高性能混凝土早期裂缝的防治措施

郝丽峰，屈春秀

（重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400060）

高性能混凝土是一种低水胶比、掺入大量活性混合材，以耐久性为设计的主要指标，兼顾高强度、高工作性和体积稳定性的环保型新型混凝土。高性能混凝土在拥有众多优良性能的同时，也伴随着混凝土的脆性和易开裂的倾向，使混凝土结构过早的劣化，这提醒人们要控制那些使混凝土发生早期开裂的因素。例如：低水灰比和大量掺入矿物掺合料，不利于高性能混凝土早期开裂的控制，从而影响到高性能混凝土最重要的特征——耐久性。因此，要严格控制混凝土的水灰比和矿物掺合料的掺量，控制高性能混凝土早期裂缝的产生，并提出改善高性能混凝土抗裂性的合理措施。

1 高性能混凝土早期开裂机理及原因

1.1 高性能混凝土早期开裂机理分析

混凝土的早期裂缝是指混凝土在施工阶段即出现的裂缝。在施工阶段，早龄期混凝土的抗拉强度和极限拉应变相对较低，混凝土自身的水化作用导致温度、湿度的变化，将会引起混凝土的体积变形（温度变形、自收缩变形），当其体积变形受到各种约束时，会在混凝土内部产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时就会引起混凝土的开裂。

1.2 高性能混凝土产生裂缝的原因

混凝土是一种非均质复杂多相的混合材料，高性能混凝土低水胶比的特点导致混凝土结构开裂越发严重，其开裂与混凝土的受约束程度、变形大小和抗拉强度有关。

早龄期混凝土的体积变化最为强烈，其弹性模量迅速增长、徐变松弛作用减小，加上高性能混凝土水灰比低，混凝土的泌水明显减少，表面水分蒸发后不能够及时得到补充，在混凝土表面发生干燥收缩，体积缩小，这时混凝土尚处于塑性状态，受到约束产生的拉应力很容易就会超过其抗拉强度，使混凝土表面出现不规则裂缝［1］。所以因混凝土体积变化导致的开裂在早期更容易发生。

1）温度变形

由于混凝土内部温度随水泥水化而升高，最后冷却到环境温度时所产生的收缩。混凝土在水化初期，水化反应剧烈、水化放热量大、放热速度快，由于混凝土是热的不良导体，水化热聚集在混凝土内部不易散出，产生膨胀，而表面水化热散失快，发生收缩。混凝土在浇筑后的3～5d内其内部温度达到最高，因为混凝土内外散热条件不同，使混凝土内外温差大，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力，内部膨胀和外部收缩相互制约，在混凝土中产生过大的拉应力致使混凝土出现裂缝［2］。

2）自收缩变形

自收缩是由于水的迁移引起的，是在外界无水分交换的情况下因水泥水化消耗浆体内部水分而产生的［3］。自收缩在混凝土体内均匀发生，低水灰比的自收缩集中发生在混凝土初期，1d内发展最快，3d以后减慢，后期发展更加缓慢，这是因为混凝土的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本终止了。

3）混凝土的干燥收缩

随着空气湿度的降低，混凝土失水引起收缩，但干缩的体积并不等于失水的体积。因为混凝土的干燥首先是气孔水和毛细孔水的蒸发，而气孔水的蒸发并不引起混凝土的收缩，而后发生的失水才会引起收缩［1］。

2 高性能混凝土开裂的防治措施

温度收缩和自收缩是高性能混凝土产生早期裂缝的主要原因，对于干燥收缩，只要加强混凝土早期保湿养护，由湿度变形引起的早期裂缝是可以忽略的。所以采取措施降低温度收缩和自收缩可有效的控制高性能混凝土的早期裂缝。

2.1 优选原材料

1）选用水化热低、高C2S含量的水泥。

2）选用粒径较小的粗骨料。

混凝土的抗压强度随着粗骨料最大粒径的增大而降低，这一现象反映在水灰比越低时越明显。因为粒径大小不同的粗骨料，下部水囊的积聚量也不同，大粒径粗骨料的下部比小粒径粗骨料有更多的水富集，水囊中的水蒸发后，则在粗骨料下界面产生界面裂缝，因此，大粒径粗骨料下部的界面缝必然比小粒径粗骨料的宽［3］。

3）选用优质矿物掺合料

粉煤灰作为掺合料加入混凝土中，使水泥掺量相对减少，减少水化热，水泥水化生成的Ca（OH）2数量也减少。降低混凝土的水胶比，由于粉煤灰的水化较为缓慢，使混凝土拌合物的初始水灰比要比实际大得多，水化迅速而充分，产生大量水化产物去填充混凝土内部相对较小的孔隙，释放出的Ca（OH）2则与粉煤灰参与后续的水化，使混凝土随龄期的增长而更加密实［4］。

超细矿渣对混凝土强度改善主要取决于它的2个综合效应［5］：一是“微粉体”作用对混凝土起到润滑作用，从而提高混凝土拌合物的坍落度。它们的掺入填充了水泥颗粒间的空隙，改变了胶凝材料的颗粒级配，使混凝土形成细观层次的自紧密体系，从而提高了强度，使硬化后的混凝土具有良好的耐久性。二是与Ca（OH）2的二次反应（填充效应、粉煤灰效应、微集料效应）生成C－S－H凝胶，使界面过渡区增强，其水化需水量大，水胶比越大，则混凝土7d的抗压强度就越大。

矿渣与粉煤灰混合使用，在水化反应过程中，有效降低混凝土的水化热，并显著降低混凝土的用水量，从而抑制了混凝土的干缩，提高混凝土抗开裂性能［5］。

4）外加剂

高效减水剂通过提高水泥凝聚体的分散度，改变吸附水和游离水的比例，提高游离水的数量，从而提高水泥浆体的流动性和稳定性。在初裂发生时，混凝土处于凝结硬化的初期，没有形成足够的强度抵抗收缩，阻止混凝土的开裂，所以当失水速率较大时，产生的塑性收缩也越大［3］。

低水灰比时随着高效减水剂掺量增加，混凝土的凝结时间延长，水泥水化程度相对减小，混凝土早期的毛细孔比掺量低的相对较粗，干燥收缩值相对较低；同时高效减水剂掺量高而产生明显的缓凝后，产生的“滞后效应”会导致混凝土总收缩相对减小。

为了解决混凝土收缩开裂，利用钙矾石的膨胀来弥补收缩。所以，在混凝土中掺入膨胀剂是解决混凝土开裂的有效措施之一。膨胀剂加入混凝土中，在水泥凝结硬化过程中能产生体积增大的水化产物，从而表现出膨胀性能，这是因为结晶态膨胀组分由于晶体生长穿透周围物质而向外生长（晶体生长理论）和凝胶态膨胀组分由于吸水而体积增大（吸水肿胀理论）［6］。

膨胀剂和粉煤灰等矿物掺合料复合，再加上缓凝型外加剂，可以降低混凝土水化热引起的温度梯度，可以协调温度应力与混凝土的初期结构强度，从而减少和防止温度裂缝的出现，提高混凝土的体积稳定性［8］。

5）纤维

纤维有阻裂、增强、增韧的作用，以三维乱向均匀分散在水泥基材中，使之处于限制收缩状态。当混凝土达到极限抗拉强度时，混凝土表面出现开裂。通过对纤维的复合材料理论和间距理论的分析可得，纤维的加入，可吸收大量的能量，减少应力集中，提高水泥基材的抗拉强度和变形能力，阻止基材中裂缝的扩展和延缓新裂缝的产生［7］。

2.2 优化混凝土配合比

在保证混凝土强度和工作性的前提下，应尽量选用高水灰比，减小混凝土胶集比，有效减小混凝土绝热温升和温度应力［2］。

2.3 合理化施工

预冷混凝土原材料，在大体积混凝土中预埋冷却水管来降低混凝土的入模温度，加强混凝土保温、保湿养护，控制混凝土降温速率。

3 结 论

a.优选原材料，并选用优质矿物掺合料，减少水泥用量和用水量，降低混凝土水化热，从而抑制混凝土的干缩，提高混凝土抗开裂性能。

b.在混凝土中掺入高效减水剂，水泥水化程度相对减小，同时高效减水剂产生的“滞后效应”会导致混凝土总收缩相对减小。

c.纤维有阻裂、增强、增韧的作用，掺入到混凝土内部，可吸收大量能量，减少应力集中，提高水泥基材的抗拉强度，阻碍裂缝的发展，减小混凝土的裂隙程度，从而提高水泥基材的变形能力。

d.在工程实际中，合理安排施工，降低混凝土入模温度，及时做好养护工作，使水泥有足够的水分进行水化反应，避免混凝土出现早期裂缝。

［1］姚 燕.高性能混凝土的体积变形及裂缝控制［M］.北京：中国建筑出版社，2011.

［2］吴明友，刘 俊，曾 艳.高性能混凝土早期开裂分析与抑制措施［J］.公路交通科技（应用技术版），2008（3）：91－93.

［3］孙跃生.混凝土裂缝控制中的材料选择［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［4］王立久，董晶亮，谷 鑫.不同矿物掺合料对混凝土早期强度和工作性能影响的研究［J］.混凝土，2013（4）：1－3.

［5］张向军，郑秀夫，叶 青.掺超细矿渣和膨胀剂的高性能混凝土试验研究［A］.游宝坤，赵顺增.混凝土膨胀剂文集［C］.北京：中国建材工业出版社，2006：134－139.

［6］鲁统卫，刘永生.膨胀剂在高性能混凝土中的应用研究［A］.游宝坤，赵顺增.混凝土膨胀剂文集［C］，北京：中国建材工业出版社，2006：99－105.

［7］李 艺，赵 文.混杂纤维混凝土增韧及耐久性能［M］.北京：科学出版社，2012.

［8］陈小成.膨胀剂在高性能混凝土中的应用研究［J］.科技信息（科学教研），2008（21）：444－446.