混凝土結構防裂探討

[摘要]數十年來我國的混凝土與預應力混凝土技術取得了突出的進步。大量新型混凝土材料被用于建造高層建筑、大跨橋梁、重載鐵路和核電站等重要建筑。由于普遍使用早強高強的商品混凝土，混凝土結構的開列問題越來越嚴重。目前混凝土結構的開裂主要不是由于荷載的作用，而是變形所致，如溫度變形、收縮變形和基礎不均勻沉降變形等都可能引起混凝土結構的開裂。?

[關鍵詞]混凝土結構；裂縫；變形；耐久性??

1.混凝土結構裂縫種類

導致混凝土結構過早破壞的變形裂縫主要包括：塑性裂縫、溫度裂縫和收縮裂縫。

1.1塑性裂縫。在大水膠比的普通混凝土在澆筑時，在振動和重力的作用下，水泥漿上升，混凝土拌和物中粗骨料顆粒下沉，而這種塑性沉落受到模板、鋼筋和預埋件的擬制所引起。這種沉落一半到混凝土硬化時方停止。這種裂縫大多出現在混凝土澆筑后0.5～3ｈ之間，混凝土尚處在塑性狀態(tài)，混凝土表面水消失時立即產生，沿著梁及板上面鋼筋的走向出現。另外在施工過程中如果模板綁扎的不好，模板沉陷、移動時也會出現此類裂縫。在低水膠比的高強高性能混凝土中，澆筑后拌和物基本不沉降，也不泌水。當混凝土表面泌水速率小于水分蒸發(fā)速率時，由于表面失水干燥而產生裂縫。

1.2溫度裂縫。除環(huán)境溫度劇烈變化，造成溫度劇烈變化或結構溫度劇烈變化或結構中各部分溫度差別懸殊所導致的裂縫外，目前導致混凝土結構過早開裂的主要原因之一是混凝土硬化過程中水泥水化放熱，使混凝土結構內部溫度過分升高、內外溫差加大以及混凝土硬化后期降溫速率過大。雖然我國的混凝土結構施工規(guī)范有具體規(guī)定，但許多工程并未嚴格控制上述參數。由此造成的混凝土溫度收縮裂縫是十分普遍的。

1.3收縮裂縫。混凝土在體積收縮時受到外部或內部約束引起的裂縫。除溫度收縮裂縫外，還有干燥收縮裂縫是混凝土硬化后在較長時間內由于水分蒸發(fā)引起水泥石干燥收縮而導致的?；炷恋乃终舭l(fā)、干燥過程是由外向內、由表及里逐漸發(fā)展的，在這個過程中會產生干燥收縮裂縫。由于混凝土中水分蒸發(fā)、干燥非常緩慢，產生干燥收縮裂縫多數在一個月以上，有時甚至一年半載，而且裂縫多在表面很淺的位置，裂縫細微，呈平行線狀或網狀。自生干燥收縮，指混凝土與外界無濕度交換，由于水化反應使內部濕度降低所引起收縮。在普通混凝土中，主要是干燥收縮，自生收縮不超過50微應變，在總收縮量中所占比例很小，不必過分重視。而在高強或高性能混凝土中，自生收縮可達數百微應變，占總收縮量的一半左右，不可忽視。

2.混凝土結構裂縫產生的原因

變形作用引起的混凝土結構開裂的原因很復雜，它涉及到結構設計、材料組成、施工技術、環(huán)境狀態(tài)等諸多因素。而混凝土材料本身的組成與性質的變化，以及隨之而來的施工技術變化是現代混凝土結構容易開裂的重要原因。?

隨著水泥生產技術的發(fā)展，數十年來水泥的礦物組成與性能都有了很大變化。為了加快建設速度，要求水泥具有較高的早期強度和較快的強度發(fā)展速率，因此硅酸鹽水泥熟料的C3S含量越來越高，水泥的比表面積越來越大?，F在我國大型水泥廠生產的硅酸鹽水泥的C3S含量從20世紀30年代的30％左右到現在已超過50％，比表面積從過去的220m2/Kg到現在控制在340～370m2/Kg之間，根據1995年Gebhardt發(fā)表的調查報告[1]，過去的70年，美國ASTMI型硅酸鹽水泥的7d強度翻了一翻，從17MPa提高到31MPa；直到1953年，至少50％的具有中等水化熱的ASTMⅡ型硅酸鹽水泥的7d強度低于21MPa，而到1994年，這樣低強度的水泥已經沒有了，50％以上的ASTMⅡ硅酸鹽水泥的7d強度在31～38MPa之間?，F在美國市場上出售的硅酸鹽水泥很容易在3～7d達到ASTM28d最低強度要求。需求規(guī)律已將硬化較慢、但耐久性較好的水泥驅逐出市場。?

水泥組成與性能的巨大變化對混凝土耐久性的影響體現為：可以使用較少的水泥和較大的水灰比配置28d強度相同，但滲透性較大，而耐久性較差的混凝土。根據英國Wischer的報道，在1960年，需要配置30～35MPa的混凝土時，可以用350Kg/m3水泥、水灰比0.45來達到；在1985年，同樣的混凝土只需250Kg/m3水泥、0.6的水灰比就可以了。對于進行結構計算的設計者而言，這兩種混凝土是一樣的。然而，從微結構的角度來看，兩種混凝土的空隙率和滲透性就大不相同了。水灰比為0.6的混凝土的碳化速率比水灰比為0.45的混凝土大，前者對海水、凍融與化冰鹽導致的侵濕的抵抗能力也不如后者。?

受傳統(tǒng)觀念的束縛以及泵送施工的要求，我國許多商品混凝土攪拌站供應的預拌混凝土，普遍使用強度等級為32.5或42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥用量多大于300Kg/m3，礦物摻和料用量不超過膠凝材料總量的15％。由此使混凝土結構內部的水化溫升大，早期強度發(fā)展快，28d強度高。許多混凝土配合比的3d強度可達標準值的150％～200％。這樣的混凝土除浪費大量寶貴的自然資源外，還對混凝土結構的防止開裂帶來很大困難。

Mehta和Burrows認為美國自1974年以來橋面板的耐久性問題日益突出的直接原因是使用具有較高早期強度的水泥和混凝土[2]。Nevill指出標準中對水泥的細度、C3S含量和早期強度沒有限制導致了混凝土損壞程度增加[3]。高強混凝土在早期即具有高強度和彈性模量，如根據Krass和Rogalla實驗結果，1d抗壓強度為27.6～55MPa的高強混凝土的彈性模量可達28.8～35.8GPa，為普通混凝土的3至7倍。這導致混凝土的脆性增加和徐變能力明顯下降，由此引發(fā)早期裂縫的產生。所以在許多國家的現行標準中，對于水泥的強度是有限制的。美國ASTMC1157-98a“水硬性水泥的標準性能規(guī)范”中，規(guī)定通用水泥的3d和7d強度分別不得大于20MPa和30MPa；中熱水泥的3d和7d強度分別不得大于15MPa和20MPa。歐洲現行標準ENV97－1中，規(guī)定32.5級和42.5級水泥的28d強度最高分別不得超過42.5MPa和52.5MPa。這有利于控制混凝土的早期水化放熱和強度發(fā)展，降低其開裂趨勢；而且還可以減少資源消耗，減輕環(huán)境負擔。

3.控制混凝土結構產生裂縫的措施

3.1混凝土設計質量控制?；炷恋牧芽p是不可避免的，其微觀裂縫是由本身物理力學性質決定的，但可以通過合理調整混凝土配合比設計、提高混凝土生產質量、加強混凝土施工質量的措施來控制。

混凝土設計質量控制首先要合理設計混凝土配合比，單方混凝土水泥的用量應合理，水泥用量大、收縮大?；炷了冶仁怯绊憦姸群土芽p的主要因素之一，水灰比大的混凝土，其收縮亦大，也就容易產生裂縫，塑性沉落裂縫、干燥收縮裂縫都是由于混凝土單方用水量過大、混凝土過稀、坍落度過大，而且水分蒸發(fā)過快、過多造成的。因此嚴格控制混凝土水灰比即嚴格控制混凝土的用水量是減少裂縫的根本措施[4]。?

調整混凝土配合比首先應降低硅酸鹽水泥的用量，適當增加礦物摻和料，特別是粉煤灰的用量。這一方面可充分利用資源，符合可持續(xù)發(fā)展的原則；更重要的是可降低混凝土的抗裂能力。大量摻加礦物摻和料將使水化產物量大幅度減少，不能有效地膠結集料和填充空隙，對混凝土的性能產生不利影響。但現在由于高效減水劑的廣泛使用，混凝土的水膠比大大降低了。此時不再需要大量水化產物來填充空隙，只需要少量水化產物用于膠結各種顆粒。膠凝材料中的相當部分，不論是水泥還是礦物摻和料，僅起著填充微粒的作用。由于礦物摻和料的水化速率低，用其取代部分水泥，使其余水泥的表觀水灰比增加，提高了水化程度，使其能充分地發(fā)揮膠凝作用。所以經過適當養(yǎng)護的大摻量礦物摻和料混凝土具有較低的開裂趨勢、更好的密實性以及滿足要求的強度性能。如專門為深圳地鐵工程研制的高性能混凝土，設計強度等級C30，膠凝材料總量440Kg/m3，硅酸鹽水泥用量160～180Kg/m3，摻加復合礦物摻和料，水膠比0.4左右。其28d立方體抗壓強度仍達5020MPa，抗?jié)B等級大于P12，抗硫酸鹽侵蝕性、抗氯離子滲透性、抗鋼筋銹蝕性均比深圳本地常用的C30普通混凝土有較大幅度提高，完全能夠在有多種中等程度腐蝕性介質的地下環(huán)境中長期使用，滿足設計壽命要求。?

摻加輔助材料，提高混凝土的抗裂性能；摻加膨脹劑，配置補償收縮混凝土；或摻加低彈性模量的有機合成纖維，配置纖維混凝土，均可有效地提高混凝土的抗裂性能。?

我國在實際工程中使用補償收縮混凝土已達數千立方米，有大量成功的實例，但也有許多失敗的工程。目前膨脹劑生產廠家僅提供常用摻量的參考值，但膨脹劑的補償收縮的效能能否正常發(fā)揮則受工程環(huán)境條件的控制。這包括混凝土的體積、強度等級與強度發(fā)展速率、結構形式、配筋率、施工時的溫濕度和養(yǎng)護條件等。據有關資料得知：養(yǎng)護溫度對膨脹劑膨脹效能的影響效果是，在配合比和配筋率相同的條件下，在30℃和40℃養(yǎng)護的試件，其限制膨脹率最大；在7d比在20℃養(yǎng)護的試件提高一倍以上。在50℃養(yǎng)護的試件，其限制膨脹率與在20℃養(yǎng)護的試件相近，而在60℃養(yǎng)護的試件，其限制膨脹率最低[5]。如果以千篇一律的6％～8％，或8％～12％的摻量來應對千差萬別的實際工程，暗藏的風險是很大的。

在混凝土中摻入體積含量小于0.1％的有機合成纖維，主要是聚丙烯纖維，基本不會提高強度，但能改善混凝土的脆性破壞特性，減少混凝土塑性收縮裂縫，提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，顯著改善混凝土的抗裂性能，尤其是防止塑性開裂為最。但是根據中國建材研究院最新的試驗結果，摻加廠家推薦摻量的單絲有機合成纖維對降低高強混凝土的開裂趨勢沒有明顯的效果；而網狀PP纖維則可明顯降低高強混凝土的開裂趨勢。廣州新中國大廈，建筑面積8000m2，在平均厚度超過600mm的地下室底板的施工中，采用聚丙烯纖維增強C60混凝土的方案，整個大面積底板未發(fā)現明顯裂縫，完全滿足設計要求[6]。

3.2混凝土生產質量控制。

混凝土具有很高的抗壓強度和很低的抗拉強度，應嚴格控制混凝土原材料的質量和技術標準，從而降低收縮應力和溫度應力，減少裂縫的產生。優(yōu)先選用低水化熱的收縮量水泥，如中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，在摻加泵送劑或粉煤灰時，也可選用礦渣硅酸鹽水泥。水泥的細度要符合國家標準，細度大的水泥易產生干燥收縮裂縫。