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(yīng)和環(huán)境效應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)文件或合同文件中，僅規(guī)定了混凝土的抗壓強(qiáng)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(biāo)，且這些指標(biāo)也僅僅是“溫室混凝土”試驗(yàn)指標(biāo)。這些指標(biāo)能不能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)“原狀混凝土”的特性尚且不說。但事實(shí)證明，即使經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的溫室混凝土，不管其強(qiáng)度保證率多高，混凝土其他各項(xiàng)指標(biāo)多優(yōu)越，它們一旦到了施工現(xiàn)場(chǎng)，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(dāng)然，任何技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)造發(fā)明最初都要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)固然重要，它對(duì)預(yù)測(cè)混凝土的性能起著指導(dǎo)作用，但實(shí)驗(yàn)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(shí)際情況，不斷進(jìn)行改進(jìn)、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(huì)提高，人們的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性才能體現(xiàn)出來(lái)。
混凝土開裂就象人體患了慢性病一樣，需要更多的人花費(fèi)更多的時(shí)間和巨額費(fèi)用去“醫(yī)治”他。因此，預(yù)防裂縫比治療和處理裂縫更為實(shí)際和可行。混凝土一旦開裂，其耐久性會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)難以考慮或考慮不周的，即使在“溫室混凝土”試驗(yàn)階段也難以用合適的模型來(lái)考慮復(fù)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(shè)計(jì)要求，而混凝土仍然會(huì)出現(xiàn)惡化的現(xiàn)象，使建筑物在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)就已趨向破壞。因此，今后在談到混凝土設(shè)計(jì)壽命時(shí)應(yīng)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(rèn)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(yīng)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(shí)，水和空氣是侵蝕性物質(zhì)（例如Cl+、SO42+、CO2）在混凝土體內(nèi)擴(kuò)散的載體。
一般來(lái)講，經(jīng)精心選擇適當(dāng)混凝土組分、澆筑和振搗及養(yǎng)護(hù)良好的混凝土基本上是不透水的。因而，在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下，其使用壽命也較長(zhǎng)。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(yùn)行時(shí)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(shí)說明：不管我們采用再多再先進(jìn)的仿真模型和程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)，將裂縫控制在預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)，但這些裂縫最終擴(kuò)展成貫穿性裂縫，危機(jī)到混凝土的健康壽命和正常運(yùn)行。這說明我們對(duì)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(dāng)混凝土暴露在侵蝕性環(huán)境中以及受到反復(fù)循環(huán)荷載和裂縫內(nèi)水壓力時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)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(huì)由于滲漏和應(yīng)力作用而擴(kuò)展，因此給外界侵蝕性介質(zhì)提供了進(jìn)出交換的口岸。
在混凝土設(shè)計(jì)與施工過程中，裂縫寬度常通過適當(dāng)?shù)嘏渲弥鹘詈透苯顏?lái)控制。對(duì)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(wú)助于解決暴露在侵蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)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(wú)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(xì)裂縫，也正是那些肉眼看不見或檢測(cè)不到的微細(xì)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(dāng)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(shí)，水泥砂漿與粗骨料間的過渡區(qū)原生的微細(xì)裂縫就會(huì)擴(kuò)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(dá)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(jìn)一步惡化。因此，混凝土的惡化并非單一環(huán)境作用數(shù)學(xué)疊加，而是復(fù)雜環(huán)境作用的物化超疊加效應(yīng)。
在許多工程實(shí)踐中，由于沒有采取恰當(dāng)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(dāng)，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應(yīng)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(xì)孔通道和裂縫，從而導(dǎo)致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的使用和安全。國(guó)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(xué)侵蝕作用（如：鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)）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(huì)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(shè)計(jì)。
宏觀上，硬化混凝土在約束條件下，收縮變形會(huì)產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的近似值最初可假定為楊氏模量和變形的乘積，當(dāng)誘導(dǎo)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土材料就會(huì)開裂。但事實(shí)上，由于混凝土是一種兼具粘性和延展性（徐變）的復(fù)雜相組成的非均質(zhì)材料，一些應(yīng)力被徐變松弛所釋放，混凝土是否產(chǎn)生裂縫是徐變應(yīng)力松弛后的殘余應(yīng)力所決定。收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力與徐變松馳釋放的應(yīng)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(qiáng)度、減少收縮變形、降低彈性模量和提高徐變變形等幾個(gè)參數(shù)來(lái)減小。
微觀上，由于混凝土是由不同相混合后復(fù)雜的物化反應(yīng)形成的非均質(zhì)的材料。不同相之間存在著不同的應(yīng)變能和不同的能量密度梯度。水化反應(yīng)初期，由于水化反應(yīng)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(duì)與骨料而言，膨脹使得骨料和水化產(chǎn)物的界面出現(xiàn)錯(cuò)位（或稱變形）或缺陷，而這些亞穩(wěn)狀態(tài)凝膠體錯(cuò)位可能因水化反應(yīng)的繼續(xù)和水化產(chǎn)物的增長(zhǎng)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(duì)于凝膠體而言，相當(dāng)于剛性約束，于是在骨料的約束作用下，界面出現(xiàn)收縮錯(cuò)位，當(dāng)錯(cuò)位產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出膠體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，微細(xì)裂縫可能會(huì)產(chǎn)生。另外，施工振搗時(shí)，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(duì)較大，這也就進(jìn)一步證明了混凝土破壞是從界面過度區(qū)開始的事實(shí)。
4．溫室效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)
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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下（溫度、相對(duì)濕度等）拌和、振搗、成型和養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行某項(xiàng)性能測(cè)試的混凝土。而“原狀混凝土”就是在施工現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境條件下進(jìn)行拌和、振搗、成型和養(yǎng)護(hù)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(shè)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(gè)壽命期內(nèi)要承受復(fù)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(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。
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(shè)計(jì)的好，測(cè)得的耐久性指標(biāo)一般來(lái)講都是比較理想的。然而，混凝土一旦開裂，其耐久性指標(biāo)存在顯著的差異。國(guó)外有些研究者曾做過一項(xiàng)研究【1】，應(yīng)用“反饋控制拉伸試驗(yàn)”制備“可控裂縫寬度的圓柱體試件”進(jìn)行開裂混凝土的滲透性研究。這項(xiàng)研究結(jié)果表明，當(dāng)裂縫寬度在50μm內(nèi)時(shí)，對(duì)水的滲透作用影響不顯著，當(dāng)裂縫寬度從50μm增大到200μm時(shí)，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(biāo)大3個(gè)量級(jí)（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(biāo)大5個(gè)量級(jí)（數(shù)十萬(wàn)倍以上）。另一項(xiàng)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(jìn)一步說明了開裂混凝土對(duì)滲透性影響極大。這里需要強(qiáng)調(diào)地是混凝土耐久性與時(shí)間長(zhǎng)短（混凝土的壽命）相關(guān)，也就是說，設(shè)計(jì)者應(yīng)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(yùn)行維護(hù)的綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型的設(shè)計(jì)觀念。
另外，就拿混凝土抗凍融循環(huán)來(lái)講，動(dòng)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(guó)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(qiáng)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(qiáng)度和溫度匹配情況下的強(qiáng)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(shí)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(biāo)，而應(yīng)該更多的集中在如何預(yù)防混凝土開裂這一中心問題上來(lái)。也就是說，要樹立高性能混凝土（HPC）的設(shè)計(jì)理念，以較高的起點(diǎn)和平臺(tái)，以混凝土不裂或少裂為根本出發(fā)點(diǎn)，采用系統(tǒng)工程的方法綜合分析和評(píng)價(jià)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(cè)試手段和方法
從測(cè)試手段和方法看，在以往研究混凝土的耐久性時(shí)，都是將環(huán)境因素簡(jiǎn)化為某種理想情況下單一環(huán)境的，而且對(duì)于骨料最大粒徑較大（Dmax=76mm以上）的混凝土，耐久性測(cè)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(cè)試的結(jié)果無(wú)法反映混凝土的組分對(duì)性能的真實(shí)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(yàn)有意義的多。另外，正如前面所講的，裂縫對(duì)混凝土耐久性影響很大，如果在研究混凝土耐久性指標(biāo)時(shí)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(jìn)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(shí)，在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮小的或具有微膨脹性的水泥。因?yàn)檫@種水泥在水化膨脹期（1d~5d）可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，而在水化后期預(yù)壓應(yīng)力部分抵消溫度徐變應(yīng)力，減少混凝土內(nèi)的拉應(yīng)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(dāng)大一些，C3A、C3S和C2S含量應(yīng)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(zhǎng)期穩(wěn)定的微膨脹抗裂性能【2】。為了更定量化的評(píng)價(jià)相同水泥標(biāo)準(zhǔn)下性能大不相同的水泥，建議工程采用《應(yīng)力測(cè)試環(huán)》和《開裂試驗(yàn)架（TSM裝置）》評(píng)價(jià)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(duì)體積的60%～85%，因此，骨料的類型和性能對(duì)混凝土抗裂有著很大影響。在選擇骨料時(shí)，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈性模量低、表面清潔無(wú)弱包裹層、級(jí)配良好的骨料。
過去，砂多采用天然的河砂或山砂，其中不凡含粘土顆粒或團(tuán)塊，在骨料規(guī)范中限制0.15mm篩下的細(xì)顆粒（稱石粉）的比例，尤其是0.075mm篩下的顆粒（稱細(xì)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(tuán)塊。因此，砂子中含適量的石粉或細(xì)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(shí)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(zhǎng)巖人工破碎砂中石粉比例統(tǒng)計(jì)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(wú)一裂縫。當(dāng)然，這只是其中提高抗裂的一個(gè)因素而已。
5.2.3粉煤灰
筆者認(rèn)為，粉煤灰只要細(xì)度與水泥顆粒相當(dāng)，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?；炷林袚接梅勖夯液螅商岣呋炷恋目?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(qiáng)度，抑制堿集料反應(yīng)，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(duì)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(xué)、熱學(xué)、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(yīng)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(fēng)速、強(qiáng)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(yīng)形成C—S—H凝膠體時(shí)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(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，當(dāng)這種應(yīng)力超過混凝土基體的抗拉伸強(qiáng)度時(shí)就會(huì)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(shí)內(nèi)就已產(chǎn)生（詳見表1），因此，減少混凝土的早期收縮應(yīng)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(shí)間
裂縫類型 誘因 裂縫出現(xiàn)的時(shí)間
塑性安全期 過快的水分流失 10分鐘～3小時(shí)
塑性收縮期 干燥過快 30分鐘～6小時(shí)
過早的熱縮 溫差太大 1天～3周
長(zhǎng)期的干燥收縮 伸縮縫設(shè)計(jì)不當(dāng) 2周后
在許多工程實(shí)踐中，由于沒有采取恰當(dāng)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(dāng)，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應(yīng)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(xì)孔通道和裂縫，從而導(dǎo)致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的使用和安全。國(guó)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(yàn)研究，認(rèn)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(kuò)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(shí)間，增強(qiáng)混凝土的韌性和延性，提高混凝土的綜合性能并延長(zhǎng)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(dāng)與0.6㎏/m3～0.9㎏/m3）的聚丙烯纖維，經(jīng)特殊工藝進(jìn)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(qiáng)的粘結(jié)力，大約1000～2000萬(wàn)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(qiáng)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(dāng)增強(qiáng)了混凝土的抗動(dòng)載能力和切斷介質(zhì)傳播的路徑和通道。
美國(guó)Webster工程協(xié)會(huì)完成了一系列纖維加強(qiáng)混凝土和基準(zhǔn)混凝土（不摻纖維的普通混凝土）的比較試驗(yàn)，兩者的實(shí)驗(yàn)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(guó)Webster工程協(xié)會(huì)期望纖維的加入使壽命—應(yīng)變曲線達(dá)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(jìn)行2小時(shí)、4小時(shí)和6小時(shí)試驗(yàn)來(lái)確定各自開始裂縫的拉伸力，試驗(yàn)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(bào)告中研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土裂縫的控制效果，試驗(yàn)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(gè)嵌在混凝土中，六個(gè)固定在砂漿中。所用混凝土專門設(shè)計(jì)對(duì)較大的裂縫敏感。報(bào)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(dāng)改變摻入量為1.4㎏/m3，將顯著降低裂縫形成；當(dāng)改用12.5㎜長(zhǎng)纖維并按1.0㎏/m3加入時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明降低裂縫形成33%,而當(dāng)這種長(zhǎng)度的纖維摻加到1.4㎏/m3時(shí)，對(duì)裂縫形成沒有更進(jìn)一步的降低” 。
更重要但通常被忽視的事實(shí)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局估計(jì)，內(nèi)部壓力可達(dá)27.56Mpa（4000psi），最終使混凝土裂縫以致從主筋上完全剝離。更進(jìn)一步的研究熱點(diǎn)是引發(fā)腐蝕的機(jī)制。大量的試驗(yàn)認(rèn)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(fù)電勢(shì)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(yáng)極的腐蝕速度。
美國(guó)Webster工程協(xié)會(huì)使用的試驗(yàn)法是把四根獨(dú)立的鋼筋棒澆筑在一個(gè)直徑為38㎜的混凝土圓柱體內(nèi)，四個(gè)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(hù)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(gè)試件的腐蝕程度時(shí)，先用硫酸銅電極測(cè)量試件棒上的電勢(shì)差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二類試驗(yàn)要求按每立方米混凝土加入0.89㎏/m3聚丙烯纖維。四組試驗(yàn)中用同樣的混凝土。試驗(yàn)中先澆筑直徑51㎜、長(zhǎng)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(hù)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(cè)量電勢(shì)差3次以確定發(fā)生腐蝕的時(shí)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(dá)到腐蝕電勢(shì)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(dá)到500mv的電勢(shì)差。很顯然，纖維的加入降低了氯離子的擴(kuò)散速率，從而延遲了腐蝕的發(fā)生時(shí)間。
由于聚丙烯纖維類微纖維阻裂作用對(duì)混凝土性能的有益之處尚很難通過室內(nèi)試驗(yàn)加以評(píng)價(jià)，而這些作用又客觀存在且被人們所廣泛認(rèn)可，因此尋求更有效的測(cè)試手段和方法將是我們需要進(jìn)一步探討的課題。
從配合比設(shè)計(jì)看，不論是普通混凝土還是高強(qiáng)混凝土或高性能混凝土，配合比設(shè)計(jì)的主要目的就是在滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）復(fù)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采取合理的材料配伍，形成材料互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，配制出具有較強(qiáng)適應(yīng)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(qiáng)度的抗裂混凝土。
5.2.8水
水對(duì)混凝土具有雙重作用，水化反應(yīng)離不開水的存在，但多余水長(zhǎng)存于混凝土體內(nèi)，不僅會(huì)對(duì)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(lái)影響，而且一旦這些水分損失后，凝膠體體積會(huì)收縮，如果收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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(xué)顯微鏡看到，它是潛在的），降低混凝土內(nèi)部抵抗拉應(yīng)力的能力。再者，大體積混凝土一般強(qiáng)度都不是很高，既是象二灘240m高的高拱壩，基礎(chǔ)約束區(qū)設(shè)計(jì)強(qiáng)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(chǔ)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(duì)提高大壩混凝土抗裂的貢獻(xiàn)也是顯著的。
5.3配合比設(shè)計(jì)
“三低復(fù)摻一高”的混凝土配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是科學(xué)的。因?yàn)?，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(jī)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(huì)因坍落度小而產(chǎn)生離析，此時(shí)，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(xì)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?。ǚ勖夯颐芏纫话銥?.0～
表2—二灘拱壩招標(biāo)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(qiáng)度/抗拉拉強(qiáng)/極限拉伸值 絕熱溫升(℃)
7d 28d 180d
二灘工程 招標(biāo) 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(biāo) 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(jī)械填充，是相對(duì)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(jī)械填充，而且還有化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)填充。另外，采用上述配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則后，還可以解決特細(xì)砂混凝土易開裂的難題。
實(shí)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(yàn)、規(guī)范及純理論的指導(dǎo)，混凝土技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新受到束縛，以及對(duì)粉煤灰混凝土缺乏全方位長(zhǎng)期研究，再加上研究粉煤灰混凝土?xí)r，總是以相同水膠比和坍落度做對(duì)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?xí)r，粉煤灰最大摻量可達(dá)到50%，用低熱水泥配制混凝土?xí)r，粉煤灰最大摻量可達(dá)到40%，這是因?yàn)榈蜔崴嘀斜旧砭突煊邢喈?dāng)比例的磨細(xì)礦碴或粉煤灰。當(dāng)然，粉煤灰的用量還應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的可獲得性，否則，可能會(huì)因粉煤灰的短缺而影響工程正常施工和進(jìn)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(shí)，粉煤灰主供貨源何門口電廠的粉煤灰供應(yīng)不上，而合同規(guī)定粉煤灰質(zhì)量和供貨不足以及價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)均由業(yè)主承擔(dān)，此時(shí)業(yè)主面臨兩種選擇，一種選擇就是另找貨源，承擔(dān)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，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(jià)，最后業(yè)主還是選擇其它兩個(gè)替代貨源，而這兩個(gè)貨源的粉煤灰除細(xì)度達(dá)不到合同規(guī)定的要求外，其它指標(biāo)均滿足規(guī)定的要求，但對(duì)混凝土的性能并沒有造成任何影響。
5.4加強(qiáng)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(xué)和變形性能上，對(duì)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(jìn)的聲光儀器，對(duì)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(gè)方向。
早期性能對(duì)混凝土的影響不容忽視?；炷猎缙跇O易開裂，這是因?yàn)榛炷猎?d～4d水化放熱溫升很高（一般在1d～3d內(nèi)溫升達(dá)最終溫升的一半以上），但這期間混凝土的強(qiáng)度和楊氏模量很低。國(guó)外Byfors和Umehera等人以做過一些試驗(yàn)研究【5】，早期性能和后期性能之間存在“拐點(diǎn)”，這就是前面我們提到的“過境力學(xué)性能”的概念，見圖4。因此，加密混凝土早期強(qiáng)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(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各項(xiàng)性能有著很重要的指導(dǎo)意義。
6．討論和結(jié)語(yǔ)
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(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，這是混凝土工業(yè)的驕傲。同時(shí)我們也應(yīng)該清楚地看到，混凝土工業(yè)將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括對(duì)環(huán)境的改善和資源的合理使用等。為了滿足現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)資源的需求，預(yù)防混凝土開裂，提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)混凝土的健康壽命是擺在我們每一個(gè)研究者面前的課題。因此，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程的需要，從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究和探討：
?。?）今后混凝土應(yīng)著重研究高抗拉強(qiáng)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(jìn)行大摻粉煤灰或礦物摻和料原狀混凝土的長(zhǎng)期性能研究；
?。?）進(jìn)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(biāo)之間的相對(duì)關(guān)系。
（5）進(jìn)行混凝土早期熱裂縫和早期性能的研究，進(jìn)一步探討混凝土早期開裂的根源和裂縫評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。
參考文獻(xiàn)：
【1】Wang,K;Jansen,D.;Shah,S.P.;and Karr,A.,Permibility study of Cracked
Concrete,Cement and Concrete Reseach,V.27,No.3,1997,pp.381-393.
【2】?jī)?chǔ)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
Portland Cement.Sixth CANMET/ACI International Conference On Superplastizers
and other Chemical Admixtures in Concrete.Nice,France 2000
【4】董國(guó)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(shè)計(jì)文件或合同文件中，僅規(guī)定了混凝土的抗壓強(qiáng)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(biāo)，且這些指標(biāo)也僅僅是“溫室混凝土”試驗(yàn)指標(biāo)。這些指標(biāo)能不能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)“原狀混凝土”的特性尚且不說。但事實(shí)證明，即使經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的溫室混凝土，不管其強(qiáng)度保證率多高，混凝土其他各項(xiàng)指標(biāo)多優(yōu)越，它們一旦到了施工現(xiàn)場(chǎng)，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(dāng)然，任何技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)造發(fā)明最初都要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)固然重要，它對(duì)預(yù)測(cè)混凝土的性能起著指導(dǎo)作用，但實(shí)驗(yàn)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(shí)際情況，不斷進(jìn)行改進(jìn)、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(huì)提高，人們的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性才能體現(xiàn)出來(lái)。
混凝土開裂就象人體患了慢性病一樣，需要更多的人花費(fèi)更多的時(shí)間和巨額費(fèi)用去“醫(yī)治”他。因此，預(yù)防裂縫比治療和處理裂縫更為實(shí)際和可行。混凝土一旦開裂，其耐久性會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)難以考慮或考慮不周的，即使在“溫室混凝土”試驗(yàn)階段也難以用合適的模型來(lái)考慮復(fù)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(shè)計(jì)要求，而混凝土仍然會(huì)出現(xiàn)惡化的現(xiàn)象，使建筑物在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)就已趨向破壞。因此，今后在談到混凝土設(shè)計(jì)壽命時(shí)應(yīng)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(rèn)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(yīng)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(shí)，水和空氣是侵蝕性物質(zhì)（例如Cl+、SO42+、CO2）在混凝土體內(nèi)擴(kuò)散的載體。
一般來(lái)講，經(jīng)精心選擇適當(dāng)混凝土組分、澆筑和振搗及養(yǎng)護(hù)良好的混凝土基本上是不透水的。因而，在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下，其使用壽命也較長(zhǎng)。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(yùn)行時(shí)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(shí)說明：不管我們采用再多再先進(jìn)的仿真模型和程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)，將裂縫控制在預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)，但這些裂縫最終擴(kuò)展成貫穿性裂縫，危機(jī)到混凝土的健康壽命和正常運(yùn)行。這說明我們對(duì)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(dāng)混凝土暴露在侵蝕性環(huán)境中以及受到反復(fù)循環(huán)荷載和裂縫內(nèi)水壓力時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)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(huì)由于滲漏和應(yīng)力作用而擴(kuò)展，因此給外界侵蝕性介質(zhì)提供了進(jìn)出交換的口岸。
在混凝土設(shè)計(jì)與施工過程中，裂縫寬度常通過適當(dāng)?shù)嘏渲弥鹘詈透苯顏?lái)控制。對(duì)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(wú)助于解決暴露在侵蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)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(wú)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(xì)裂縫，也正是那些肉眼看不見或檢測(cè)不到的微細(xì)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(dāng)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(shí)，水泥砂漿與粗骨料間的過渡區(qū)原生的微細(xì)裂縫就會(huì)擴(kuò)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(dá)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(jìn)一步惡化。因此，混凝土的惡化并非單一環(huán)境作用數(shù)學(xué)疊加，而是復(fù)雜環(huán)境作用的物化超疊加效應(yīng)。
在許多工程實(shí)踐中，由于沒有采取恰當(dāng)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(dāng)，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應(yīng)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(xì)孔通道和裂縫，從而導(dǎo)致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的使用和安全。國(guó)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(xué)侵蝕作用（如：鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)）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(huì)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(shè)計(jì)。
宏觀上，硬化混凝土在約束條件下，收縮變形會(huì)產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的近似值最初可假定為楊氏模量和變形的乘積，當(dāng)誘導(dǎo)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土材料就會(huì)開裂。但事實(shí)上，由于混凝土是一種兼具粘性和延展性（徐變）的復(fù)雜相組成的非均質(zhì)材料，一些應(yīng)力被徐變松弛所釋放，混凝土是否產(chǎn)生裂縫是徐變應(yīng)力松弛后的殘余應(yīng)力所決定。收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力與徐變松馳釋放的應(yīng)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(qiáng)度、減少收縮變形、降低彈性模量和提高徐變變形等幾個(gè)參數(shù)來(lái)減小。
微觀上，由于混凝土是由不同相混合后復(fù)雜的物化反應(yīng)形成的非均質(zhì)的材料。不同相之間存在著不同的應(yīng)變能和不同的能量密度梯度。水化反應(yīng)初期，由于水化反應(yīng)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(duì)與骨料而言，膨脹使得骨料和水化產(chǎn)物的界面出現(xiàn)錯(cuò)位（或稱變形）或缺陷，而這些亞穩(wěn)狀態(tài)凝膠體錯(cuò)位可能因水化反應(yīng)的繼續(xù)和水化產(chǎn)物的增長(zhǎng)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(duì)于凝膠體而言，相當(dāng)于剛性約束，于是在骨料的約束作用下，界面出現(xiàn)收縮錯(cuò)位，當(dāng)錯(cuò)位產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出膠體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，微細(xì)裂縫可能會(huì)產(chǎn)生。另外，施工振搗時(shí)，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(duì)較大，這也就進(jìn)一步證明了混凝土破壞是從界面過度區(qū)開始的事實(shí)。
4．溫室效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)
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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下（溫度、相對(duì)濕度等）拌和、振搗、成型和養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行某項(xiàng)性能測(cè)試的混凝土。而“原狀混凝土”就是在施工現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境條件下進(jìn)行拌和、振搗、成型和養(yǎng)護(hù)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(shè)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(gè)壽命期內(nèi)要承受復(fù)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(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。
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(shè)計(jì)的好，測(cè)得的耐久性指標(biāo)一般來(lái)講都是比較理想的。然而，混凝土一旦開裂，其耐久性指標(biāo)存在顯著的差異。國(guó)外有些研究者曾做過一項(xiàng)研究【1】，應(yīng)用“反饋控制拉伸試驗(yàn)”制備“可控裂縫寬度的圓柱體試件”進(jìn)行開裂混凝土的滲透性研究。這項(xiàng)研究結(jié)果表明，當(dāng)裂縫寬度在50μm內(nèi)時(shí)，對(duì)水的滲透作用影響不顯著，當(dāng)裂縫寬度從50μm增大到200μm時(shí)，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(biāo)大3個(gè)量級(jí)（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(biāo)大5個(gè)量級(jí)（數(shù)十萬(wàn)倍以上）。另一項(xiàng)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(jìn)一步說明了開裂混凝土對(duì)滲透性影響極大。這里需要強(qiáng)調(diào)地是混凝土耐久性與時(shí)間長(zhǎng)短（混凝土的壽命）相關(guān)，也就是說，設(shè)計(jì)者應(yīng)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(yùn)行維護(hù)的綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型的設(shè)計(jì)觀念。
另外，就拿混凝土抗凍融循環(huán)來(lái)講，動(dòng)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(guó)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(qiáng)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(qiáng)度和溫度匹配情況下的強(qiáng)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(shí)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(biāo)，而應(yīng)該更多的集中在如何預(yù)防混凝土開裂這一中心問題上來(lái)。也就是說，要樹立高性能混凝土（HPC）的設(shè)計(jì)理念，以較高的起點(diǎn)和平臺(tái)，以混凝土不裂或少裂為根本出發(fā)點(diǎn)，采用系統(tǒng)工程的方法綜合分析和評(píng)價(jià)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(cè)試手段和方法
從測(cè)試手段和方法看，在以往研究混凝土的耐久性時(shí)，都是將環(huán)境因素簡(jiǎn)化為某種理想情況下單一環(huán)境的，而且對(duì)于骨料最大粒徑較大（Dmax=76mm以上）的混凝土，耐久性測(cè)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(cè)試的結(jié)果無(wú)法反映混凝土的組分對(duì)性能的真實(shí)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(yàn)有意義的多。另外，正如前面所講的，裂縫對(duì)混凝土耐久性影響很大，如果在研究混凝土耐久性指標(biāo)時(shí)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(jìn)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(shí)，在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮小的或具有微膨脹性的水泥。因?yàn)檫@種水泥在水化膨脹期（1d~5d）可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，而在水化后期預(yù)壓應(yīng)力部分抵消溫度徐變應(yīng)力，減少混凝土內(nèi)的拉應(yīng)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(dāng)大一些，C3A、C3S和C2S含量應(yīng)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(zhǎng)期穩(wěn)定的微膨脹抗裂性能【2】。為了更定量化的評(píng)價(jià)相同水泥標(biāo)準(zhǔn)下性能大不相同的水泥，建議工程采用《應(yīng)力測(cè)試環(huán)》和《開裂試驗(yàn)架（TSM裝置）》評(píng)價(jià)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(duì)體積的60%～85%，因此，骨料的類型和性能對(duì)混凝土抗裂有著很大影響。在選擇骨料時(shí)，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈性模量低、表面清潔無(wú)弱包裹層、級(jí)配良好的骨料。
過去，砂多采用天然的河砂或山砂，其中不凡含粘土顆粒或團(tuán)塊，在骨料規(guī)范中限制0.15mm篩下的細(xì)顆粒（稱石粉）的比例，尤其是0.075mm篩下的顆粒（稱細(xì)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(tuán)塊。因此，砂子中含適量的石粉或細(xì)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(shí)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(zhǎng)巖人工破碎砂中石粉比例統(tǒng)計(jì)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(wú)一裂縫。當(dāng)然，這只是其中提高抗裂的一個(gè)因素而已。
5.2.3粉煤灰
筆者認(rèn)為，粉煤灰只要細(xì)度與水泥顆粒相當(dāng)，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?；炷林袚接梅勖夯液螅商岣呋炷恋目?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(qiáng)度，抑制堿集料反應(yīng)，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(duì)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(xué)、熱學(xué)、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(yīng)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(fēng)速、強(qiáng)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(yīng)形成C—S—H凝膠體時(shí)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(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，當(dāng)這種應(yīng)力超過混凝土基體的抗拉伸強(qiáng)度時(shí)就會(huì)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(shí)內(nèi)就已產(chǎn)生（詳見表1），因此，減少混凝土的早期收縮應(yīng)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(shí)間
裂縫類型 誘因 裂縫出現(xiàn)的時(shí)間
塑性安全期 過快的水分流失 10分鐘～3小時(shí)
塑性收縮期 干燥過快 30分鐘～6小時(shí)
過早的熱縮 溫差太大 1天～3周
長(zhǎng)期的干燥收縮 伸縮縫設(shè)計(jì)不當(dāng) 2周后
在許多工程實(shí)踐中，由于沒有采取恰當(dāng)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(dāng)，使得混凝土內(nèi)原生的固有微裂紋在內(nèi)外應(yīng)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(xì)孔通道和裂縫，從而導(dǎo)致滲透性降低和滲漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的使用和安全。國(guó)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(yàn)研究，認(rèn)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(kuò)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(shí)間，增強(qiáng)混凝土的韌性和延性，提高混凝土的綜合性能并延長(zhǎng)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(dāng)與0.6㎏/m3～0.9㎏/m3）的聚丙烯纖維，經(jīng)特殊工藝進(jìn)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(qiáng)的粘結(jié)力，大約1000～2000萬(wàn)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(qiáng)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(dāng)增強(qiáng)了混凝土的抗動(dòng)載能力和切斷介質(zhì)傳播的路徑和通道。
美國(guó)Webster工程協(xié)會(huì)完成了一系列纖維加強(qiáng)混凝土和基準(zhǔn)混凝土（不摻纖維的普通混凝土）的比較試驗(yàn)，兩者的實(shí)驗(yàn)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(guó)Webster工程協(xié)會(huì)期望纖維的加入使壽命—應(yīng)變曲線達(dá)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(jìn)行2小時(shí)、4小時(shí)和6小時(shí)試驗(yàn)來(lái)確定各自開始裂縫的拉伸力，試驗(yàn)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(bào)告中研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土裂縫的控制效果，試驗(yàn)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(gè)嵌在混凝土中，六個(gè)固定在砂漿中。所用混凝土專門設(shè)計(jì)對(duì)較大的裂縫敏感。報(bào)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(dāng)改變摻入量為1.4㎏/m3，將顯著降低裂縫形成；當(dāng)改用12.5㎜長(zhǎng)纖維并按1.0㎏/m3加入時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明降低裂縫形成33%,而當(dāng)這種長(zhǎng)度的纖維摻加到1.4㎏/m3時(shí)，對(duì)裂縫形成沒有更進(jìn)一步的降低” 。
更重要但通常被忽視的事實(shí)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局估計(jì)，內(nèi)部壓力可達(dá)27.56Mpa（4000psi），最終使混凝土裂縫以致從主筋上完全剝離。更進(jìn)一步的研究熱點(diǎn)是引發(fā)腐蝕的機(jī)制。大量的試驗(yàn)認(rèn)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(fù)電勢(shì)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(yáng)極的腐蝕速度。
美國(guó)Webster工程協(xié)會(huì)使用的試驗(yàn)法是把四根獨(dú)立的鋼筋棒澆筑在一個(gè)直徑為38㎜的混凝土圓柱體內(nèi)，四個(gè)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(hù)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(gè)試件的腐蝕程度時(shí)，先用硫酸銅電極測(cè)量試件棒上的電勢(shì)差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二類試驗(yàn)要求按每立方米混凝土加入0.89㎏/m3聚丙烯纖維。四組試驗(yàn)中用同樣的混凝土。試驗(yàn)中先澆筑直徑51㎜、長(zhǎng)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(hù)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(cè)量電勢(shì)差3次以確定發(fā)生腐蝕的時(shí)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(dá)到腐蝕電勢(shì)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(dá)到500mv的電勢(shì)差。很顯然，纖維的加入降低了氯離子的擴(kuò)散速率，從而延遲了腐蝕的發(fā)生時(shí)間。
由于聚丙烯纖維類微纖維阻裂作用對(duì)混凝土性能的有益之處尚很難通過室內(nèi)試驗(yàn)加以評(píng)價(jià)，而這些作用又客觀存在且被人們所廣泛認(rèn)可，因此尋求更有效的測(cè)試手段和方法將是我們需要進(jìn)一步探討的課題。
從配合比設(shè)計(jì)看，不論是普通混凝土還是高強(qiáng)混凝土或高性能混凝土，配合比設(shè)計(jì)的主要目的就是在滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）復(fù)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采取合理的材料配伍，形成材料互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，配制出具有較強(qiáng)適應(yīng)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(qiáng)度的抗裂混凝土。
5.2.8水
水對(duì)混凝土具有雙重作用，水化反應(yīng)離不開水的存在，但多余水長(zhǎng)存于混凝土體內(nèi)，不僅會(huì)對(duì)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(lái)影響，而且一旦這些水分損失后，凝膠體體積會(huì)收縮，如果收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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(xué)顯微鏡看到，它是潛在的），降低混凝土內(nèi)部抵抗拉應(yīng)力的能力。再者，大體積混凝土一般強(qiáng)度都不是很高，既是象二灘240m高的高拱壩，基礎(chǔ)約束區(qū)設(shè)計(jì)強(qiáng)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(chǔ)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(duì)提高大壩混凝土抗裂的貢獻(xiàn)也是顯著的。
5.3配合比設(shè)計(jì)
“三低復(fù)摻一高”的混凝土配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是科學(xué)的。因?yàn)?，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(jī)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(huì)因坍落度小而產(chǎn)生離析，此時(shí)，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(xì)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?。ǚ勖夯颐芏纫话銥?.0～
表2—二灘拱壩招標(biāo)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(qiáng)度/抗拉拉強(qiáng)/極限拉伸值 絕熱溫升(℃)
7d 28d 180d
二灘工程 招標(biāo) 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(biāo) 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(jī)械填充，是相對(duì)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(jī)械填充，而且還有化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)填充。另外，采用上述配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則后，還可以解決特細(xì)砂混凝土易開裂的難題。
實(shí)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(yàn)、規(guī)范及純理論的指導(dǎo)，混凝土技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新受到束縛，以及對(duì)粉煤灰混凝土缺乏全方位長(zhǎng)期研究，再加上研究粉煤灰混凝土?xí)r，總是以相同水膠比和坍落度做對(duì)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?xí)r，粉煤灰最大摻量可達(dá)到50%，用低熱水泥配制混凝土?xí)r，粉煤灰最大摻量可達(dá)到40%，這是因?yàn)榈蜔崴嘀斜旧砭突煊邢喈?dāng)比例的磨細(xì)礦碴或粉煤灰。當(dāng)然，粉煤灰的用量還應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的可獲得性，否則，可能會(huì)因粉煤灰的短缺而影響工程正常施工和進(jìn)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(shí)，粉煤灰主供貨源何門口電廠的粉煤灰供應(yīng)不上，而合同規(guī)定粉煤灰質(zhì)量和供貨不足以及價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)均由業(yè)主承擔(dān)，此時(shí)業(yè)主面臨兩種選擇，一種選擇就是另找貨源，承擔(dān)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，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(jià)，最后業(yè)主還是選擇其它兩個(gè)替代貨源，而這兩個(gè)貨源的粉煤灰除細(xì)度達(dá)不到合同規(guī)定的要求外，其它指標(biāo)均滿足規(guī)定的要求，但對(duì)混凝土的性能并沒有造成任何影響。
5.4加強(qiáng)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(xué)和變形性能上，對(duì)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(jìn)的聲光儀器，對(duì)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(gè)方向。
早期性能對(duì)混凝土的影響不容忽視?；炷猎缙跇O易開裂，這是因?yàn)榛炷猎?d～4d水化放熱溫升很高（一般在1d～3d內(nèi)溫升達(dá)最終溫升的一半以上），但這期間混凝土的強(qiáng)度和楊氏模量很低。國(guó)外Byfors和Umehera等人以做過一些試驗(yàn)研究【5】，早期性能和后期性能之間存在“拐點(diǎn)”，這就是前面我們提到的“過境力學(xué)性能”的概念，見圖4。因此，加密混凝土早期強(qiáng)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(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各項(xiàng)性能有著很重要的指導(dǎo)意義。
6．討論和結(jié)語(yǔ)
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(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，這是混凝土工業(yè)的驕傲。同時(shí)我們也應(yīng)該清楚地看到，混凝土工業(yè)將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括對(duì)環(huán)境的改善和資源的合理使用等。為了滿足現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)資源的需求，預(yù)防混凝土開裂，提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)混凝土的健康壽命是擺在我們每一個(gè)研究者面前的課題。因此，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程的需要，從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究和探討：
?。?）今后混凝土應(yīng)著重研究高抗拉強(qiáng)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(jìn)行大摻粉煤灰或礦物摻和料原狀混凝土的長(zhǎng)期性能研究；
?。?）進(jìn)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(biāo)之間的相對(duì)關(guān)系。
（5）進(jìn)行混凝土早期熱裂縫和早期性能的研究，進(jìn)一步探討混凝土早期開裂的根源和裂縫評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。
參考文獻(xiàn)：
【1】Wang,K;Jansen,D.;Shah,S.P.;and Karr,A.,Permibility study of Cracked
Concrete,Cement and Concrete Reseach,V.27,No.3,1997,pp.381-393.
【2】?jī)?chǔ)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
Portland Cement.Sixth CANMET/ACI International Conference On Superplastizers
and other Chemical Admixtures in Concrete.Nice,France 2000
【4】董國(guó)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
