摘要：本文從裂縫與耐久性的關(guān)系，裂縫產(chǎn)生的原因分析、溫室效應和環(huán)境效應對混凝土性能的影響以及如何提高原狀混凝土耐久性提出一些看法供商榷和探討。
關(guān)鍵詞：裂縫、微裂縫、耐久性、溫室混凝土、原狀混凝土、早期熱裂縫
1．引言
過去，幾乎所有的設計文件或合同文件中，僅規(guī)定了混凝土的抗壓強度要求，即便是大型或特大型工程，最多不過提出混凝土的滲透性、抗凍性、極限拉伸值等指標，且這些指標也僅僅是“溫室混凝土”試驗指標。這些指標能不能真實反映現(xiàn)場“原狀混凝土”的特性尚且不說。但事實證明，即使經(jīng)過精心設計和試驗的溫室混凝土，不管其強度保證率多高，混凝土其他各項指標多優(yōu)越，它們一旦到了施工現(xiàn)場，這樣那樣的一些問題都出現(xiàn)了。比如：混凝土和易性（泌水、離析）發(fā)生變化，硬化后不久混凝土出現(xiàn)裂縫以及混凝土抵抗環(huán)境侵蝕的能力變差等等。
當然，任何技術(shù)進步和創(chuàng)造發(fā)明最初都要經(jīng)過反復的實驗室試驗和論證。比如：人類基因圖譜的最新發(fā)明以及克隆技術(shù)、納米技術(shù)的研究等等。實驗室試驗固然重要，它對預測混凝土的性能起著指導作用，但實驗方法和技術(shù)水平不能僅停留在現(xiàn)行規(guī)范限定的水平上，必須結(jié)合實際情況，不斷進行改進、創(chuàng)新和提高。只有這樣，混凝土技術(shù)才能發(fā)展，水平才會提高，人們的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性才能體現(xiàn)出來。
混凝土開裂就象人體患了慢性病一樣，需要更多的人花費更多的時間和巨額費用去“醫(yī)治”他。因此，預防裂縫比治療和處理裂縫更為實際和可行。混凝土一旦開裂，其耐久性會因環(huán)境外力作用而急速惡化，而惡化條件在混凝土結(jié)構(gòu)設計時難以考慮或考慮不周的，即使在“溫室混凝土”試驗階段也難以用合適的模型來考慮復雜環(huán)境的影響。這就是為什么“溫室混凝土”的各種性能都滿足特定設計要求，而混凝土仍然會出現(xiàn)惡化的現(xiàn)象，使建筑物在未達到設計壽命時就已趨向破壞。因此，今后在談到混凝土設計壽命時應建立混凝土“健康壽命”的概念。
2．裂縫、微裂縫和混凝土的耐久性的關(guān)系
通常認為引起混凝土惡化的主要原因，依此為鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿——骨料活性反應和酸性介質(zhì)侵蝕。但這四種因素中，膨脹和開裂都與水和空氣的存在相關(guān)，同時，水和空氣是侵蝕性物質(zhì)（例如Cl+、SO42+、CO2）在混凝土體內(nèi)擴散的載體。
一般來講，經(jīng)精心選擇適當混凝土組分、澆筑和振搗及養(yǎng)護良好的混凝土基本上是不透水的。因而，在復雜多變的環(huán)境條件下，其使用壽命也較長。然而，由于環(huán)境的作用，產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)物由此失去了運行時的水密性，抵抗上述惡化過程的能力減弱。在現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)中，開裂的事實說明：不管我們采用再多再先進的仿真模型和程序進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設計，將裂縫控制在預計的范圍內(nèi)，但這些裂縫最終擴展成貫穿性裂縫，危機到混凝土的健康壽命和正常運行。這說明我們對混凝土開裂控制的整體性沒有給予充分和足夠的重視。
混凝土表面裂縫是非常令人頭痛的，特別是當混凝土暴露在侵蝕性環(huán)境中以及受到反復循環(huán)荷載和裂縫內(nèi)水壓力時?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，在這種條件下，寬度大于0.3mm的裂縫是很難愈合的。相反，它們會由于滲漏和應力作用而擴展，因此給外界侵蝕性介質(zhì)提供了進出交換的口岸。
在混凝土設計與施工過程中，裂縫寬度常通過適當?shù)嘏渲弥鹘詈透苯顏砜刂?。對于現(xiàn)代大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（如：壩體內(nèi)的廊道和泄水孔洞等），常傾向于采用過量配筋，以限制和約束收縮開裂，這種措施無助于解決暴露在侵蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物的長期耐久性，而且這些裂縫大多都是在混凝土早期過程中形成的。因此，解決混凝土早期熱裂縫和早期塑性收縮裂縫無疑是一條較佳的途徑和措施。
眾所周知，配筋并不能消除或者減少混凝土內(nèi)的收縮裂縫，而只是把少而寬的裂縫分散為大量的微細裂縫，也正是那些肉眼看不見或檢測不到的微細裂縫，最終可能成為離子在混凝土與鋼筋表面之間遷移的通道。當結(jié)構(gòu)承載以及外界環(huán)境的侵蝕性作用，例如暴露于冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)中時，水泥砂漿與粗骨料間的過渡區(qū)原生的微細裂縫就會擴展。由于微裂縫和孔隙的存在，混凝土水密性逐步喪失，混凝土體內(nèi)達到飽水后，水和各種離子就很容易侵入，混凝土由于膨脹、開裂、失重和滲透性增大而進一步惡化。因此，混凝土的惡化并非單一環(huán)境作用數(shù)學疊加，而是復雜環(huán)境作用的物化超疊加效應。
在許多工程實踐中，由于沒有采取恰當和有效的抗裂手段和措施，或者采取的抗裂手段和措施不當，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應力和外界環(huán)境的作用下發(fā)展為更寬更深的裂紋，甚至最終形成貫通的毛細孔通道和裂縫，從而導致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設計強度遠未能充分發(fā)揮，嚴重的甚至威脅到工程的使用和安全。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，多數(shù)裂縫與荷載關(guān)系不大，相反，塑性收縮、干燥收縮、溫度變化、環(huán)境侵蝕等因素才是混凝土產(chǎn)生裂變和劣變的根源所在。以下圖1顯示混凝土劣變的整體模型。
3．混凝土裂縫產(chǎn)生的原因分析
通常，0.1～1.0mm寬的裂縫最初是由溫度梯度（包括凍融循環(huán)作用—）、濕度梯度、結(jié)構(gòu)物超載和化學侵蝕作用（如：鋼筋銹蝕、堿骨料反應）而引起的。早期裂縫常常是由于混凝土冷卻或干燥產(chǎn)生的收縮變形所致。剛硬化的混凝土暴露在外界溫度和濕度下會產(chǎn)生熱變形和收縮變形，其中任何一種變形都取決于環(huán)境的溫度和濕度、混凝土構(gòu)件的尺寸和幾何形狀、混凝土構(gòu)件受約束的程度、混凝土體內(nèi)的溫度、各種混凝土原材料的性能和配合比設計。
宏觀上，硬化混凝土在約束條件下，收縮變形會產(chǎn)生彈性拉應力，拉應力的近似值最初可假定為楊氏模量和變形的乘積，當誘導拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土材料就會開裂。但事實上，由于混凝土是一種兼具粘性和延展性（徐變）的復雜相組成的非均質(zhì)材料，一些應力被徐變松弛所釋放，混凝土是否產(chǎn)生裂縫是徐變應力松弛后的殘余應力所決定。收縮變形產(chǎn)生的拉應力與徐變松馳釋放的應力之間的相互作用是硬化混凝土早期開裂的中心問題（見圖2）。從圖2可以清楚地看到，約束收縮變形可通過提高混凝土抗拉強度、減少收縮變形、降低彈性模量和提高徐變變形等幾個參數(shù)來減小。
微觀上，由于混凝土是由不同相混合后復雜的物化反應形成的非均質(zhì)的材料。不同相之間存在著不同的應變能和不同的能量密度梯度。水化反應初期，由于水化反應放出大量的熱量，使水化產(chǎn)物的溫度急速上升，體積膨脹，相對與骨料而言，膨脹使得骨料和水化產(chǎn)物的界面出現(xiàn)錯位（或稱變形）或缺陷，而這些亞穩(wěn)狀態(tài)凝膠體錯位可能因水化反應的繼續(xù)和水化產(chǎn)物的增長得以填充而愈合。之后，由于能量密度梯度和能量的傳遞作用，水化產(chǎn)物的溫度開始下降，凝膠體體積收縮，而骨料相對于凝膠體而言，相當于剛性約束，于是在骨料的約束作用下，界面出現(xiàn)收縮錯位，當錯位產(chǎn)生的拉應力超出膠體的抗拉強度時，微細裂縫可能會產(chǎn)生。另外，施工振搗時，在骨料周圍形成泌水，泌水使骨料四周的膠體的水膠比（W/C+F）相對較大，這也就進一步證明了混凝土破壞是從界面過度區(qū)開始的事實。
4．溫室效應和環(huán)境效應
在引言中我們提出了“溫室混凝土”和“原狀混凝土”的概念。所謂“溫室混凝土”，就是按規(guī)范或規(guī)程要求，在室內(nèi)標準試驗條件下（溫度、相對濕度等）拌和、振搗、成型和養(yǎng)護后進行某項性能測試的混凝土。而“原狀混凝土”就是在施工現(xiàn)場自然環(huán)境條件下進行拌和、振搗、成型和養(yǎng)護的混凝土。因此，“溫室混凝土”和“原狀混凝土”存在很多差異，而這些差異不僅反映在設備、工藝和材料組成上，更重要的是反映在混凝土從制備開始到整個壽命期內(nèi)要承受復雜惡劣的自然環(huán)境作用。所以，盡量研究模擬特定工程環(huán)境條件進行設計和試驗。
在溫室內(nèi)，混凝土試件幾乎是沒有可見微裂縫的。在這種情況下，只要混凝土配合比設計的好，測得的耐久性指標一般來講都是比較理想的。然而，混凝土一旦開裂，其耐久性指標存在顯著的差異。國外有些研究者曾做過一項研究【1】，應用“反饋控制拉伸試驗”制備“可控裂縫寬度的圓柱體試件”進行開裂混凝土的滲透性研究。這項研究結(jié)果表明，當裂縫寬度在50μm內(nèi)時，對水的滲透作用影響不顯著，當裂縫寬度從50μm增大到200μm時，滲透性急速增加，且滲透速率基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫寬度200μm混凝土比裂縫寬度50μm混凝土的滲透性指標大3個量級（數(shù)千倍以上），裂縫寬度330μm混凝土比裂縫寬度50μm混凝土的滲透性指標大5個量級（數(shù)十萬倍以上）。另一項研究表明，開裂混凝土的滲透性與未開裂混凝土不同，且用水量高的混凝土的滲透性比用水量低的混凝土的滲透性大，開裂后，滲透性的差異變小，這進一步說明了開裂混凝土對滲透性影響極大。這里需要強調(diào)地是混凝土耐久性與時間長短（混凝土的壽命）相關(guān)，也就是說，設計者應充分考慮和建立結(jié)構(gòu)物一次性投入和全壽命期內(nèi)運行維護的綜合經(jīng)濟評價模型的設計觀念。
另外，就拿混凝土抗凍融循環(huán)來講，動彈模和重量損失都發(fā)生在混凝土表面，如果混凝土內(nèi)出現(xiàn)裂縫，與環(huán)境的接觸面積增大，盡管目前國內(nèi)還沒有從事開裂混凝土抗凍融循環(huán)的研究，但可以想象，開裂混凝土的抗凍融能力肯定比不未開裂混凝土的差。
溫室混凝土的強度發(fā)展過程線與原狀混凝土也極為不同，尤其表現(xiàn)在水化過程的成熟度大不一樣。典型的例子是挪威的Salhus橋，其溫室混凝土強度和溫度匹配情況下的強度發(fā)展見圖3。
5．如何提高原狀混凝土的耐久性
大量的實踐證明，裂縫是影響混凝土耐久性的真正根源，提高混凝土的耐久性就不象以前單純提高抗?jié)B和抗凍等指標，而應該更多的集中在如何預防混凝土開裂這一中心問題上來。也就是說，要樹立高性能混凝土（HPC）的設計理念，以較高的起點和平臺，以混凝土不裂或少裂為根本出發(fā)點，采用系統(tǒng)工程的方法綜合分析和評價混凝土的性能。因此，可以說提高混凝土耐久性主要還是歸屬于如何避免或盡可能的減少混凝土的裂縫。
5.1測試手段和方法
從測試手段和方法看，在以往研究混凝土的耐久性時，都是將環(huán)境因素簡化為某種理想情況下單一環(huán)境的，而且對于骨料最大粒徑較大（Dmax=76mm以上）的混凝土，耐久性測試用的混凝土都經(jīng)過濕篩處理，混凝土的組分發(fā)生了較大的變化，這樣測試的結(jié)果無法反映混凝土的組分對性能的真實影響。因此，要真正提高混凝土的耐久性，還得從原狀混凝土的耐久性研究著手，盡管這樣做的難度和工作量較大，但比起我們濕篩后做大量的試驗有意義的多。另外，正如前面所講的，裂縫對混凝土耐久性影響很大，如果在研究混凝土耐久性指標時盡可能的考慮裂縫的影響，我們就有可能在耐久性研究的道路上前進一大步或?qū)崿F(xiàn)新的飛躍。
5.2原材料優(yōu)選
5.2.1水泥
在選擇水泥時，在條件許可的情況下，應優(yōu)先選用收縮小的或具有微膨脹性的水泥。因為這種水泥在水化膨脹期（1d~5d）可產(chǎn)生一定的預壓應力，而在水化后期預壓應力部分抵消溫度徐變應力，減少混凝土內(nèi)的拉應力，提高混凝土的抗裂能力【2】。為此，水泥熟料中的堿含量低且適宜【3】，熟料中MgO含量控制在3.0%～5.0%，石膏與C3A的比值適當大一些，C3A、C3S和C2S含量應分別控制在5.0%以內(nèi)、50.0%左右和20.0%左右，這種熟料比例的水泥具有長期穩(wěn)定的微膨脹抗裂性能【2】。為了更定量化的評價相同水泥標準下性能大不相同的水泥，建議工程采用《應力測試環(huán)》和《開裂試驗架（TSM裝置）》評價和選擇水泥或水泥/粉煤灰混合膠凝材料。
5.2.2骨料
骨料在混凝土中所占比例較大，一般為混凝土絕對體積的60%～85%，因此，骨料的類型和性能對混凝土抗裂有著很大影響。在選擇骨料時，應選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈性模量低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。
過去，砂多采用天然的河砂或山砂，其中不凡含粘土顆?；驁F塊，在骨料規(guī)范中限制0.15mm篩下的細顆粒（稱石粉）的比例，尤其是0.075mm篩下的顆粒（稱細粉）量是不容質(zhì)疑的。但如今水電工程多采用人工破碎骨料，骨料中幾乎不含粘土顆?；驁F塊。因此，砂子中含適量的石粉或細粉比例不僅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密實性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之間為宜。二灘拱壩混凝土所用的正長巖人工破碎砂中石粉比例統(tǒng)計值為14%～17%，因此，二灘混凝土最大骨料粒徑為152mm的混凝土基本上無一裂縫。當然，這只是其中提高抗裂的一個因素而已。
5.2.3粉煤灰
筆者認為，粉煤灰只要細度與水泥顆粒相當，燒失量小，含硫量和含堿量低，需水量比小，均可摻用在混凝土中使用。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿集料反應，減少新拌混凝土的泌水等。這些諸多好處均將有利于提高混凝土的抗裂性能。
5.2.4硅粉
5.2.5減水劑
緩凝高效減水劑對減少混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力學、熱學、變形等性能起著極為重要的作用。
5.2.6引氣劑
引氣劑除了能顯著提高混凝土抗凍融循環(huán)和抗侵蝕環(huán)境的能力外，能顯著降低新拌混凝土的泌水，提高混凝土的工作度，降低混凝土的彈性模量（每增加1%的含氣量，彈性模量降低約1000Mpa），優(yōu)化混凝土體內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗凍性能。
5.2.7聚丙烯纖維
聚丙烯纖維的應用為防止混凝土產(chǎn)生早期塑性裂縫和早期熱裂縫開辟了一條斬新的途徑和方法。在混凝土施工過程中，因氣候原因（冷熱、干濕、高風速、強輻射）出現(xiàn)龜裂是司空見慣的。產(chǎn)生龜裂的主要原因是：一方面由于水泥水化反應形成C—S—H凝膠體時體積減小產(chǎn)生收縮，另一方面由于后期混凝土內(nèi)的自由水的蒸發(fā)而引起混凝土干縮所致。這些收縮會導致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，當這種應力超過混凝土基體的抗拉伸強度時就會出現(xiàn)微裂縫。而且這些微裂縫不可避免地存在于混凝土內(nèi)骨料和水泥砂漿界面的過度區(qū)處。通常，這種微裂縫在混凝土澆灌后的24小時內(nèi)就已產(chǎn)生（詳見表1），因此，減少混凝土的早期收縮應力是避免和防止混凝土裂縫產(chǎn)生的有效途徑。
表1—裂縫誘因與出現(xiàn)時間
裂縫類型 誘因 裂縫出現(xiàn)的時間
塑性安全期 過快的水分流失 10分鐘～3小時
塑性收縮期 干燥過快 30分鐘～6小時
過早的熱縮 溫差太大 1天～3周
長期的干燥收縮 伸縮縫設計不當 2周后
在許多工程實踐中，由于沒有采取恰當和有效的抗裂手段和措施，或者采取的抗裂手段和措施不當，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應力和外界環(huán)境的作用下發(fā)展為更寬更深的裂紋，甚至最終形成貫通的毛細孔通道和裂縫，從而導致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設計強度遠未能充分發(fā)揮，嚴重的甚至威脅到工程的使用和安全。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，多數(shù)裂縫與荷載關(guān)系不大，相反，塑性收縮、干燥收縮、溫度變化、環(huán)境侵蝕等因素才是混凝土產(chǎn)生裂變和劣變的根源所在。
通過理論分析和試驗研究，認為聚丙烯纖維通過阻止早期塑性收縮裂縫的發(fā)生并抑制裂縫的擴展，提高混凝土的抗裂、抗?jié)B、抗沖擊、抗凍融循環(huán)、抗氣水或氣水推移質(zhì)磨蝕能力、抑制或延緩鋼筋受腐蝕的發(fā)生時間，增強混凝土的韌性和延性，提高混凝土的綜合性能并延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命和提高可靠性和安全度。阻裂是通過摻加體積摻量為0.06%～0.1%（相當與0.6㎏/m3～0.9㎏/m3）的聚丙烯纖維，經(jīng)特殊工藝進行表面處理的聚丙烯纖維與水泥或膠凝材料之間產(chǎn)生極強的粘結(jié)力，大約1000～2000萬根的短纖維絲均勻徹底地分布在混凝土體內(nèi)，在混凝土體內(nèi)構(gòu)成一種均勻的亂向多維支撐體系，形成次要加強系統(tǒng)，有效阻止混凝土發(fā)生塑性開裂，提高硬化后混凝土介質(zhì)的連續(xù)性，有效控制混凝土體內(nèi)結(jié)晶體的移位，當增強了混凝土的抗動載能力和切斷介質(zhì)傳播的路徑和通道。
美國Webster工程協(xié)會完成了一系列纖維加強混凝土和基準混凝土（不摻纖維的普通混凝土）的比較試驗，兩者的實驗方法沒有區(qū)別。但結(jié)果卻表明：加入聚丙烯纖維的混凝土比普通混凝土降低裂縫形成15%。另外，美國Webster工程協(xié)會期望纖維的加入使壽命—應變曲線達到更高的水平，將普通混凝土和按0.9㎏/m3比例加入聚丙烯纖維的混凝土進行2小時、4小時和6小時試驗來確定各自開始裂縫的拉伸力，試驗結(jié)果表明，加入纖維可在混凝土形成的最關(guān)鍵階段提供大于普通混凝土40%的抗裂縫能力。
挪威水泥混凝土研究所也在STF65-＾85309報告中研究了聚丙烯纖維對混凝土裂縫的控制效果，試驗中將混凝土澆筑在有鋼輻條的鋼輪內(nèi)、外側(cè)，輻條可以拉伸混凝土，其中三個嵌在混凝土中，六個固定在砂漿中。所用混凝土專門設計對較大的裂縫敏感。報告的結(jié)論是：“每立方米砂漿中摻入1㎏聚丙烯纖維可降低裂縫形成50%；當改變摻入量為1.4㎏/m3，將顯著降低裂縫形成；當改用12.5㎜長纖維并按1.0㎏/m3加入時，實驗表明降低裂縫形成33%,而當這種長度的纖維摻加到1.4㎏/m3時，對裂縫形成沒有更進一步的降低” 。
更重要但通常被忽視的事實是一旦在鹽混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)腐蝕，腐蝕的速度就很關(guān)鍵。受腐蝕的鋼筋的體積占原鋼筋的二倍之多，這就在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生巨大的體積爆裂內(nèi)能，據(jù)美國國家標準局估計，內(nèi)部壓力可達27.56Mpa（4000psi），最終使混凝土裂縫以致從主筋上完全剝離。更進一步的研究熱點是引發(fā)腐蝕的機制。大量的試驗認為，主鋼筋嵌入混凝土的兩頭將形成一種“腐蝕電池”，這種鋼筋的兩頭之間就存在正負電勢差，于是有電流從中流過。鋼筋一層即巨電池的陰極剝落，將大大減緩鋼筋表層即陽極的腐蝕速度。
美國Webster工程協(xié)會使用的試驗法是把四根獨立的鋼筋棒澆筑在一個直徑為38㎜的混凝土圓柱體內(nèi)，四個棒是：
普通混凝土
按0.89㎏/m3加入合成纖維的混凝土
按水泥重量的12%加入氯化鈣的普通混凝土
每立方米加入0.89㎏/m3聚丙烯纖維和10%氯化鈣的混凝土
在養(yǎng)護28天后，將試件棒的1/3侵入含有15%氯化鈉的水中，考慮每個試件的腐蝕程度時，先用硫酸銅電極測量試件棒上的電勢差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二類試驗要求按每立方米混凝土加入0.89㎏/m3聚丙烯纖維。四組試驗中用同樣的混凝土。試驗中先澆筑直徑51㎜、長305㎜的普通混凝土圓柱體，然后在剩下的混凝土中加入聚丙烯纖維。
經(jīng)過28天養(yǎng)護后，將圓柱體侵入10%濃度的氯化鈉溶液中100㎜，然后將鋼筋棒嵌入混凝土中21天，每周測量電勢差3次以確定發(fā)生腐蝕的時間，兩塊普通混凝土試件在侵入10%濃度的氯化鈉溶液中后5～7天即達到腐蝕電勢差500mv，而兩塊加入聚丙烯纖維的混凝土試件在16～17天后仍未達到500mv的電勢差。很顯然，纖維的加入降低了氯離子的擴散速率，從而延遲了腐蝕的發(fā)生時間。
由于聚丙烯纖維類微纖維阻裂作用對混凝土性能的有益之處尚很難通過室內(nèi)試驗加以評價，而這些作用又客觀存在且被人們所廣泛認可，因此尋求更有效的測試手段和方法將是我們需要進一步探討的課題。
從配合比設計看，不論是普通混凝土還是高強混凝土或高性能混凝土，配合比設計的主要目的就是在滿足工程結(jié)構(gòu)設計的基礎上，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）復摻（摻高效減水劑、高性能引氣劑、聚合物微纖維和其它需要摻加的材料）一高（高粉煤灰摻量）”的混凝土配合比設計準則，采取合理的材料配伍，形成材料互補優(yōu)勢，配制出具有較強適應惡劣環(huán)境條件的低發(fā)熱量、中低彈性模量、低收縮或微膨脹、高徐變變形和高抗拉強度的抗裂混凝土。
5.2.8水
水對混凝土具有雙重作用，水化反應離不開水的存在，但多余水長存于混凝土體內(nèi)，不僅會對混凝土的凝膠體結(jié)構(gòu)和骨料與凝膠體間的界面過度區(qū)相的結(jié)構(gòu)發(fā)展帶來影響，而且一旦這些水分損失后，凝膠體體積會收縮，如果收縮產(chǎn)生的內(nèi)應力超過界面過度區(qū)相的抗力，就有可能在此界面區(qū)產(chǎn)生微裂縫（可能難以用肉眼或低倍光學顯微鏡看到，它是潛在的），降低混凝土內(nèi)部抵抗拉應力的能力。再者，大體積混凝土一般強度都不是很高，既是象二灘240m高的高拱壩，基礎約束區(qū)設計強度也僅為C35，即將興建的黃河拉西瓦拱壩和292m高的小灣高拱壩基礎約束區(qū)也沒有超過C40。在摻用高效減水劑使單位用水量減少后，混凝土溫升降低、材料節(jié)約、各齡期混凝土強度以及極限拉伸值等有不同程度的提高。從表2可以看出，在粉煤灰摻量、混凝土坍落度和水膠比基本相同的情況下，用水量從110kg/m3降低到85kg/m3時，膠材用量平均節(jié)約52kg/m3，絕熱溫升降低約5.37℃，各齡期混凝土的抗壓強度、抗拉強度和極限拉伸值的提高幅度是極其顯著的，因此，盡最大可能降低混凝土的單位用水量對提高大壩混凝土抗裂的貢獻也是顯著的。
5.3配合比設計
“三低復摻一高”的混凝土配合比設計準則是科學的。因為，坍落度低，泌水就小，因泌水而使混凝土界面出現(xiàn)較大空隙的機率減少，骨料和凝膠體間過度區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)得以改善。但混凝土可能會因坍落度小而產(chǎn)生離析，此時，由于混凝土中高摻粉煤灰，使混凝土的粘聚性提高，骨料分離現(xiàn)象得到遏制。采用砂率低，細骨料可能難以填充粗骨料空隙，但由于粉煤灰摻量高且其密度一般比砂小（粉煤灰密度一般為2.0～
表2—二灘拱壩招標與施工兩階段混凝土性能比較
工程 階段 Dmax(mm) FA/FA+C(%) W(kg/m3) C+FA(kg/m3) W/C+FA 抗壓強度/抗拉拉強/極限拉伸值 絕熱溫升(℃)
7d 28d 180d
二灘工程 招標 152 30 110 226.3 0.486 12.58/1.00/0.57 23.63/1.63/0.82 38.47/2.38/1.13 31.55
施工 152 30 85 173.5 0.490 12.60/1.16/0.83 27.30/1.93/0.87 41.00/3.31/1.21 26.41
差值 25 52.8 5.41
招標 152 30 110 211.9 0.519 10.89/0.90/0.53 19.80/1.42/0.74 32.66/2.10/1.02 30.08
施工 152 30 85 160.4 0.530 11.60/1.05/0.78 24.50/1.78/0.83 37.20/3.00/1.16 24.75差值 25 51.5 5.33
2.3，而砂子的密度一般在2.65左右），在低水膠比情況下，水泥砂漿體系的體積總量并沒有減少，而且砂子填充粗骨料空隙僅僅是物理機械填充，是相對靜態(tài)的，而粉煤灰部分替砂，部分作為膠凝材料，其填充空隙不僅有物理機械填充，而且還有化學反應動態(tài)填充。另外，采用上述配合比設計準則后，還可以解決特細砂混凝土易開裂的難題。
實際上，粉煤灰用量增加，減低水化熱的效果是明顯的【4】。過去，由于過分受經(jīng)驗、規(guī)范及純理論的指導，混凝土技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新受到束縛，以及對粉煤灰混凝土缺乏全方位長期研究，再加上研究粉煤灰混凝土時，總是以相同水膠比和坍落度做對比，這樣就限制了粉煤灰使用量的提高。但近期的一些研究表明【2】，用中熱水泥配制混凝土時，粉煤灰最大摻量可達到50%，用低熱水泥配制混凝土時，粉煤灰最大摻量可達到40%，這是因為低熱水泥中本身就混有相當比例的磨細礦碴或粉煤灰。當然，粉煤灰的用量還應考慮現(xiàn)場實際的可獲得性，否則，可能會因粉煤灰的短缺而影響工程正常施工和進度。典型的例子就是在1996年至1997年二灘拱壩高峰混凝土生產(chǎn)時，粉煤灰主供貨源何門口電廠的粉煤灰供應不上，而合同規(guī)定粉煤灰質(zhì)量和供貨不足以及價格風險均由業(yè)主承擔，此時業(yè)主面臨兩種選擇，一種選擇就是另找貨源，承擔質(zhì)量風險，另一種選擇是降低粉煤灰摻量，但以提高混凝土成本和犧牲混凝土的性能為代價，最后業(yè)主還是選擇其它兩個替代貨源，而這兩個貨源的粉煤灰除細度達不到合同規(guī)定的要求外，其它指標均滿足規(guī)定的要求，但對混凝土的性能并沒有造成任何影響。
5.4加強混凝土早期性能和過度區(qū)性能發(fā)展的研究
以往，人們過多的集中在研究混凝土的宏觀力學和變形性能上，對水泥——礦物摻和料——外加劑體系水化過程和過度區(qū)界面形成及結(jié)構(gòu)的研究較少。眾所周知，凝膠體和骨料的形態(tài)和結(jié)構(gòu)都比較致密，但它們混合組成混凝土后，在骨料和凝膠體間形成很薄的過度區(qū)，而恰恰是薄薄的過度區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)影響著混凝土的性能，尤其是早期抗裂性和抗?jié)B透性。因此，借助先進的聲光儀器，對優(yōu)化混凝土組分體系和改善混凝土性能研究是今后的一個方向。
早期性能對混凝土的影響不容忽視?；炷猎缙跇O易開裂，這是因為混凝土在2d～4d水化放熱溫升很高（一般在1d～3d內(nèi)溫升達最終溫升的一半以上），但這期間混凝土的強度和楊氏模量很低。國外Byfors和Umehera等人以做過一些試驗研究【5】，早期性能和后期性能之間存在“拐點”，這就是前面我們提到的“過境力學性能”的概念，見圖4。因此，加密混凝土早期強度、彈性模量、自身體積變形、干縮變形以及絕熱溫升等的發(fā)展演變對進一步認識和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各項性能有著很重要的指導意義。
6．討論和結(jié)語
從硅酸鹽水泥發(fā)明到現(xiàn)在，混凝土工業(yè)已經(jīng)歷了170多年的歷史，積累了相當豐富的經(jīng)驗，這是混凝土工業(yè)的驕傲。同時我們也應該清楚地看到，混凝土工業(yè)將面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括對環(huán)境的改善和資源的合理使用等。為了滿足現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展對資源的需求，預防混凝土開裂，提高混凝土的耐久性，延長混凝土的健康壽命是擺在我們每一個研究者面前的課題。因此，還應該根據(jù)實際工程的需要，從以下幾個方面進一步研究和探討：
?。?）今后混凝土應著重研究高抗拉強度、低彈性模量、徐變值較大、收縮變形小和發(fā)熱量低的高抗裂混凝土；
?。?）不受規(guī)范的約束，進行大摻粉煤灰或礦物摻和料原狀混凝土的長期性能研究；
?。?）進一步研制和開發(fā)高性能、多功能混凝土外加劑和其它聚合物產(chǎn)品，改善和提高混凝土的塑性和硬化性能。
?。?）開展開裂情況下混凝土的耐久性研究（如：混凝土抗?jié)B、抗凍、抗離子侵蝕、抗炭化等），建立裂縫和耐久性指標之間的相對關(guān)系。
（5）進行混凝土早期熱裂縫和早期性能的研究，進一步探討混凝土早期開裂的根源和裂縫評價準則。
參考文獻：
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【4】董國義，混凝土壩技術(shù)，水利水電混凝土壩信息網(wǎng)。1998。2
【5】Byfors.Plain concrete at early ages.Swidish Cement and Concrete
Institue,Fo 3：80,Stockholm 1980
關(guān)鍵詞：裂縫、微裂縫、耐久性、溫室混凝土、原狀混凝土、早期熱裂縫
1．引言
過去，幾乎所有的設計文件或合同文件中，僅規(guī)定了混凝土的抗壓強度要求，即便是大型或特大型工程，最多不過提出混凝土的滲透性、抗凍性、極限拉伸值等指標，且這些指標也僅僅是“溫室混凝土”試驗指標。這些指標能不能真實反映現(xiàn)場“原狀混凝土”的特性尚且不說。但事實證明，即使經(jīng)過精心設計和試驗的溫室混凝土，不管其強度保證率多高，混凝土其他各項指標多優(yōu)越，它們一旦到了施工現(xiàn)場，這樣那樣的一些問題都出現(xiàn)了。比如：混凝土和易性（泌水、離析）發(fā)生變化，硬化后不久混凝土出現(xiàn)裂縫以及混凝土抵抗環(huán)境侵蝕的能力變差等等。
當然，任何技術(shù)進步和創(chuàng)造發(fā)明最初都要經(jīng)過反復的實驗室試驗和論證。比如：人類基因圖譜的最新發(fā)明以及克隆技術(shù)、納米技術(shù)的研究等等。實驗室試驗固然重要，它對預測混凝土的性能起著指導作用，但實驗方法和技術(shù)水平不能僅停留在現(xiàn)行規(guī)范限定的水平上，必須結(jié)合實際情況，不斷進行改進、創(chuàng)新和提高。只有這樣，混凝土技術(shù)才能發(fā)展，水平才會提高，人們的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性才能體現(xiàn)出來。
混凝土開裂就象人體患了慢性病一樣，需要更多的人花費更多的時間和巨額費用去“醫(yī)治”他。因此，預防裂縫比治療和處理裂縫更為實際和可行。混凝土一旦開裂，其耐久性會因環(huán)境外力作用而急速惡化，而惡化條件在混凝土結(jié)構(gòu)設計時難以考慮或考慮不周的，即使在“溫室混凝土”試驗階段也難以用合適的模型來考慮復雜環(huán)境的影響。這就是為什么“溫室混凝土”的各種性能都滿足特定設計要求，而混凝土仍然會出現(xiàn)惡化的現(xiàn)象，使建筑物在未達到設計壽命時就已趨向破壞。因此，今后在談到混凝土設計壽命時應建立混凝土“健康壽命”的概念。
2．裂縫、微裂縫和混凝土的耐久性的關(guān)系
通常認為引起混凝土惡化的主要原因，依此為鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿——骨料活性反應和酸性介質(zhì)侵蝕。但這四種因素中，膨脹和開裂都與水和空氣的存在相關(guān)，同時，水和空氣是侵蝕性物質(zhì)（例如Cl+、SO42+、CO2）在混凝土體內(nèi)擴散的載體。
一般來講，經(jīng)精心選擇適當混凝土組分、澆筑和振搗及養(yǎng)護良好的混凝土基本上是不透水的。因而，在復雜多變的環(huán)境條件下，其使用壽命也較長。然而，由于環(huán)境的作用，產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)物由此失去了運行時的水密性，抵抗上述惡化過程的能力減弱。在現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)中，開裂的事實說明：不管我們采用再多再先進的仿真模型和程序進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設計，將裂縫控制在預計的范圍內(nèi)，但這些裂縫最終擴展成貫穿性裂縫，危機到混凝土的健康壽命和正常運行。這說明我們對混凝土開裂控制的整體性沒有給予充分和足夠的重視。
混凝土表面裂縫是非常令人頭痛的，特別是當混凝土暴露在侵蝕性環(huán)境中以及受到反復循環(huán)荷載和裂縫內(nèi)水壓力時?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，在這種條件下，寬度大于0.3mm的裂縫是很難愈合的。相反，它們會由于滲漏和應力作用而擴展，因此給外界侵蝕性介質(zhì)提供了進出交換的口岸。
在混凝土設計與施工過程中，裂縫寬度常通過適當?shù)嘏渲弥鹘詈透苯顏砜刂?。對于現(xiàn)代大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（如：壩體內(nèi)的廊道和泄水孔洞等），常傾向于采用過量配筋，以限制和約束收縮開裂，這種措施無助于解決暴露在侵蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物的長期耐久性，而且這些裂縫大多都是在混凝土早期過程中形成的。因此，解決混凝土早期熱裂縫和早期塑性收縮裂縫無疑是一條較佳的途徑和措施。
眾所周知，配筋并不能消除或者減少混凝土內(nèi)的收縮裂縫，而只是把少而寬的裂縫分散為大量的微細裂縫，也正是那些肉眼看不見或檢測不到的微細裂縫，最終可能成為離子在混凝土與鋼筋表面之間遷移的通道。當結(jié)構(gòu)承載以及外界環(huán)境的侵蝕性作用，例如暴露于冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)中時，水泥砂漿與粗骨料間的過渡區(qū)原生的微細裂縫就會擴展。由于微裂縫和孔隙的存在，混凝土水密性逐步喪失，混凝土體內(nèi)達到飽水后，水和各種離子就很容易侵入，混凝土由于膨脹、開裂、失重和滲透性增大而進一步惡化。因此，混凝土的惡化并非單一環(huán)境作用數(shù)學疊加，而是復雜環(huán)境作用的物化超疊加效應。
在許多工程實踐中，由于沒有采取恰當和有效的抗裂手段和措施，或者采取的抗裂手段和措施不當，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應力和外界環(huán)境的作用下發(fā)展為更寬更深的裂紋，甚至最終形成貫通的毛細孔通道和裂縫，從而導致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設計強度遠未能充分發(fā)揮，嚴重的甚至威脅到工程的使用和安全。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，多數(shù)裂縫與荷載關(guān)系不大，相反，塑性收縮、干燥收縮、溫度變化、環(huán)境侵蝕等因素才是混凝土產(chǎn)生裂變和劣變的根源所在。以下圖1顯示混凝土劣變的整體模型。
3．混凝土裂縫產(chǎn)生的原因分析
通常，0.1～1.0mm寬的裂縫最初是由溫度梯度（包括凍融循環(huán)作用—）、濕度梯度、結(jié)構(gòu)物超載和化學侵蝕作用（如：鋼筋銹蝕、堿骨料反應）而引起的。早期裂縫常常是由于混凝土冷卻或干燥產(chǎn)生的收縮變形所致。剛硬化的混凝土暴露在外界溫度和濕度下會產(chǎn)生熱變形和收縮變形，其中任何一種變形都取決于環(huán)境的溫度和濕度、混凝土構(gòu)件的尺寸和幾何形狀、混凝土構(gòu)件受約束的程度、混凝土體內(nèi)的溫度、各種混凝土原材料的性能和配合比設計。
宏觀上，硬化混凝土在約束條件下，收縮變形會產(chǎn)生彈性拉應力，拉應力的近似值最初可假定為楊氏模量和變形的乘積，當誘導拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土材料就會開裂。但事實上，由于混凝土是一種兼具粘性和延展性（徐變）的復雜相組成的非均質(zhì)材料，一些應力被徐變松弛所釋放，混凝土是否產(chǎn)生裂縫是徐變應力松弛后的殘余應力所決定。收縮變形產(chǎn)生的拉應力與徐變松馳釋放的應力之間的相互作用是硬化混凝土早期開裂的中心問題（見圖2）。從圖2可以清楚地看到，約束收縮變形可通過提高混凝土抗拉強度、減少收縮變形、降低彈性模量和提高徐變變形等幾個參數(shù)來減小。
微觀上，由于混凝土是由不同相混合后復雜的物化反應形成的非均質(zhì)的材料。不同相之間存在著不同的應變能和不同的能量密度梯度。水化反應初期，由于水化反應放出大量的熱量，使水化產(chǎn)物的溫度急速上升，體積膨脹，相對與骨料而言，膨脹使得骨料和水化產(chǎn)物的界面出現(xiàn)錯位（或稱變形）或缺陷，而這些亞穩(wěn)狀態(tài)凝膠體錯位可能因水化反應的繼續(xù)和水化產(chǎn)物的增長得以填充而愈合。之后，由于能量密度梯度和能量的傳遞作用，水化產(chǎn)物的溫度開始下降，凝膠體體積收縮，而骨料相對于凝膠體而言，相當于剛性約束，于是在骨料的約束作用下，界面出現(xiàn)收縮錯位，當錯位產(chǎn)生的拉應力超出膠體的抗拉強度時，微細裂縫可能會產(chǎn)生。另外，施工振搗時，在骨料周圍形成泌水，泌水使骨料四周的膠體的水膠比（W/C+F）相對較大，這也就進一步證明了混凝土破壞是從界面過度區(qū)開始的事實。
4．溫室效應和環(huán)境效應
在引言中我們提出了“溫室混凝土”和“原狀混凝土”的概念。所謂“溫室混凝土”，就是按規(guī)范或規(guī)程要求，在室內(nèi)標準試驗條件下（溫度、相對濕度等）拌和、振搗、成型和養(yǎng)護后進行某項性能測試的混凝土。而“原狀混凝土”就是在施工現(xiàn)場自然環(huán)境條件下進行拌和、振搗、成型和養(yǎng)護的混凝土。因此，“溫室混凝土”和“原狀混凝土”存在很多差異，而這些差異不僅反映在設備、工藝和材料組成上，更重要的是反映在混凝土從制備開始到整個壽命期內(nèi)要承受復雜惡劣的自然環(huán)境作用。所以，盡量研究模擬特定工程環(huán)境條件進行設計和試驗。
在溫室內(nèi)，混凝土試件幾乎是沒有可見微裂縫的。在這種情況下，只要混凝土配合比設計的好，測得的耐久性指標一般來講都是比較理想的。然而，混凝土一旦開裂，其耐久性指標存在顯著的差異。國外有些研究者曾做過一項研究【1】，應用“反饋控制拉伸試驗”制備“可控裂縫寬度的圓柱體試件”進行開裂混凝土的滲透性研究。這項研究結(jié)果表明，當裂縫寬度在50μm內(nèi)時，對水的滲透作用影響不顯著，當裂縫寬度從50μm增大到200μm時，滲透性急速增加，且滲透速率基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂縫寬度200μm混凝土比裂縫寬度50μm混凝土的滲透性指標大3個量級（數(shù)千倍以上），裂縫寬度330μm混凝土比裂縫寬度50μm混凝土的滲透性指標大5個量級（數(shù)十萬倍以上）。另一項研究表明，開裂混凝土的滲透性與未開裂混凝土不同，且用水量高的混凝土的滲透性比用水量低的混凝土的滲透性大，開裂后，滲透性的差異變小，這進一步說明了開裂混凝土對滲透性影響極大。這里需要強調(diào)地是混凝土耐久性與時間長短（混凝土的壽命）相關(guān)，也就是說，設計者應充分考慮和建立結(jié)構(gòu)物一次性投入和全壽命期內(nèi)運行維護的綜合經(jīng)濟評價模型的設計觀念。
另外，就拿混凝土抗凍融循環(huán)來講，動彈模和重量損失都發(fā)生在混凝土表面，如果混凝土內(nèi)出現(xiàn)裂縫，與環(huán)境的接觸面積增大，盡管目前國內(nèi)還沒有從事開裂混凝土抗凍融循環(huán)的研究，但可以想象，開裂混凝土的抗凍融能力肯定比不未開裂混凝土的差。
溫室混凝土的強度發(fā)展過程線與原狀混凝土也極為不同，尤其表現(xiàn)在水化過程的成熟度大不一樣。典型的例子是挪威的Salhus橋，其溫室混凝土強度和溫度匹配情況下的強度發(fā)展見圖3。
5．如何提高原狀混凝土的耐久性
大量的實踐證明，裂縫是影響混凝土耐久性的真正根源，提高混凝土的耐久性就不象以前單純提高抗?jié)B和抗凍等指標，而應該更多的集中在如何預防混凝土開裂這一中心問題上來。也就是說，要樹立高性能混凝土（HPC）的設計理念，以較高的起點和平臺，以混凝土不裂或少裂為根本出發(fā)點，采用系統(tǒng)工程的方法綜合分析和評價混凝土的性能。因此，可以說提高混凝土耐久性主要還是歸屬于如何避免或盡可能的減少混凝土的裂縫。
5.1測試手段和方法
從測試手段和方法看，在以往研究混凝土的耐久性時，都是將環(huán)境因素簡化為某種理想情況下單一環(huán)境的，而且對于骨料最大粒徑較大（Dmax=76mm以上）的混凝土，耐久性測試用的混凝土都經(jīng)過濕篩處理，混凝土的組分發(fā)生了較大的變化，這樣測試的結(jié)果無法反映混凝土的組分對性能的真實影響。因此，要真正提高混凝土的耐久性，還得從原狀混凝土的耐久性研究著手，盡管這樣做的難度和工作量較大，但比起我們濕篩后做大量的試驗有意義的多。另外，正如前面所講的，裂縫對混凝土耐久性影響很大，如果在研究混凝土耐久性指標時盡可能的考慮裂縫的影響，我們就有可能在耐久性研究的道路上前進一大步或?qū)崿F(xiàn)新的飛躍。
5.2原材料優(yōu)選
5.2.1水泥
在選擇水泥時，在條件許可的情況下，應優(yōu)先選用收縮小的或具有微膨脹性的水泥。因為這種水泥在水化膨脹期（1d~5d）可產(chǎn)生一定的預壓應力，而在水化后期預壓應力部分抵消溫度徐變應力，減少混凝土內(nèi)的拉應力，提高混凝土的抗裂能力【2】。為此，水泥熟料中的堿含量低且適宜【3】，熟料中MgO含量控制在3.0%～5.0%，石膏與C3A的比值適當大一些，C3A、C3S和C2S含量應分別控制在5.0%以內(nèi)、50.0%左右和20.0%左右，這種熟料比例的水泥具有長期穩(wěn)定的微膨脹抗裂性能【2】。為了更定量化的評價相同水泥標準下性能大不相同的水泥，建議工程采用《應力測試環(huán)》和《開裂試驗架（TSM裝置）》評價和選擇水泥或水泥/粉煤灰混合膠凝材料。
5.2.2骨料
骨料在混凝土中所占比例較大，一般為混凝土絕對體積的60%～85%，因此，骨料的類型和性能對混凝土抗裂有著很大影響。在選擇骨料時，應選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈性模量低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。
過去，砂多采用天然的河砂或山砂，其中不凡含粘土顆?；驁F塊，在骨料規(guī)范中限制0.15mm篩下的細顆粒（稱石粉）的比例，尤其是0.075mm篩下的顆粒（稱細粉）量是不容質(zhì)疑的。但如今水電工程多采用人工破碎骨料，骨料中幾乎不含粘土顆?；驁F塊。因此，砂子中含適量的石粉或細粉比例不僅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密實性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之間為宜。二灘拱壩混凝土所用的正長巖人工破碎砂中石粉比例統(tǒng)計值為14%～17%，因此，二灘混凝土最大骨料粒徑為152mm的混凝土基本上無一裂縫。當然，這只是其中提高抗裂的一個因素而已。
5.2.3粉煤灰
筆者認為，粉煤灰只要細度與水泥顆粒相當，燒失量小，含硫量和含堿量低，需水量比小，均可摻用在混凝土中使用。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿集料反應，減少新拌混凝土的泌水等。這些諸多好處均將有利于提高混凝土的抗裂性能。
5.2.4硅粉
5.2.5減水劑
緩凝高效減水劑對減少混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力學、熱學、變形等性能起著極為重要的作用。
5.2.6引氣劑
引氣劑除了能顯著提高混凝土抗凍融循環(huán)和抗侵蝕環(huán)境的能力外，能顯著降低新拌混凝土的泌水，提高混凝土的工作度，降低混凝土的彈性模量（每增加1%的含氣量，彈性模量降低約1000Mpa），優(yōu)化混凝土體內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗凍性能。
5.2.7聚丙烯纖維
聚丙烯纖維的應用為防止混凝土產(chǎn)生早期塑性裂縫和早期熱裂縫開辟了一條斬新的途徑和方法。在混凝土施工過程中，因氣候原因（冷熱、干濕、高風速、強輻射）出現(xiàn)龜裂是司空見慣的。產(chǎn)生龜裂的主要原因是：一方面由于水泥水化反應形成C—S—H凝膠體時體積減小產(chǎn)生收縮，另一方面由于后期混凝土內(nèi)的自由水的蒸發(fā)而引起混凝土干縮所致。這些收縮會導致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，當這種應力超過混凝土基體的抗拉伸強度時就會出現(xiàn)微裂縫。而且這些微裂縫不可避免地存在于混凝土內(nèi)骨料和水泥砂漿界面的過度區(qū)處。通常，這種微裂縫在混凝土澆灌后的24小時內(nèi)就已產(chǎn)生（詳見表1），因此，減少混凝土的早期收縮應力是避免和防止混凝土裂縫產(chǎn)生的有效途徑。
表1—裂縫誘因與出現(xiàn)時間
裂縫類型 誘因 裂縫出現(xiàn)的時間
塑性安全期 過快的水分流失 10分鐘～3小時
塑性收縮期 干燥過快 30分鐘～6小時
過早的熱縮 溫差太大 1天～3周
長期的干燥收縮 伸縮縫設計不當 2周后
在許多工程實踐中，由于沒有采取恰當和有效的抗裂手段和措施，或者采取的抗裂手段和措施不當，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應力和外界環(huán)境的作用下發(fā)展為更寬更深的裂紋，甚至最終形成貫通的毛細孔通道和裂縫，從而導致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設計強度遠未能充分發(fā)揮，嚴重的甚至威脅到工程的使用和安全。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，多數(shù)裂縫與荷載關(guān)系不大，相反，塑性收縮、干燥收縮、溫度變化、環(huán)境侵蝕等因素才是混凝土產(chǎn)生裂變和劣變的根源所在。
通過理論分析和試驗研究，認為聚丙烯纖維通過阻止早期塑性收縮裂縫的發(fā)生并抑制裂縫的擴展，提高混凝土的抗裂、抗?jié)B、抗沖擊、抗凍融循環(huán)、抗氣水或氣水推移質(zhì)磨蝕能力、抑制或延緩鋼筋受腐蝕的發(fā)生時間，增強混凝土的韌性和延性，提高混凝土的綜合性能并延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命和提高可靠性和安全度。阻裂是通過摻加體積摻量為0.06%～0.1%（相當與0.6㎏/m3～0.9㎏/m3）的聚丙烯纖維，經(jīng)特殊工藝進行表面處理的聚丙烯纖維與水泥或膠凝材料之間產(chǎn)生極強的粘結(jié)力，大約1000～2000萬根的短纖維絲均勻徹底地分布在混凝土體內(nèi)，在混凝土體內(nèi)構(gòu)成一種均勻的亂向多維支撐體系，形成次要加強系統(tǒng)，有效阻止混凝土發(fā)生塑性開裂，提高硬化后混凝土介質(zhì)的連續(xù)性，有效控制混凝土體內(nèi)結(jié)晶體的移位，當增強了混凝土的抗動載能力和切斷介質(zhì)傳播的路徑和通道。
美國Webster工程協(xié)會完成了一系列纖維加強混凝土和基準混凝土（不摻纖維的普通混凝土）的比較試驗，兩者的實驗方法沒有區(qū)別。但結(jié)果卻表明：加入聚丙烯纖維的混凝土比普通混凝土降低裂縫形成15%。另外，美國Webster工程協(xié)會期望纖維的加入使壽命—應變曲線達到更高的水平，將普通混凝土和按0.9㎏/m3比例加入聚丙烯纖維的混凝土進行2小時、4小時和6小時試驗來確定各自開始裂縫的拉伸力，試驗結(jié)果表明，加入纖維可在混凝土形成的最關(guān)鍵階段提供大于普通混凝土40%的抗裂縫能力。
挪威水泥混凝土研究所也在STF65-＾85309報告中研究了聚丙烯纖維對混凝土裂縫的控制效果，試驗中將混凝土澆筑在有鋼輻條的鋼輪內(nèi)、外側(cè)，輻條可以拉伸混凝土，其中三個嵌在混凝土中，六個固定在砂漿中。所用混凝土專門設計對較大的裂縫敏感。報告的結(jié)論是：“每立方米砂漿中摻入1㎏聚丙烯纖維可降低裂縫形成50%；當改變摻入量為1.4㎏/m3，將顯著降低裂縫形成；當改用12.5㎜長纖維并按1.0㎏/m3加入時，實驗表明降低裂縫形成33%,而當這種長度的纖維摻加到1.4㎏/m3時，對裂縫形成沒有更進一步的降低” 。
更重要但通常被忽視的事實是一旦在鹽混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)腐蝕，腐蝕的速度就很關(guān)鍵。受腐蝕的鋼筋的體積占原鋼筋的二倍之多，這就在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生巨大的體積爆裂內(nèi)能，據(jù)美國國家標準局估計，內(nèi)部壓力可達27.56Mpa（4000psi），最終使混凝土裂縫以致從主筋上完全剝離。更進一步的研究熱點是引發(fā)腐蝕的機制。大量的試驗認為，主鋼筋嵌入混凝土的兩頭將形成一種“腐蝕電池”，這種鋼筋的兩頭之間就存在正負電勢差，于是有電流從中流過。鋼筋一層即巨電池的陰極剝落，將大大減緩鋼筋表層即陽極的腐蝕速度。
美國Webster工程協(xié)會使用的試驗法是把四根獨立的鋼筋棒澆筑在一個直徑為38㎜的混凝土圓柱體內(nèi)，四個棒是：
普通混凝土
按0.89㎏/m3加入合成纖維的混凝土
按水泥重量的12%加入氯化鈣的普通混凝土
每立方米加入0.89㎏/m3聚丙烯纖維和10%氯化鈣的混凝土
在養(yǎng)護28天后，將試件棒的1/3侵入含有15%氯化鈉的水中，考慮每個試件的腐蝕程度時，先用硫酸銅電極測量試件棒上的電勢差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二類試驗要求按每立方米混凝土加入0.89㎏/m3聚丙烯纖維。四組試驗中用同樣的混凝土。試驗中先澆筑直徑51㎜、長305㎜的普通混凝土圓柱體，然后在剩下的混凝土中加入聚丙烯纖維。
經(jīng)過28天養(yǎng)護后，將圓柱體侵入10%濃度的氯化鈉溶液中100㎜，然后將鋼筋棒嵌入混凝土中21天，每周測量電勢差3次以確定發(fā)生腐蝕的時間，兩塊普通混凝土試件在侵入10%濃度的氯化鈉溶液中后5～7天即達到腐蝕電勢差500mv，而兩塊加入聚丙烯纖維的混凝土試件在16～17天后仍未達到500mv的電勢差。很顯然，纖維的加入降低了氯離子的擴散速率，從而延遲了腐蝕的發(fā)生時間。
由于聚丙烯纖維類微纖維阻裂作用對混凝土性能的有益之處尚很難通過室內(nèi)試驗加以評價，而這些作用又客觀存在且被人們所廣泛認可，因此尋求更有效的測試手段和方法將是我們需要進一步探討的課題。
從配合比設計看，不論是普通混凝土還是高強混凝土或高性能混凝土，配合比設計的主要目的就是在滿足工程結(jié)構(gòu)設計的基礎上，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）復摻（摻高效減水劑、高性能引氣劑、聚合物微纖維和其它需要摻加的材料）一高（高粉煤灰摻量）”的混凝土配合比設計準則，采取合理的材料配伍，形成材料互補優(yōu)勢，配制出具有較強適應惡劣環(huán)境條件的低發(fā)熱量、中低彈性模量、低收縮或微膨脹、高徐變變形和高抗拉強度的抗裂混凝土。
5.2.8水
水對混凝土具有雙重作用，水化反應離不開水的存在，但多余水長存于混凝土體內(nèi)，不僅會對混凝土的凝膠體結(jié)構(gòu)和骨料與凝膠體間的界面過度區(qū)相的結(jié)構(gòu)發(fā)展帶來影響，而且一旦這些水分損失后，凝膠體體積會收縮，如果收縮產(chǎn)生的內(nèi)應力超過界面過度區(qū)相的抗力，就有可能在此界面區(qū)產(chǎn)生微裂縫（可能難以用肉眼或低倍光學顯微鏡看到，它是潛在的），降低混凝土內(nèi)部抵抗拉應力的能力。再者，大體積混凝土一般強度都不是很高，既是象二灘240m高的高拱壩，基礎約束區(qū)設計強度也僅為C35，即將興建的黃河拉西瓦拱壩和292m高的小灣高拱壩基礎約束區(qū)也沒有超過C40。在摻用高效減水劑使單位用水量減少后，混凝土溫升降低、材料節(jié)約、各齡期混凝土強度以及極限拉伸值等有不同程度的提高。從表2可以看出，在粉煤灰摻量、混凝土坍落度和水膠比基本相同的情況下，用水量從110kg/m3降低到85kg/m3時，膠材用量平均節(jié)約52kg/m3，絕熱溫升降低約5.37℃，各齡期混凝土的抗壓強度、抗拉強度和極限拉伸值的提高幅度是極其顯著的，因此，盡最大可能降低混凝土的單位用水量對提高大壩混凝土抗裂的貢獻也是顯著的。
5.3配合比設計
“三低復摻一高”的混凝土配合比設計準則是科學的。因為，坍落度低，泌水就小，因泌水而使混凝土界面出現(xiàn)較大空隙的機率減少，骨料和凝膠體間過度區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)得以改善。但混凝土可能會因坍落度小而產(chǎn)生離析，此時，由于混凝土中高摻粉煤灰，使混凝土的粘聚性提高，骨料分離現(xiàn)象得到遏制。采用砂率低，細骨料可能難以填充粗骨料空隙，但由于粉煤灰摻量高且其密度一般比砂小（粉煤灰密度一般為2.0～
表2—二灘拱壩招標與施工兩階段混凝土性能比較
工程 階段 Dmax(mm) FA/FA+C(%) W(kg/m3) C+FA(kg/m3) W/C+FA 抗壓強度/抗拉拉強/極限拉伸值 絕熱溫升(℃)
7d 28d 180d
二灘工程 招標 152 30 110 226.3 0.486 12.58/1.00/0.57 23.63/1.63/0.82 38.47/2.38/1.13 31.55
施工 152 30 85 173.5 0.490 12.60/1.16/0.83 27.30/1.93/0.87 41.00/3.31/1.21 26.41
差值 25 52.8 5.41
招標 152 30 110 211.9 0.519 10.89/0.90/0.53 19.80/1.42/0.74 32.66/2.10/1.02 30.08
施工 152 30 85 160.4 0.530 11.60/1.05/0.78 24.50/1.78/0.83 37.20/3.00/1.16 24.75差值 25 51.5 5.33
2.3，而砂子的密度一般在2.65左右），在低水膠比情況下，水泥砂漿體系的體積總量并沒有減少，而且砂子填充粗骨料空隙僅僅是物理機械填充，是相對靜態(tài)的，而粉煤灰部分替砂，部分作為膠凝材料，其填充空隙不僅有物理機械填充，而且還有化學反應動態(tài)填充。另外，采用上述配合比設計準則后，還可以解決特細砂混凝土易開裂的難題。
實際上，粉煤灰用量增加，減低水化熱的效果是明顯的【4】。過去，由于過分受經(jīng)驗、規(guī)范及純理論的指導，混凝土技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新受到束縛，以及對粉煤灰混凝土缺乏全方位長期研究，再加上研究粉煤灰混凝土時，總是以相同水膠比和坍落度做對比，這樣就限制了粉煤灰使用量的提高。但近期的一些研究表明【2】，用中熱水泥配制混凝土時，粉煤灰最大摻量可達到50%，用低熱水泥配制混凝土時，粉煤灰最大摻量可達到40%，這是因為低熱水泥中本身就混有相當比例的磨細礦碴或粉煤灰。當然，粉煤灰的用量還應考慮現(xiàn)場實際的可獲得性，否則，可能會因粉煤灰的短缺而影響工程正常施工和進度。典型的例子就是在1996年至1997年二灘拱壩高峰混凝土生產(chǎn)時，粉煤灰主供貨源何門口電廠的粉煤灰供應不上，而合同規(guī)定粉煤灰質(zhì)量和供貨不足以及價格風險均由業(yè)主承擔，此時業(yè)主面臨兩種選擇，一種選擇就是另找貨源，承擔質(zhì)量風險，另一種選擇是降低粉煤灰摻量，但以提高混凝土成本和犧牲混凝土的性能為代價，最后業(yè)主還是選擇其它兩個替代貨源，而這兩個貨源的粉煤灰除細度達不到合同規(guī)定的要求外，其它指標均滿足規(guī)定的要求，但對混凝土的性能并沒有造成任何影響。
5.4加強混凝土早期性能和過度區(qū)性能發(fā)展的研究
以往，人們過多的集中在研究混凝土的宏觀力學和變形性能上，對水泥——礦物摻和料——外加劑體系水化過程和過度區(qū)界面形成及結(jié)構(gòu)的研究較少。眾所周知，凝膠體和骨料的形態(tài)和結(jié)構(gòu)都比較致密，但它們混合組成混凝土后，在骨料和凝膠體間形成很薄的過度區(qū)，而恰恰是薄薄的過度區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)影響著混凝土的性能，尤其是早期抗裂性和抗?jié)B透性。因此，借助先進的聲光儀器，對優(yōu)化混凝土組分體系和改善混凝土性能研究是今后的一個方向。
早期性能對混凝土的影響不容忽視?；炷猎缙跇O易開裂，這是因為混凝土在2d～4d水化放熱溫升很高（一般在1d～3d內(nèi)溫升達最終溫升的一半以上），但這期間混凝土的強度和楊氏模量很低。國外Byfors和Umehera等人以做過一些試驗研究【5】，早期性能和后期性能之間存在“拐點”，這就是前面我們提到的“過境力學性能”的概念，見圖4。因此，加密混凝土早期強度、彈性模量、自身體積變形、干縮變形以及絕熱溫升等的發(fā)展演變對進一步認識和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各項性能有著很重要的指導意義。
6．討論和結(jié)語
從硅酸鹽水泥發(fā)明到現(xiàn)在，混凝土工業(yè)已經(jīng)歷了170多年的歷史，積累了相當豐富的經(jīng)驗，這是混凝土工業(yè)的驕傲。同時我們也應該清楚地看到，混凝土工業(yè)將面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括對環(huán)境的改善和資源的合理使用等。為了滿足現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展對資源的需求，預防混凝土開裂，提高混凝土的耐久性，延長混凝土的健康壽命是擺在我們每一個研究者面前的課題。因此，還應該根據(jù)實際工程的需要，從以下幾個方面進一步研究和探討：
?。?）今后混凝土應著重研究高抗拉強度、低彈性模量、徐變值較大、收縮變形小和發(fā)熱量低的高抗裂混凝土；
?。?）不受規(guī)范的約束，進行大摻粉煤灰或礦物摻和料原狀混凝土的長期性能研究；
?。?）進一步研制和開發(fā)高性能、多功能混凝土外加劑和其它聚合物產(chǎn)品，改善和提高混凝土的塑性和硬化性能。
?。?）開展開裂情況下混凝土的耐久性研究（如：混凝土抗?jié)B、抗凍、抗離子侵蝕、抗炭化等），建立裂縫和耐久性指標之間的相對關(guān)系。
（5）進行混凝土早期熱裂縫和早期性能的研究，進一步探討混凝土早期開裂的根源和裂縫評價準則。
參考文獻：
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【2】儲傳英。三峽工程混凝土原材料研究。北京：水利電力出版社，1999
【3】Pierre Claver et al.Some Key Cement Factors that Control the
Compatibility Between Naphthalalene-based Superplastizers and Ordinary
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