摘要：長期以來，混凝土的收縮性質(zhì)受人關(guān)注，但除了大壩以外，通常只測定混凝土的干縮值，并以其評定混凝土開裂的可能性。然而，隨著水泥與混凝土的生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的發(fā)展，溫度收縮和自身收縮日益成為引起開裂的主要收縮現(xiàn)象。同時，由于混凝土早期強度發(fā)展加速，彈性模量、徐變松弛等參數(shù)隨之變化，造成開裂趨勢明顯加大。因此，更新評價和預(yù)測混凝土收縮與開裂的方法，尋求改善現(xiàn)今混凝土抗裂性能的方法已經(jīng)十分必要和緊迫。
關(guān)鍵詞：溫度收縮 自身收縮 開裂趨勢 評價方法 防治措施
中圖分類號：TU528.31 文獻標(biāo)識碼：A
一、概述
自20世紀(jì)初起，人們就已經(jīng)認(rèn)識到大體積水工混凝土?xí)驗樗嗨瘯r放熱散發(fā)緩慢而產(chǎn)生明顯的溫升，并在隨后的降溫過程體積收縮受約束而出現(xiàn)開裂。為了減小水化放熱產(chǎn)生的影響，開始采用摻火山灰的辦法，30年代又開發(fā)出低熱水泥，以后還利用加大粗骨料粒徑、非常低的水泥用量、預(yù)冷拌合物原材料、限制澆注層高和管道冷卻等措施，進一步獲得降低水化溫峰、抑制溫度裂縫的效果。
另一類混凝土結(jié)構(gòu)物，例如路面、機場跑道、橋面板等，由于混凝土暴露面積比較大，又會在失水產(chǎn)生的干燥收縮顯著時開裂。人們又逐漸開發(fā)出澆水、噴霧以及噴灑成膜化合物（在我國稱養(yǎng)護劑）等解決辦法。
近幾十年來，基礎(chǔ)、橋梁、隧道襯砌以及其他構(gòu)件尺寸并不大的結(jié)構(gòu)混凝土開裂的現(xiàn)象增多，同時發(fā)現(xiàn)干燥收縮通常在這里并不重要了。水化熱以及溫度變化已經(jīng)成為引起素混凝土與鋼筋混凝土約束應(yīng)力和開裂的主導(dǎo)原因。為此，美國混凝土學(xué)會修改了大體積混凝土的定義：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，即稱為大體積混凝土。
本文就現(xiàn)今混凝土結(jié)構(gòu)存在開裂現(xiàn)象普遍的主要原因，以及目前國內(nèi)外對收縮與開裂問題的研究與應(yīng)用的進展作一介紹，同時結(jié)合我們所做工作對改善措施談一些看法。
二、混凝土技術(shù)的進展及其影響
受混凝土早期強度發(fā)展快可以給業(yè)主和承包商帶來明顯的利益所驅(qū)使，水泥生產(chǎn)商將水泥產(chǎn)品中的硅酸三鈣（C3S）含量越來越提高、粉磨細(xì)度越來越加大。Mehta曾說[1]：30年代以前，美國普通硅酸鹽水泥的C3S在30%以下，材料試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）允許22%的顆粒大于75μm；自50年代開始，C3S含量超過了50%，而且基本上沒有大于75μm的顆粒。
Mehta還指出[2]：西方工業(yè)國于40~70年代曾因為早期強度很高的水泥問世，而當(dāng)時結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度尚不高，于是出現(xiàn)將混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生產(chǎn)，在滿足強度要求的前提下易于施工操作，然而這給混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來后患，尤其是暴露于侵蝕性環(huán)境條件下工作的時候。根據(jù)英國Wischers的報道[3]：在1960年配制30~35MPa的混凝土?xí)r，用水泥350kg/m3、水灰比0.45來達到；在1985年，同樣的混凝土只需250 kg/m3水泥、0.6的水灰比制備。對于進行結(jié)構(gòu)計算的設(shè)計者而言，兩種混凝土是一樣的。然而，從微結(jié)構(gòu)的角度看來，兩種混凝土的孔隙率和滲透性就大不相同了。水灰比為0.6的混凝土碳化將比水灰比0.45的混凝土迅速，對海水、凍融與化冰鹽的耐久性也不如后者。
國內(nèi)的情況與西方國家有許多差異，但是混凝土拌合物的工作度由小變大的趨勢也是有目共睹的。筆者60年代后期參加工作時曾在工地澆注混凝土，目睹了混凝土從干硬向塑性轉(zhuǎn)化的過程。那時的拌合物里不摻任何外加劑，運到現(xiàn)場時常常十分干硬，要想振搗密實確實非常困難，一些老混凝土工干一天活下來累得疲憊不堪，濺得滿臉滿身水泥漿；年輕的想偷懶，就用皮管往混凝土上澆水，然后用鍬拌和兩下，就裝上小車推走了。簡言之，是疏于管理造成拌和物從干變稀。70年代以后，甚至坍落度很大的混凝土澆注后仍然會出現(xiàn)“蜂窩狗洞”。配合比設(shè)計、水灰比等成了空紙，澆注后的混凝土泌水、離析嚴(yán)重，勻質(zhì)性不良，力學(xué)性能、耐久性自然都受到很大影響。
在水泥的生產(chǎn)與供應(yīng)方面，80年代以后，從過去的指令性生產(chǎn)向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)化。為加快施工速度，縮短工期并加快模板周轉(zhuǎn)，C3S含量高、粉磨細(xì)度大、混合材摻量少的高早強水泥倍受市場歡迎。與此同時，混凝土設(shè)計等級也在不斷提高，促使混凝土單位水泥用量迅速增長，高強混凝土（主要是高早期強度）的推廣應(yīng)用，則助長了這一趨勢的發(fā)展。
在高效減水劑的應(yīng)用方面，我國雖比開發(fā)最早的日本和德國要晚，但比起包括美國在內(nèi)的大多數(shù)國家來說并不算慢。高效減水劑的應(yīng)用，成為混凝土技術(shù)發(fā)展里程一個重要的里程碑，應(yīng)用它可以配制出流動性滿足施工需要且水灰比低，因此強度很高的高強混凝土、可以自行流動成型密實的自密實混凝土，以及充分滿足不同工程特定性能需要和勻質(zhì)性良好的高性能混凝土。
但是隨著低水灰比（或水膠比）高強混凝土的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)物早期開裂的現(xiàn)象日益突出，引起了人們的關(guān)注。實踐證明：高強混凝土是對早期開裂非常敏感的材料，這不僅是水化熱的結(jié)果，由于自干燥作用產(chǎn)生的自收縮和硫酸鹽相的化學(xué)反應(yīng)，可能也是重要起因。結(jié)構(gòu)混凝土或大體積混凝土意外地出現(xiàn)開裂，不能總是歸因于現(xiàn)場工程師缺乏經(jīng)驗，該領(lǐng)域里許多問題尚缺乏了解，激發(fā)全世界許多人去進一步開展研究[4]。
三、收縮與開裂
人們對收縮給予了很大的關(guān)注，但引人關(guān)注的并不是收縮本身，而是由于它會引起開裂?；炷恋氖湛s現(xiàn)象有好幾種，比較熟悉的是干燥收縮和溫度收縮，這里著重介紹的是自身收縮，還順便提及塑性收縮問題。
自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對干燥收縮和自身收縮的影響正相反，即當(dāng)混凝土的水灰比降低時干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計；但是當(dāng)水灰比小于0.35時，體內(nèi)相對濕度會很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則接近各占一半。
自身收縮在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收縮集中發(fā)生于混凝土拌合后的初齡期，因為在這以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說，在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分已經(jīng)產(chǎn)生，甚至已經(jīng)完成，而不像干燥收縮，除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外，許多構(gòu)件的干縮都發(fā)生在拆模以后，因此只要覆蓋了表面，就認(rèn)為混凝土不發(fā)生干縮。
在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應(yīng)力增大，所以在水工大壩施工時早就將自身收縮作為一項性能指標(biāo)進行測定和考慮。現(xiàn)今許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，如上所述，已“達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響”，因而也需要像大壩一樣，需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響，況且在這些結(jié)構(gòu)里，兩者的發(fā)展速率均要比大壩混凝土中快得多，因此也激烈得多。
還有塑性收縮，在水泥活性大、混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進一步加快，于是裂縫迅速擴展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。
四、對收縮、開裂的評價方法
正確地檢測與評價混凝土的收縮與開裂趨勢，是采取措施有效地減少或避免開裂的前提。在積累了澆注水工大壩這類大體積結(jié)構(gòu)混凝土的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，建立的防止混凝土早期產(chǎn)生溫度裂縫的檢測與評價方法，是通過測定絕熱溫升、水泥水化熱等參數(shù)以選擇原材料、確定配合比，并采取預(yù)冷拌合物和埋設(shè)冷卻水管等措施來控制內(nèi)外允許溫差，總之是局限于盡量降低最大溫升的辦法預(yù)防開裂。但實際上并不是溫度變化本身造成開裂，開裂是由于應(yīng)力超過材料的強度所引起，因此除溫度變化以外，所有影響應(yīng)力和強度發(fā)展的因素，尤其是彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及松弛能力，包括它們在初期的變化都必須考慮在內(nèi)[4]。
混凝土體由于溫升高而在早期易于開裂的問題，在于當(dāng)溫度開始上升時混凝土的彈性模量還非常小，因此只有一小部分熱膨脹轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，這一階段還很大的松弛能力則進一步使預(yù)壓力減小，而隨后的冷卻過程中，彈性模量增大和松弛作用減小導(dǎo)致大得多的拉應(yīng)力產(chǎn)生[4]。
在評價收縮、開裂方法的進展上，值得介紹的是德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)R. Springenschmid教授早在1969年開發(fā)的開裂試驗架裝置（如圖1所示）[5]，這個裝置可以模擬混凝土在初齡期受約束條件下產(chǎn)生的應(yīng)力，混凝土從半液半固態(tài)的粘塑性體開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰椥泽w過程彈性模量迅速增長、徐變松弛作用減小都可以得到綜合地反映。由于混凝土變形很大程度上被剛性的構(gòu)架所阻止，因此可以定量測得混凝土的開裂趨勢和水泥的開裂敏感性，適用于為工程選擇抗裂性能較好、開裂趨勢較小的原材料和配合比，也可以用于預(yù)測已知結(jié)構(gòu)參數(shù)、混凝土材料和澆注溫度等條件時開裂的可能性，因此能夠采取必要的防范措施。
近年來，許多研究者致力于早期約束應(yīng)力的計算，以確定出現(xiàn)開裂的危險性。依據(jù)材料的性質(zhì)、水化熱的發(fā)展、剛度的增大與松弛能力的減小、抗拉強度的增長、熱膨脹系數(shù)與化學(xué)反應(yīng)對變形的影響建立了許多計算機程序。所有這些參數(shù)主要取決齡期、溫度、水泥類型和混凝土拌合物的組成。實際上，只有可能大致估計這些參數(shù)的影響。然而，在建立近似材料性質(zhì)的模型方面，已經(jīng)有了很大進展。這樣的模型需要假設(shè)現(xiàn)場的約束和溫度條件。日本和法國開發(fā)出在現(xiàn)場測定約束應(yīng)力的新方法，實驗室與現(xiàn)場的試驗結(jié)果和計算結(jié)果比較，使該領(lǐng)域獲得了顯著的進展。1989年，RILEM創(chuàng)建了以R. Springenschmid教授為主席的“避免混凝土早期熱裂縫”——TC 119技術(shù)委員會。該委員會在1994年召開了一次國際研討會，出版了論文集，又于1998年出版了“避免混凝土早期熱裂縫”一書，這些工作為評價和防范混凝土早期熱裂縫提供了豐富的信息。
此外，由于混凝土水灰比(水膠比)的降低，干燥收縮和自身收縮相對大小變化，因此再用測定干縮的方法來評價混凝土，主要是低水灰比混凝土的收縮就不適宜了（待試件成型1d或2d后拆模測零點時，混凝土的自身收縮已經(jīng)大半完成），這也是許多近年研究高強混凝土的課題得出收縮減小的結(jié)論，而用于工程開裂現(xiàn)象卻比較嚴(yán)重的重要原因。當(dāng)然，高強混凝土的抗壓強度雖然大幅度增長，抗拉強度增長幅度相對要小得多，而且混凝土的彈性模量隨之快速增長、松弛作用減小，因此總收縮值即使不變，甚至減小的情況下，受約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力則要大得多，也是單純測定收縮難以評價混凝土開裂趨勢另外一個重要的原因。
另一個想要涉及的問題，是關(guān)于對膨脹劑改善抗裂性的評價方法?，F(xiàn)行采用將摻有膨脹劑制備的拌合物小試件浸水養(yǎng)護7天或14天，通過測定其限制膨脹值方法，只能供生產(chǎn)廠用來檢測產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，而不能用于比較不同膨脹劑在具體工程條件下使用時的抗裂效果。因為膨脹劑的使用效果受到許多因素的影響，包括混凝土的配合比、澆注溫度、養(yǎng)護情況、膨脹劑的品質(zhì)與摻量等，正因為如此，一些早就開發(fā)出膨脹劑的國家，例如日本、法國等都只在接縫處理、灌漿時才使用，而不允許用于結(jié)構(gòu)混凝土。其實適當(dāng)?shù)貞?yīng)用膨脹劑，不失為一個避免或減少裂縫的有效措施，如果采用上述開裂試驗架結(jié)合工程條件進行檢測和評價，應(yīng)該能獲得良好的使用效果。
五、減少或防止混凝土開裂的措施
混凝土在各種不同情況下的開裂有著相當(dāng)復(fù)雜的、多方面的原因。例如，因為自身收縮的上述特點，所以高強混凝土在澆注后需要及早開始濕養(yǎng)護，尤其當(dāng)混凝土體溫度、環(huán)境溫度較高時更要注意?，F(xiàn)行規(guī)范中對普通混凝土加強養(yǎng)護的措施，對高強混凝土就要理解為及早，而不是延長養(yǎng)護時間了。為了開始濕養(yǎng)護，就需要拆除模板，至少要松動，而這在工程中往往難以實現(xiàn)，于是剛一拆模就發(fā)現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象已經(jīng)屢見不鮮了。
不同水泥廠生產(chǎn)的同一品種水泥，只要是技術(shù)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，通常就認(rèn)為品質(zhì)是一樣的，其實它們對開裂的敏感性可能差別很懸殊，德國的Springenschmid教授根據(jù)在開裂試驗架進行大量的試驗結(jié)果，對不同因素降低混凝土開裂溫度的作用進行了比較[4]：
1）降低新拌混凝土的溫度（從25℃→12℃）：
△Tc = 15~18 K
2）采用優(yōu)質(zhì)品牌水泥：
△Tc可達20 K
3）石子最大粒徑用32mm，不用8mm：
△Tc = 5~10 K
4）骨料線脹系數(shù)低：
△Tc可達10 K
5）摻引氣劑（含氣量3~6%）：
△Tc = 3~5 K
6）用碎石比用卵石：
△Tc = 3~5 K
7）水泥用量從340kg/m3改為280 kg/m3（以粉煤灰等量代替）：
△Tc = 3~5 K
由上述結(jié)果可以看出，水泥品質(zhì)的影響十分顯著。什么樣的水泥較好呢？他們的結(jié)論是：含堿（Na2O、K2O）量低、硫酸鹽含量（相對于鋁酸鹽而言）多、粉磨細(xì)度較小的水泥抗裂性能較好。國內(nèi)市場上現(xiàn)在充斥著粉磨細(xì)度大、C3S礦物含量高的早強水泥，很多水泥產(chǎn)品的硫酸鹽含量又不高（據(jù)了解，美國、法國等國的石膏摻量取決其鋁酸鹽含量，即二者的比例限制在一定范圍內(nèi)。我國則固定石膏用量為3~5%），這些水泥生產(chǎn)中存在的問題，是導(dǎo)致混凝土開裂非常重要的原因。
針對溫度收縮已成為引起當(dāng)前結(jié)構(gòu)混凝土開裂的主要原因，下面著重談?wù)創(chuàng)椒勖夯覝p少或避免開裂的問題。德國在修建新德國鐵路時，其隧道襯砌出現(xiàn)嚴(yán)重地開裂，那時要求混凝土10h強度不低于12MPa；于是修改了規(guī)范：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強度為6MPa；如果超過了，就要摻用粉煤灰代替更多的水泥。為避免過高的早期強度，還以56d齡期強度進行設(shè)計，從而很好地避免了包括橋面板在內(nèi)許多結(jié)構(gòu)的早期開裂[6]。
眾所周知，為避免大體積混凝土開裂首先采取的措施就是摻用火山灰，國內(nèi)在眾多大壩施工時通常也采用大摻量粉煤灰來降低溫升，取得了良好效果。但是對于現(xiàn)在許多工程常用的C30混凝土，按照一些規(guī)范限制的25%摻量以內(nèi)的粉煤灰來配制，無論是力學(xué)性能，還是抗裂性、耐久性都未見得有顯著效果，多數(shù)情況下還不如作為對照用沒摻粉煤灰的混凝土，其原因何在呢？
加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心（CANMET）Malhotra等人長達10多年對大摻量粉煤灰混凝土進行非常深入和廣泛的研究成果，已引起全世界同行的高度關(guān)注，給我們提供了一個很好的范例。他們以水泥用量150kg/m3、粉煤灰200 kg/m3，摻用適量高效減水劑使水膠比保持在0.30左右，配制出的混凝土工作度良好，28d強度達到約30~40 MPa（摻有引氣劑以保證抗凍融循環(huán)能力）或50MPa（未摻引氣劑）；1年強度接近50~60MPa（摻有引氣劑以保證抗凍融循環(huán)能力）或接近100MPa（未摻引氣劑）；各種性能，尤其是抗裂性能和抗氯離子擴散性能都十分優(yōu)異的高性能混凝土，該混凝土已在加拿大用于多個工程，包括一阿麗亞那火箭發(fā)射臺7×8m的底座。
借鑒Malhotra等人的研究成果，筆者在“八五”科技攻關(guān)重點項目的專題“滑模攤鋪混凝土路面材料與工藝研究”、“九五”科技攻關(guān)重點項目子專題“摻粉煤灰高性能混凝土綜合研究與應(yīng)用”等多個研究課題，以及在北京的建筑工程、廣州地鐵工程和廣東深—汕等幾條高速公路混凝土路面工程施工中應(yīng)用粉煤灰混凝土，均取得良好的使用效果。在這個過程中得到最重要的體會有以下幾點：
1）一定范圍里，是混凝土的水膠比，而不是粉煤灰的摻量決定使用效果。上述現(xiàn)行規(guī)范限制粉煤灰摻量在25%以內(nèi)，是最不利于粉煤灰的摻量范圍。因為粉煤灰水化緩慢，生成物少，粉煤灰混凝土適宜的水膠比在0.40以下；普通混凝土常用的0.50左右水灰比條件下?lián)?0~20%粉煤灰，即使同時摻有高效減水劑，一般水膠比仍需維持在0.40以上。但是如果繼續(xù)增大粉煤灰摻量，由于粉煤灰表觀密度約只有水泥的2/3，拌合物漿體含量的增大就可以產(chǎn)生降低水膠比的作用。例如國內(nèi)通常配制C30混凝土的水泥用量約在350kg/m3（比國外偏高的原因是粗骨料粒形不好、缺乏5~10mm顆粒，因而空隙率大），當(dāng)采用Malhotra的配合比，即水泥用量150kg/m3、粉煤灰200 kg/m3時（總膠凝材料用量仍是350kg/m3），水膠比可以降低到0.35左右（取決水泥與粉煤灰的需水量），當(dāng)采用525#水泥時，1d強度可以達到10~15MPa；28d強度40MPa以上，優(yōu)于純水泥350kg/m3的混凝土。
2）粉煤灰混凝土拌合物的粘度，尤其是粉煤灰摻量大時，要顯著大于相近水灰比的純水泥拌合物，但在泵送或振動外力的作用下，由于粉煤灰顆粒的滾珠潤滑作用，表現(xiàn)為泵送壓力低、易于成型密實。反之，盲目地將粉煤灰混凝土與普通混凝土保持相同的大坍落度，倒容易出現(xiàn)粉煤灰上浮、拌合物勻質(zhì)性不良的離析現(xiàn)象。有資料顯示：粉煤灰混凝土的坍落度僅70mm，就可進行良好泵送。
3）與純水泥混凝土不同，粉煤灰混凝土澆注后要及時覆蓋，但一般不要噴霧，尤其不要灑水或浸水養(yǎng)護。加拿大的研究證明：表面噴灑養(yǎng)護劑混凝土試件的抗鹽凍剝落性能比標(biāo)養(yǎng)試件要明顯的好。
4）當(dāng)普通混凝土溫度，或者氣溫升高時，澆注后由于水泥水化加速帶來一系列不良影響：坍落度損失快、硬化混凝土微結(jié)構(gòu)不密實、溫峰增大、易開裂和后期強度受影響等。對大摻量粉煤灰混凝土則帶來的弊病少、益處多。這表明：依據(jù)小試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室存放28d得到的試驗結(jié)果進行原材料選擇和配合比設(shè)計，在比較上述兩種混凝土?xí)r，是很難反映實際結(jié)構(gòu)混凝土性能的，這種試驗檢測與評價方法迫切需要改變，否則改善混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題的努力就難以奏效。
大摻量粉煤灰混凝土的抗裂性能優(yōu)異無可懷疑，它能帶來的經(jīng)濟效益更無需贅述，同時混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性可以得到顯著改善，粉煤灰的高值利用也將為環(huán)境保護，為建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來益處。我國水泥產(chǎn)量世界第一，粉煤灰的排放量也占首位，充分地利用粉煤灰資源的意義深遠、前景廣闊。
參考文獻
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2. P.K. Mehta. Advancements in Concrete Technology. Concrete International. June 1999.
3. P.-C.Aïtcin: Cements of yesterday and today: Concrete of tomorrow. Cement and Concrete Research. Sept 2000.
4. R. Springenschmid. Avoidance of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. 1998.
5. R. Springenschmid. Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. E & FN SPON. 1994.
6. R.W. Burrows, The Visible and Invisible Cracking of Concrete. Monograph of ACI.1998.
關(guān)鍵詞：溫度收縮 自身收縮 開裂趨勢 評價方法 防治措施
中圖分類號：TU528.31 文獻標(biāo)識碼：A
一、概述
自20世紀(jì)初起，人們就已經(jīng)認(rèn)識到大體積水工混凝土?xí)驗樗嗨瘯r放熱散發(fā)緩慢而產(chǎn)生明顯的溫升，并在隨后的降溫過程體積收縮受約束而出現(xiàn)開裂。為了減小水化放熱產(chǎn)生的影響，開始采用摻火山灰的辦法，30年代又開發(fā)出低熱水泥，以后還利用加大粗骨料粒徑、非常低的水泥用量、預(yù)冷拌合物原材料、限制澆注層高和管道冷卻等措施，進一步獲得降低水化溫峰、抑制溫度裂縫的效果。
另一類混凝土結(jié)構(gòu)物，例如路面、機場跑道、橋面板等，由于混凝土暴露面積比較大，又會在失水產(chǎn)生的干燥收縮顯著時開裂。人們又逐漸開發(fā)出澆水、噴霧以及噴灑成膜化合物（在我國稱養(yǎng)護劑）等解決辦法。
近幾十年來，基礎(chǔ)、橋梁、隧道襯砌以及其他構(gòu)件尺寸并不大的結(jié)構(gòu)混凝土開裂的現(xiàn)象增多，同時發(fā)現(xiàn)干燥收縮通常在這里并不重要了。水化熱以及溫度變化已經(jīng)成為引起素混凝土與鋼筋混凝土約束應(yīng)力和開裂的主導(dǎo)原因。為此，美國混凝土學(xué)會修改了大體積混凝土的定義：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，即稱為大體積混凝土。
本文就現(xiàn)今混凝土結(jié)構(gòu)存在開裂現(xiàn)象普遍的主要原因，以及目前國內(nèi)外對收縮與開裂問題的研究與應(yīng)用的進展作一介紹，同時結(jié)合我們所做工作對改善措施談一些看法。
二、混凝土技術(shù)的進展及其影響
受混凝土早期強度發(fā)展快可以給業(yè)主和承包商帶來明顯的利益所驅(qū)使，水泥生產(chǎn)商將水泥產(chǎn)品中的硅酸三鈣（C3S）含量越來越提高、粉磨細(xì)度越來越加大。Mehta曾說[1]：30年代以前，美國普通硅酸鹽水泥的C3S在30%以下，材料試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）允許22%的顆粒大于75μm；自50年代開始，C3S含量超過了50%，而且基本上沒有大于75μm的顆粒。
Mehta還指出[2]：西方工業(yè)國于40~70年代曾因為早期強度很高的水泥問世，而當(dāng)時結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度尚不高，于是出現(xiàn)將混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生產(chǎn)，在滿足強度要求的前提下易于施工操作，然而這給混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來后患，尤其是暴露于侵蝕性環(huán)境條件下工作的時候。根據(jù)英國Wischers的報道[3]：在1960年配制30~35MPa的混凝土?xí)r，用水泥350kg/m3、水灰比0.45來達到；在1985年，同樣的混凝土只需250 kg/m3水泥、0.6的水灰比制備。對于進行結(jié)構(gòu)計算的設(shè)計者而言，兩種混凝土是一樣的。然而，從微結(jié)構(gòu)的角度看來，兩種混凝土的孔隙率和滲透性就大不相同了。水灰比為0.6的混凝土碳化將比水灰比0.45的混凝土迅速，對海水、凍融與化冰鹽的耐久性也不如后者。
國內(nèi)的情況與西方國家有許多差異，但是混凝土拌合物的工作度由小變大的趨勢也是有目共睹的。筆者60年代后期參加工作時曾在工地澆注混凝土，目睹了混凝土從干硬向塑性轉(zhuǎn)化的過程。那時的拌合物里不摻任何外加劑，運到現(xiàn)場時常常十分干硬，要想振搗密實確實非常困難，一些老混凝土工干一天活下來累得疲憊不堪，濺得滿臉滿身水泥漿；年輕的想偷懶，就用皮管往混凝土上澆水，然后用鍬拌和兩下，就裝上小車推走了。簡言之，是疏于管理造成拌和物從干變稀。70年代以后，甚至坍落度很大的混凝土澆注后仍然會出現(xiàn)“蜂窩狗洞”。配合比設(shè)計、水灰比等成了空紙，澆注后的混凝土泌水、離析嚴(yán)重，勻質(zhì)性不良，力學(xué)性能、耐久性自然都受到很大影響。
在水泥的生產(chǎn)與供應(yīng)方面，80年代以后，從過去的指令性生產(chǎn)向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)化。為加快施工速度，縮短工期并加快模板周轉(zhuǎn)，C3S含量高、粉磨細(xì)度大、混合材摻量少的高早強水泥倍受市場歡迎。與此同時，混凝土設(shè)計等級也在不斷提高，促使混凝土單位水泥用量迅速增長，高強混凝土（主要是高早期強度）的推廣應(yīng)用，則助長了這一趨勢的發(fā)展。
在高效減水劑的應(yīng)用方面，我國雖比開發(fā)最早的日本和德國要晚，但比起包括美國在內(nèi)的大多數(shù)國家來說并不算慢。高效減水劑的應(yīng)用，成為混凝土技術(shù)發(fā)展里程一個重要的里程碑，應(yīng)用它可以配制出流動性滿足施工需要且水灰比低，因此強度很高的高強混凝土、可以自行流動成型密實的自密實混凝土，以及充分滿足不同工程特定性能需要和勻質(zhì)性良好的高性能混凝土。
但是隨著低水灰比（或水膠比）高強混凝土的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)物早期開裂的現(xiàn)象日益突出，引起了人們的關(guān)注。實踐證明：高強混凝土是對早期開裂非常敏感的材料，這不僅是水化熱的結(jié)果，由于自干燥作用產(chǎn)生的自收縮和硫酸鹽相的化學(xué)反應(yīng)，可能也是重要起因。結(jié)構(gòu)混凝土或大體積混凝土意外地出現(xiàn)開裂，不能總是歸因于現(xiàn)場工程師缺乏經(jīng)驗，該領(lǐng)域里許多問題尚缺乏了解，激發(fā)全世界許多人去進一步開展研究[4]。
三、收縮與開裂
人們對收縮給予了很大的關(guān)注，但引人關(guān)注的并不是收縮本身，而是由于它會引起開裂?；炷恋氖湛s現(xiàn)象有好幾種，比較熟悉的是干燥收縮和溫度收縮，這里著重介紹的是自身收縮，還順便提及塑性收縮問題。
自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對干燥收縮和自身收縮的影響正相反，即當(dāng)混凝土的水灰比降低時干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計；但是當(dāng)水灰比小于0.35時，體內(nèi)相對濕度會很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則接近各占一半。
自身收縮在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收縮集中發(fā)生于混凝土拌合后的初齡期，因為在這以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說，在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分已經(jīng)產(chǎn)生，甚至已經(jīng)完成，而不像干燥收縮，除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外，許多構(gòu)件的干縮都發(fā)生在拆模以后，因此只要覆蓋了表面，就認(rèn)為混凝土不發(fā)生干縮。
在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應(yīng)力增大，所以在水工大壩施工時早就將自身收縮作為一項性能指標(biāo)進行測定和考慮。現(xiàn)今許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，如上所述，已“達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響”，因而也需要像大壩一樣，需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響，況且在這些結(jié)構(gòu)里，兩者的發(fā)展速率均要比大壩混凝土中快得多，因此也激烈得多。
還有塑性收縮，在水泥活性大、混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進一步加快，于是裂縫迅速擴展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。
四、對收縮、開裂的評價方法
正確地檢測與評價混凝土的收縮與開裂趨勢，是采取措施有效地減少或避免開裂的前提。在積累了澆注水工大壩這類大體積結(jié)構(gòu)混凝土的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，建立的防止混凝土早期產(chǎn)生溫度裂縫的檢測與評價方法，是通過測定絕熱溫升、水泥水化熱等參數(shù)以選擇原材料、確定配合比，并采取預(yù)冷拌合物和埋設(shè)冷卻水管等措施來控制內(nèi)外允許溫差，總之是局限于盡量降低最大溫升的辦法預(yù)防開裂。但實際上并不是溫度變化本身造成開裂，開裂是由于應(yīng)力超過材料的強度所引起，因此除溫度變化以外，所有影響應(yīng)力和強度發(fā)展的因素，尤其是彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及松弛能力，包括它們在初期的變化都必須考慮在內(nèi)[4]。
混凝土體由于溫升高而在早期易于開裂的問題，在于當(dāng)溫度開始上升時混凝土的彈性模量還非常小，因此只有一小部分熱膨脹轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，這一階段還很大的松弛能力則進一步使預(yù)壓力減小，而隨后的冷卻過程中，彈性模量增大和松弛作用減小導(dǎo)致大得多的拉應(yīng)力產(chǎn)生[4]。
在評價收縮、開裂方法的進展上，值得介紹的是德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)R. Springenschmid教授早在1969年開發(fā)的開裂試驗架裝置（如圖1所示）[5]，這個裝置可以模擬混凝土在初齡期受約束條件下產(chǎn)生的應(yīng)力，混凝土從半液半固態(tài)的粘塑性體開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰椥泽w過程彈性模量迅速增長、徐變松弛作用減小都可以得到綜合地反映。由于混凝土變形很大程度上被剛性的構(gòu)架所阻止，因此可以定量測得混凝土的開裂趨勢和水泥的開裂敏感性，適用于為工程選擇抗裂性能較好、開裂趨勢較小的原材料和配合比，也可以用于預(yù)測已知結(jié)構(gòu)參數(shù)、混凝土材料和澆注溫度等條件時開裂的可能性，因此能夠采取必要的防范措施。
近年來，許多研究者致力于早期約束應(yīng)力的計算，以確定出現(xiàn)開裂的危險性。依據(jù)材料的性質(zhì)、水化熱的發(fā)展、剛度的增大與松弛能力的減小、抗拉強度的增長、熱膨脹系數(shù)與化學(xué)反應(yīng)對變形的影響建立了許多計算機程序。所有這些參數(shù)主要取決齡期、溫度、水泥類型和混凝土拌合物的組成。實際上，只有可能大致估計這些參數(shù)的影響。然而，在建立近似材料性質(zhì)的模型方面，已經(jīng)有了很大進展。這樣的模型需要假設(shè)現(xiàn)場的約束和溫度條件。日本和法國開發(fā)出在現(xiàn)場測定約束應(yīng)力的新方法，實驗室與現(xiàn)場的試驗結(jié)果和計算結(jié)果比較，使該領(lǐng)域獲得了顯著的進展。1989年，RILEM創(chuàng)建了以R. Springenschmid教授為主席的“避免混凝土早期熱裂縫”——TC 119技術(shù)委員會。該委員會在1994年召開了一次國際研討會，出版了論文集，又于1998年出版了“避免混凝土早期熱裂縫”一書，這些工作為評價和防范混凝土早期熱裂縫提供了豐富的信息。
此外，由于混凝土水灰比(水膠比)的降低，干燥收縮和自身收縮相對大小變化，因此再用測定干縮的方法來評價混凝土，主要是低水灰比混凝土的收縮就不適宜了（待試件成型1d或2d后拆模測零點時，混凝土的自身收縮已經(jīng)大半完成），這也是許多近年研究高強混凝土的課題得出收縮減小的結(jié)論，而用于工程開裂現(xiàn)象卻比較嚴(yán)重的重要原因。當(dāng)然，高強混凝土的抗壓強度雖然大幅度增長，抗拉強度增長幅度相對要小得多，而且混凝土的彈性模量隨之快速增長、松弛作用減小，因此總收縮值即使不變，甚至減小的情況下，受約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力則要大得多，也是單純測定收縮難以評價混凝土開裂趨勢另外一個重要的原因。
另一個想要涉及的問題，是關(guān)于對膨脹劑改善抗裂性的評價方法?，F(xiàn)行采用將摻有膨脹劑制備的拌合物小試件浸水養(yǎng)護7天或14天，通過測定其限制膨脹值方法，只能供生產(chǎn)廠用來檢測產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，而不能用于比較不同膨脹劑在具體工程條件下使用時的抗裂效果。因為膨脹劑的使用效果受到許多因素的影響，包括混凝土的配合比、澆注溫度、養(yǎng)護情況、膨脹劑的品質(zhì)與摻量等，正因為如此，一些早就開發(fā)出膨脹劑的國家，例如日本、法國等都只在接縫處理、灌漿時才使用，而不允許用于結(jié)構(gòu)混凝土。其實適當(dāng)?shù)貞?yīng)用膨脹劑，不失為一個避免或減少裂縫的有效措施，如果采用上述開裂試驗架結(jié)合工程條件進行檢測和評價，應(yīng)該能獲得良好的使用效果。
五、減少或防止混凝土開裂的措施
混凝土在各種不同情況下的開裂有著相當(dāng)復(fù)雜的、多方面的原因。例如，因為自身收縮的上述特點，所以高強混凝土在澆注后需要及早開始濕養(yǎng)護，尤其當(dāng)混凝土體溫度、環(huán)境溫度較高時更要注意?，F(xiàn)行規(guī)范中對普通混凝土加強養(yǎng)護的措施，對高強混凝土就要理解為及早，而不是延長養(yǎng)護時間了。為了開始濕養(yǎng)護，就需要拆除模板，至少要松動，而這在工程中往往難以實現(xiàn)，于是剛一拆模就發(fā)現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象已經(jīng)屢見不鮮了。
不同水泥廠生產(chǎn)的同一品種水泥，只要是技術(shù)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，通常就認(rèn)為品質(zhì)是一樣的，其實它們對開裂的敏感性可能差別很懸殊，德國的Springenschmid教授根據(jù)在開裂試驗架進行大量的試驗結(jié)果，對不同因素降低混凝土開裂溫度的作用進行了比較[4]：
1）降低新拌混凝土的溫度（從25℃→12℃）：
△Tc = 15~18 K
2）采用優(yōu)質(zhì)品牌水泥：
△Tc可達20 K
3）石子最大粒徑用32mm，不用8mm：
△Tc = 5~10 K
4）骨料線脹系數(shù)低：
△Tc可達10 K
5）摻引氣劑（含氣量3~6%）：
△Tc = 3~5 K
6）用碎石比用卵石：
△Tc = 3~5 K
7）水泥用量從340kg/m3改為280 kg/m3（以粉煤灰等量代替）：
△Tc = 3~5 K
由上述結(jié)果可以看出，水泥品質(zhì)的影響十分顯著。什么樣的水泥較好呢？他們的結(jié)論是：含堿（Na2O、K2O）量低、硫酸鹽含量（相對于鋁酸鹽而言）多、粉磨細(xì)度較小的水泥抗裂性能較好。國內(nèi)市場上現(xiàn)在充斥著粉磨細(xì)度大、C3S礦物含量高的早強水泥，很多水泥產(chǎn)品的硫酸鹽含量又不高（據(jù)了解，美國、法國等國的石膏摻量取決其鋁酸鹽含量，即二者的比例限制在一定范圍內(nèi)。我國則固定石膏用量為3~5%），這些水泥生產(chǎn)中存在的問題，是導(dǎo)致混凝土開裂非常重要的原因。
針對溫度收縮已成為引起當(dāng)前結(jié)構(gòu)混凝土開裂的主要原因，下面著重談?wù)創(chuàng)椒勖夯覝p少或避免開裂的問題。德國在修建新德國鐵路時，其隧道襯砌出現(xiàn)嚴(yán)重地開裂，那時要求混凝土10h強度不低于12MPa；于是修改了規(guī)范：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強度為6MPa；如果超過了，就要摻用粉煤灰代替更多的水泥。為避免過高的早期強度，還以56d齡期強度進行設(shè)計，從而很好地避免了包括橋面板在內(nèi)許多結(jié)構(gòu)的早期開裂[6]。
眾所周知，為避免大體積混凝土開裂首先采取的措施就是摻用火山灰，國內(nèi)在眾多大壩施工時通常也采用大摻量粉煤灰來降低溫升，取得了良好效果。但是對于現(xiàn)在許多工程常用的C30混凝土，按照一些規(guī)范限制的25%摻量以內(nèi)的粉煤灰來配制，無論是力學(xué)性能，還是抗裂性、耐久性都未見得有顯著效果，多數(shù)情況下還不如作為對照用沒摻粉煤灰的混凝土，其原因何在呢？
加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心（CANMET）Malhotra等人長達10多年對大摻量粉煤灰混凝土進行非常深入和廣泛的研究成果，已引起全世界同行的高度關(guān)注，給我們提供了一個很好的范例。他們以水泥用量150kg/m3、粉煤灰200 kg/m3，摻用適量高效減水劑使水膠比保持在0.30左右，配制出的混凝土工作度良好，28d強度達到約30~40 MPa（摻有引氣劑以保證抗凍融循環(huán)能力）或50MPa（未摻引氣劑）；1年強度接近50~60MPa（摻有引氣劑以保證抗凍融循環(huán)能力）或接近100MPa（未摻引氣劑）；各種性能，尤其是抗裂性能和抗氯離子擴散性能都十分優(yōu)異的高性能混凝土，該混凝土已在加拿大用于多個工程，包括一阿麗亞那火箭發(fā)射臺7×8m的底座。
借鑒Malhotra等人的研究成果，筆者在“八五”科技攻關(guān)重點項目的專題“滑模攤鋪混凝土路面材料與工藝研究”、“九五”科技攻關(guān)重點項目子專題“摻粉煤灰高性能混凝土綜合研究與應(yīng)用”等多個研究課題，以及在北京的建筑工程、廣州地鐵工程和廣東深—汕等幾條高速公路混凝土路面工程施工中應(yīng)用粉煤灰混凝土，均取得良好的使用效果。在這個過程中得到最重要的體會有以下幾點：
1）一定范圍里，是混凝土的水膠比，而不是粉煤灰的摻量決定使用效果。上述現(xiàn)行規(guī)范限制粉煤灰摻量在25%以內(nèi)，是最不利于粉煤灰的摻量范圍。因為粉煤灰水化緩慢，生成物少，粉煤灰混凝土適宜的水膠比在0.40以下；普通混凝土常用的0.50左右水灰比條件下?lián)?0~20%粉煤灰，即使同時摻有高效減水劑，一般水膠比仍需維持在0.40以上。但是如果繼續(xù)增大粉煤灰摻量，由于粉煤灰表觀密度約只有水泥的2/3，拌合物漿體含量的增大就可以產(chǎn)生降低水膠比的作用。例如國內(nèi)通常配制C30混凝土的水泥用量約在350kg/m3（比國外偏高的原因是粗骨料粒形不好、缺乏5~10mm顆粒，因而空隙率大），當(dāng)采用Malhotra的配合比，即水泥用量150kg/m3、粉煤灰200 kg/m3時（總膠凝材料用量仍是350kg/m3），水膠比可以降低到0.35左右（取決水泥與粉煤灰的需水量），當(dāng)采用525#水泥時，1d強度可以達到10~15MPa；28d強度40MPa以上，優(yōu)于純水泥350kg/m3的混凝土。
2）粉煤灰混凝土拌合物的粘度，尤其是粉煤灰摻量大時，要顯著大于相近水灰比的純水泥拌合物，但在泵送或振動外力的作用下，由于粉煤灰顆粒的滾珠潤滑作用，表現(xiàn)為泵送壓力低、易于成型密實。反之，盲目地將粉煤灰混凝土與普通混凝土保持相同的大坍落度，倒容易出現(xiàn)粉煤灰上浮、拌合物勻質(zhì)性不良的離析現(xiàn)象。有資料顯示：粉煤灰混凝土的坍落度僅70mm，就可進行良好泵送。
3）與純水泥混凝土不同，粉煤灰混凝土澆注后要及時覆蓋，但一般不要噴霧，尤其不要灑水或浸水養(yǎng)護。加拿大的研究證明：表面噴灑養(yǎng)護劑混凝土試件的抗鹽凍剝落性能比標(biāo)養(yǎng)試件要明顯的好。
4）當(dāng)普通混凝土溫度，或者氣溫升高時，澆注后由于水泥水化加速帶來一系列不良影響：坍落度損失快、硬化混凝土微結(jié)構(gòu)不密實、溫峰增大、易開裂和后期強度受影響等。對大摻量粉煤灰混凝土則帶來的弊病少、益處多。這表明：依據(jù)小試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室存放28d得到的試驗結(jié)果進行原材料選擇和配合比設(shè)計，在比較上述兩種混凝土?xí)r，是很難反映實際結(jié)構(gòu)混凝土性能的，這種試驗檢測與評價方法迫切需要改變，否則改善混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題的努力就難以奏效。
大摻量粉煤灰混凝土的抗裂性能優(yōu)異無可懷疑，它能帶來的經(jīng)濟效益更無需贅述，同時混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性可以得到顯著改善，粉煤灰的高值利用也將為環(huán)境保護，為建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來益處。我國水泥產(chǎn)量世界第一，粉煤灰的排放量也占首位，充分地利用粉煤灰資源的意義深遠、前景廣闊。
參考文獻
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