，但是超过20%后减少幅度变小；掺加硅灰将大幅度增加自收缩值；在5%~10%取代水泥时，偏高岭土的掺人会增大自收缩量，当取代量达到15%~20%时，将会使自收缩减小[11]。

3.4 集料与纤维

集料因其弹性模量大于水泥浆体的弹性模量，故在混凝土中起限制变形的作用。一般情况下，高性能混凝土的自收缩均随骨料体积含量的增加而减小，并且同配比的混凝土其自收缩随骨料弹性模量的增加而减少。

纤维对高性能混凝土自收缩的抑制作用也类似骨料，通过对水泥石自干燥变形的约束作用减少自收缩。

3.5 化学外加剂

掺膨胀剂的混凝土在密封或者养护充分的条件下，有效的膨胀可以消除自收缩，而产生自膨胀现象；但是继续在干燥的环境条件养护下，其膨胀之后的收缩落差较不掺膨胀剂的混凝土更大[12]。

减缩剂通过减小孔隙水的表面张力而降低在干燥过程中表面应力的产生，即减小收缩。减缩剂在减少高性能混凝土的收缩中很有效。

3.6 自养护

自养护指混凝土硬化过程，构成混凝土的某组分将其内部“储存”的水分供给未水化水泥颗粒或活性矿物掺合料，使混凝土继续水化硬化的作用。目前，常用的多孔陶粒等轻质材料浸水饱和后作为骨料掺入到混凝土中，在不影响混凝土拌合物的流动性的基础上，将其内部粗大孔隙（与水泥石内部孔隙相比）中的的水分供给水泥石体系，一方面促进胶凝材料的进一步水化，另一方面可减少因水化引起的内部湿度的降低作用，进而通过第一类“自养护”作用达到抑制自收缩的目的。对于混凝土强度要求较高的高性能混凝土，浸水多孔骨料与普通砂石骨料按一定的比例掺入，在保证强度的条件下，可以抑制体系的部分自收缩。

沸石粉等多孔活性掺合料内部含有大量的微孔，在有水的条件下可吸附大量的水分。因此浸水饱和的沸石粉作为掺和料掺入到高性能混凝土内，通过沸石粉自身的活性参加水化反应，将其内部的水分释放出。同时，沸石粉的活性较高，一般不会降低混凝土的强度[13]。

4 抑制高性能混凝土自收缩开裂的措施

引起高性能混凝土收缩开裂的主要原因是自收缩，因此，抑制高性能混凝土的自收缩可采取下列几种办法：

（1）使用高C2S和低C3A或C4AF的硅酸盐水泥；

（2）尽量避免使用高细度的水泥和矿渣；

（3）选取合适的掺量，掺加粉煤灰等矿物掺合料；

（4）选用高弹性模量的骨料配制高性能混凝土；

（5）掺加纤维来抑制高性能混凝土的自收缩；

（6）掺加膨胀剂、减缩剂等外加剂；

（7）将轻质材料浸水饱和后作为骨料掺入到高性能混凝土中，通过“自养护“来抑制收缩。

高性能混凝土具有优良的耐久性，但是其收缩开裂会使耐久性受到较大影响。与普通混凝土相比，自收缩是影响高性能混凝土耐久性的突出因素。通过采取一定的措施，可以很好的抑制高性能混凝土的自收缩，充分发挥高性能混凝土的性能。

参考文献