高性能混凝土裂縫的產生和控制

高山鵬 劉海軍

摘要：本文主要研究高性能混凝土應用中的一個棘手問題——裂縫。系統介紹裂縫產生和發展的原因，主要包括混凝土收縮（自生收縮、溫度收縮和干燥收縮）和養護因素的影響，通過大量分析工程資料和實地勘察，總結一般情況下裂縫的發展趨勢，以求對新工程中將要出現的裂縫進行必要的預測。通過實驗提出抑制裂縫過早出現和發展的措施，包括：對比研究粉煤灰、礦渣以及不同水泥品種的選用和高效減水劑等外加劑的選取對裂縫的抑制作用，尋求高抗裂性能混凝土原材料的選用和粉煤灰及礦渣單摻與多摻的最佳摻量，提出了對工程實際有實際意義的裂縫控制措施。

關鍵字：高性能混凝土；裂縫；收縮；粉煤灰；礦渣

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

高性能混凝土（簡稱HPC）是指采用高效減水劑，摻入粉煤灰、超細礦渣等活性細摻料，在較低水灰比的情況下實現新拌混凝土的高工作度、在混凝土硬化后其細觀結構致密的混凝土，其主要優點被稱為“三高”[1]，即高耐久性、高強度和高工作性?；谶@些優點，高性能混凝土近年來廣泛應用于高層、大跨的現代建筑和橋梁結構中，并取得非常好的效果，但也暴露出很多缺點，不容忽視，尤其是早期裂縫問題。

一般來說，混凝土結構的裂縫可以分為兩類，一類屬于荷載裂縫，即在結構承受荷載作用下才產生的開裂現象，這類裂縫僅占裂縫總量的20%，另一類叫做非荷載裂縫，即在除荷載以外其他作用下產生的裂縫，這類裂縫占總量的80%，其中主要是收縮裂縫，即由于混凝土硬化過程中收縮導致其張力大于混凝土抗拉應力時產生的裂縫。根據混凝土收縮的原因不同，通常將收縮分為自生收縮、溫度收縮和干燥收縮等，所謂自生收縮[2]，是指由于高性能混凝土水灰比較低，自由水不足，且密實度高，當自由水被耗盡后，原來自由水占據的空間成為近似真空而產生向內的孔隙壓力導致的混凝土收縮，對于普通混凝土結構，自生收縮引起的裂縫僅占總裂縫的很小一部分，但對于高性能混凝土，自生收縮裂縫可占到總裂縫量的一半左右，因而自生收縮是導致高性能混凝土開裂的主要原因。研究表明，自生收縮從混凝土凝結硬化起就已經開始了，尤其在其硬化的前幾周內，此時混凝土的強度還很低，抗拉強度很小，結構極易開裂，因此高性能混凝土早期開裂問題是一個非常普遍且嚴重的問題。

針對這個問題，許多研究人員和施工工作者根據自己多年的工作經驗提出很多行之有效的措施，[4]比如調節粉煤灰和超細礦渣的摻量、添加高效減水劑和礦渣活化劑等外加劑、選擇合理的水泥品種、加強養護時間控制等等，這里我們將通過分析各種影響裂縫出現和發展的因素找到控制高性能混凝土早期裂縫的有效措施。

1、1. 粉煤灰摻量對裂縫的影響

粉煤灰是從燃燒后的工業廢氣中回收的煙塵，對減少空氣污染有很重要的作用，其主要成分是有活性的氧化鋁、二氧化硅、鐵的氧化物以及未燃燒的碳等，將粉煤灰摻入混凝土主要有三方面作用：

(1) 形態效應：粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，其密度小于水泥密度，因而用它替換部分水泥后，除填充結構體積外，還能很好的增強混凝土漿體的和易性。

(2)火山灰效應：粉煤灰中的氧化鋁、二氧化硅等硅酸鹽玻璃體能與水泥和石灰中的氫氧化鈣發生反應，生成硅酸鈣凝膠，這一方面使得砂漿強度有所增強，另一方面也消耗了強度低、穩定性差的氫氧化鈣，提高了混凝土的體積穩定性。

(3)微集料效應：可以將分散在混凝土中的粉煤灰顆?？醋魑⒓?，形成小范圍內的微集料混凝土，這樣混凝土的工作性和耐久性可以顯著提高。

基于以上優點，在高性能混凝土的應用中，工程中普遍選用粉煤灰做活性添加劑,福州大學土木學院做過的實驗表明，[3]隨著粉煤灰摻量的增加，對高性能混凝土的自生收縮有明顯的改善作用；隨著混凝土強度等級的提高，其白收縮值隨之增大。如圖1所示：

圖1粉煤灰摻量分別為0、10%、20%、30%、40%（質量比）時自生收縮值

Fig.1 Value of autogenous shrinkage strain at proportion of 0,10%,20%,30% and 40% of fly ash

這可能是由于：在混凝土中摻加粉煤灰，相當于降低水泥用量，提高水灰比。而由于粉煤灰的火山灰性質，使得混凝土早期單位體積水化產物的數量減少，即水化程度較低使得混凝土的孔隙率相對較高，內部的相對濕度降低也較慢。實驗表明，粉煤灰摻量對干燥收縮的影響與自生收縮類似，粉煤灰摻量為30％時，兩種收縮值降低幅值都較大?？梢娺m當摻加粉煤灰不僅可以提高高性能混凝土的強度，還可以顯著提高其抗裂能力。

2、大摻量超細礦渣和聚丙烯纖維共同摻加對裂縫的影響

超細礦渣粉是指符合國家標準的?；郀t礦渣經干燥、粉磨到達相當細度且符合相應活性指數的粉體，其中起主要作用的是活性的二氧化硅?；炷林袚饺氤毜V渣，除了可以降低水灰比、減小坍落度損失、降低水泥用量和水化熱、提高混凝土的抗凍性和抗腐蝕性、延長結構使用壽命外，還可以顯著增強高性能混凝土的抗裂性，因為在混凝土硬化過程中，超細礦渣中的某些成分可以跟水泥發生反應，使混凝土體積有所膨脹，抵消補償由于收縮引起的部分收縮應力和體積損失，減少裂縫的出現。[6]一般來講，超細礦渣的摻量在水泥質量的50%左右。

在提高高性能混凝土工作性能的同時，摻加超細礦渣還有些不容忽視的缺陷，如導致混凝土脆性大、和易性和可泵性差等問題，基于此，南京水利科學研究院的多名學者提出在高性能混凝土中加入礦渣活化劑和聚丙烯纖維來提高其抗裂性能，并進行了試驗對比。[7]

試驗選取三個不同配比的對比試驗，第一組不摻加礦渣、纖維和活化劑，第二組用超細礦渣替代61%的水泥，并加入4%的礦渣活化劑，摻加礦渣活化劑有助于改善高性能混凝土的工作性和其體積穩定性，第三組在第二組的基礎上再加入0.9kg/m3的聚丙烯纖維，試驗結果如表1：

表1 不同配比混凝土試塊的強度對比

Table.1 Strength of different concrete samples

組 立方體抗壓強度

/MPa 軸心抗壓強度

/MPa 軸心抗拉強度

/MPa 抗拉彈性模量

/GPa 抗壓彈性模量

/GPa 極限拉應變×10-6

28d 56d

第一組

T1 56.2 56.9 47.4 2.68 40.0 31.6 115.1

第二組

T2 43.1 47.1 44.3 2.52 33.6 32.4 125.0

第三組

T3 43.0 47.6 43.1 2.60 33.5 31.6 137.5

從表1中可以看到，T2、T3與T1相比，早期強度均較低，這是因為摻入超細礦渣后混凝土中水泥量減少導致PH值降低，活性的硅酸鹽和鋁酸鹽溶解能力下降，導致生成水化硅酸鈣減慢，因而砼強度提高很慢；T2與T3相比，摻加聚丙烯纖維后的極限拉應變明顯增大，且T3的極限拉應變已超過混凝土的極限拉伸值，說明摻加聚丙烯纖維能提高混凝土抗拉能力，進而顯著提高其抗裂能力，[1][8]表面裂縫情況對比如圖2：

圖2混凝土表面裂縫狀況

Fig.2 Situation of cracks on surface of concrete samples

對比發現，T2比T1裂縫明顯減少，T3表面沒有明顯裂縫，說明復摻礦渣活化劑和聚丙烯纖維的效果非常理想。

3、其他方面對裂縫的影響

除粉煤灰、礦渣、礦渣活化劑和外加纖維以外，高效減水劑、引氣劑、膨脹劑等外加劑的適當選用以及合理的養護對高性能混凝土裂縫的出現開展也有很好的抑制作用，例如，采取內養護技術[9]，即在混凝土內部加入飽水內養護劑，在結構缺水時可以從中析出水供混凝土使用；早期供水養護對粉煤灰高性能混凝土的強度和收縮有極大的影響，帶模供水養護可以有效抑制混凝土的收縮，在養護水中使用減縮劑也有減小收縮的作用。[10]

4、結語

通過實驗分析，關于抑制高性能混凝土早期裂縫的方法，我們有以下結論：

（1）適當摻加粉煤灰替代部分水泥，一般替代30%時抗裂性能最佳；

（2）當超細礦渣摻量超過50%時，要加入礦渣活化劑以增強混凝土的體積穩定性和工作性；

（3）每立方米加入0.9kg聚丙烯纖維，可顯著提高高性能混凝土的抗拉能力；

（4）加強早期養護供水可以有效降低混凝土收縮量。

（5）

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