唐健慧

1 概述

高性能混凝土以耐久性為首要設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以為基礎(chǔ)設(shè)施工程提供 100年以上的使用壽命。區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土，高性能混凝土具有高耐久性、高工作性、高強(qiáng)度和高體積穩(wěn)定性等許多優(yōu)良特性。但是實(shí)際工程表明，即使是肉眼不可見的微裂縫，對(duì)高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的負(fù)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(jié)構(gòu)裂縫

混凝土的結(jié)構(gòu)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(kuò)展的結(jié)果。一般認(rèn)為，混凝土的結(jié)構(gòu)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(xiàn)較少，多數(shù)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(xiàn)為內(nèi)部裂縫和表面裂縫，寬度可達(dá)1mm～4mm，嚴(yán)重時(shí)上下貫穿;它與混凝土及其各組分的熱膨脹系數(shù)、內(nèi)部最高溫度和降溫速度等因素有關(guān)。降低溫升，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，使用熱膨脹系數(shù)低的集料是防止溫度應(yīng)力的措施。

2.3 混凝土收縮裂縫

實(shí)際工程中，混凝土由于受到基礎(chǔ)、鋼筋或其他相鄰部分的牽制而處于不同程度的約束狀態(tài)，因此，混凝土的收縮在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這種拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度以后，混凝土即產(chǎn)生裂縫。并且，混凝土內(nèi)集料的存在，也會(huì)約束水泥基相的收縮，從而引起混凝土的水泥石內(nèi)產(chǎn)生裂縫。收縮主要包括塑性收縮、化學(xué)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(chǎn)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(chǎn)生變形，對(duì)這些變形的約束使混凝土產(chǎn)生早期裂縫。影響混凝土早期溫度開裂的因素有以下幾點(diǎn):

1)水泥品種。不同品種的水泥對(duì)抗裂性能的影響。首先是溫度發(fā)展的影響。其次，不同水泥有不同的變形特性，這也會(huì)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(yīng)該滿足如下條件:在最初 12 h內(nèi)彈性模量發(fā)展較快，以獲得相對(duì)較大的預(yù)壓應(yīng)力;同時(shí)此階段內(nèi)水化放熱應(yīng)十分小。

2)粉煤灰等礦物摻合料。粉煤灰的微集料填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、滾珠效應(yīng)，大大改善混凝土的工作性、抗裂抗?jié)B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(shí)摻加膨脹劑，達(dá)到補(bǔ)償收縮的效果。在一定摻量范圍(2%～40%)內(nèi)，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(shì)，裂縫出現(xiàn)的初始時(shí)間有所推遲;但當(dāng)粉煤灰摻量較高(為60%)時(shí)，高性能塑性裂縫總面積又有增大趨勢(shì)，裂縫出現(xiàn)的初始時(shí)間縮短。摻量對(duì)裂縫最大寬度的影響與對(duì)裂縫總面積的影響趨勢(shì)是相同的，它們之間具有較好的相關(guān)性?；炷了终舭l(fā)速率隨粉煤灰摻量增大而升高?？梢?，在一定摻量范圍內(nèi)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(shù)的骨料可以減小混凝土的溫度變形，減小混凝土收縮時(shí)的約束應(yīng)力，從而獲得較低的開裂敏感性。另外，碎骨料對(duì)于混凝土的抗拉強(qiáng)度是有益的，因?yàn)榇植诘谋砻婵梢援a(chǎn)生較大的粘著力，提高抗拉強(qiáng)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(shí)對(duì)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(huì)降低混凝土的抗拉強(qiáng)度。

4)外加劑。高效減水劑用于減少混凝土用水量而提高強(qiáng)度或節(jié)約水泥時(shí)，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(shí)，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(guò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(gòu)件，混凝土溫升也快，因?yàn)檩^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(huán)境最低溫度低于第二零應(yīng)力溫度，那么混凝土在降溫至環(huán)境溫度過(guò)程中所產(chǎn)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(tài)下硬化的混凝土，其抗拉強(qiáng)度會(huì)比較低，這是因?yàn)樾纬傻乃a(chǎn)物(CSH)強(qiáng)度較低，這些都會(huì)導(dǎo)致較高的澆筑溫度對(duì)應(yīng)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(chǎn)生的機(jī)理，可知預(yù)防或減少塑性裂縫的基本出發(fā)點(diǎn)在于:1)降低混凝土表面毛細(xì)管水的蒸發(fā)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(qiáng)度。

4.1 優(yōu)化配合比

通過(guò)各項(xiàng)基礎(chǔ)材料的擇優(yōu)選取，從源頭上減少裂縫的出現(xiàn)，水泥材料選取時(shí)，應(yīng)結(jié)合高性能混凝土特性，宜選用較少用量達(dá)到較高強(qiáng)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(qiáng)型水泥及立窯水泥。選取骨料時(shí)，骨料的含泥量影響著混凝土的收縮，所以嚴(yán)格控制粗細(xì)骨料含泥量小于 1%，細(xì)骨料含泥量小于 2%。細(xì)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(dòng)性，對(duì)強(qiáng)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(zhì)的含量以及材料強(qiáng)度活性，礦物摻合料是高性能混凝土不可缺少的組分。針對(duì)水膠比參數(shù)，在保證混凝土的密實(shí)度，及滿足施工和易性的前提下，應(yīng)盡量降低水膠比。關(guān)于水泥用量在滿足規(guī)范范圍內(nèi)應(yīng)盡量少，用干縮率小的細(xì)摻料(粉煤灰、磨細(xì)礦渣等)部分替代，以減少水化熱、收縮等負(fù)面效應(yīng)。

4.2 改善施工工藝

1)根據(jù)施工配合比把各材料投入攪拌機(jī)中，計(jì)量要準(zhǔn)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(shí)間要比普通混凝土延長(zhǎng) 30 s。

2)高性能混凝土對(duì)用水量很敏感，施工前必須標(biāo)定或校核量水系統(tǒng)，并扣除集料將帶入的游離水。應(yīng)杜絕商品混凝土中途或現(xiàn)場(chǎng)摻水事件的發(fā)生。

3)混凝土振搗要密實(shí)，不漏振，也不過(guò)振。各部位混凝土振搗時(shí)間和次數(shù)必須均勻，尤其是配筋密集的施工部位，不能對(duì)有的部位進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的振搗，而有的部位漏振，否則混凝土的均勻度、密實(shí)度差，易導(dǎo)致開裂，影響混凝土的抗?jié)B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(xiàn)。

4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)

1)早期供水養(yǎng)護(hù)要及時(shí)、充分?；炷灵_始凝固時(shí)，表面尚未形成毛細(xì)管彎液面，故此時(shí)對(duì)表面進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)。初凝后混凝土體系逐步失去塑性，水泥石的進(jìn)一步水化使水分消耗引起絕對(duì)體積的減少，形成孔隙。如果沒有及時(shí)供水養(yǎng)護(hù)，隨著水分的蒸發(fā)，以及混凝土的進(jìn)一步水化，在表面形成毛細(xì)孔彎液面，其對(duì)于孔壁產(chǎn)生拉力，使混凝土表面處于受拉狀態(tài)。由于此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度非常低，極易產(chǎn)生表面裂縫和管壁裂縫。當(dāng)毛細(xì)管壁的阻力超過(guò)水的表面張力，使毛細(xì)管水間斷，此時(shí)水分不能從表面向內(nèi)部遷移，這種水分的供給作用消失，故后期即使表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，所起到的養(yǎng)護(hù)作用已不顯著。由此可見，早期供水養(yǎng)護(hù)可及時(shí)地抑制混凝土的早期自收縮。

2)早期保溫養(yǎng)護(hù)要及時(shí)、充分。這主要由于早期混凝土內(nèi)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(shí)混凝土的極限拉伸率小，低溫季節(jié)或溫度較低時(shí)，如果養(yǎng)護(hù)不采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?，容易產(chǎn)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(duì)于塑性混凝土來(lái)說(shuō)可以認(rèn)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(jié)力、機(jī)械齒合力等，增加了材料抵抗塑性開裂的抗拉強(qiáng)度，混凝土初裂時(shí)間延遲，甚至不出現(xiàn)開裂，即使出現(xiàn)開裂，裂縫擴(kuò)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(cuò)的纖維材料，使得水分遷移較為困難，混凝土水分蒸發(fā)速率有減小趨勢(shì)，使毛細(xì)管失水收縮有所減小。

5 結(jié)語(yǔ)

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(guò)對(duì)施工中高性能混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因進(jìn)行分析，提出有針對(duì)性的防治措施，對(duì)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(guó)鐵道出版社，1999: 125-128.

[2] CECS 207∶2006，高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

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