高性能混凝土裂缝的产生和控制

高山鹏 刘海军

摘要：本文主要研究高性能混凝土应用中的一个棘手问题——裂缝。系统介绍裂缝产生和发展的原因，主要包括混凝土收缩（自生收缩、温度收缩和干燥收缩）和养护因素的影响，通过大量分析工程资料和实地勘察，总结一般情况下裂缝的发展趋势，以求对新工程中将要出现的裂缝进行必要的预测。通过实验提出抑制裂缝过早出现和发展的措施，包括：对比研究粉煤灰、矿渣以及不同水泥品种的选用和高效减水剂等外加剂的选取对裂缝的抑制作用，寻求高抗裂性能混凝土原材料的选用和粉煤灰及矿渣单掺与多掺的最佳掺量，提出了对工程实际有实际意义的裂缝控制措施。

关键字：高性能混凝土；裂缝；收缩；粉煤灰；矿渣

中图分类号：TV331文献标识码： A

高性能混凝土（简称HPC）是指采用高效减水剂，掺入粉煤灰、超细矿渣等活性细掺料，在较低水灰比的情况下实现新拌混凝土的高工作度、在混凝土硬化后其细观结构致密的混凝土，其主要优点被称为“三高”[1]，即高耐久性、高强度和高工作性。基于这些优点，高性能混凝土近年来广泛应用于高层、大跨的现代建筑和桥梁结构中，并取得非常好的效果，但也暴露出很多缺点，不容忽视，尤其是早期裂缝问题。

一般来说，混凝土结构的裂缝可以分为两类，一类属于荷载裂缝，即在结构承受荷载作用下才产生的开裂现象，这类裂缝仅占裂缝总量的20%，另一类叫做非荷载裂缝，即在除荷载以外其他作用下产生的裂缝，这类裂缝占总量的80%，其中主要是收缩裂缝，即由于混凝土硬化过程中收缩导致其张力大于混凝土抗拉应力时产生的裂缝。根据混凝土收缩的原因不同，通常将收缩分为自生收缩、温度收缩和干燥收缩等，所谓自生收缩[2]，是指由于高性能混凝土水灰比较低，自由水不足，且密实度高，当自由水被耗尽后，原来自由水占据的空间成为近似真空而产生向内的孔隙压力导致的混凝土收缩，对于普通混凝土结构，自生收缩引起的裂缝仅占总裂缝的很小一部分，但对于高性能混凝土，自生收缩裂缝可占到总裂缝量的一半左右，因而自生收缩是导致高性能混凝土开裂的主要原因。研究表明，自生收缩从混凝土凝结硬化起就已经开始了，尤其在其硬化的前几周内，此时混凝土的强度还很低，抗拉强度很小，结构极易开裂，因此高性能混凝土早期开裂问题是一个非常普遍且严重的问题。

针对这个问题，许多研究人员和施工工作者根据自己多年的工作经验提出很多行之有效的措施，[4]比如调节粉煤灰和超细矿渣的掺量、添加高效减水剂和矿渣活化剂等外加剂、选择合理的水泥品种、加强养护时间控制等等，这里我们将通过分析各种影响裂缝出现和发展的因素找到控制高性能混凝土早期裂缝的有效措施。

1、1. 粉煤灰掺量对裂缝的影响

粉煤灰是从燃烧后的工业废气中回收的烟尘，对减少空气污染有很重要的作用，其主要成分是有活性的氧化铝、二氧化硅、铁的氧化物以及未燃烧的碳等，将粉煤灰掺入混凝土主要有三方面作用：

(1) 形态效应：粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，其密度小于水泥密度，因而用它替换部分水泥后，除填充结构体积外，还能很好的增强混凝土浆体的和易性。

(2)火山灰效应：粉煤灰中的氧化铝、二氧化硅等硅酸盐玻璃体能与水泥和石灰中的氢氧化钙发生反应，生成硅酸钙凝胶，这一方面使得砂浆强度有所增强，另一方面也消耗了强度低、稳定性差的氢氧化钙，提高了混凝土的体积稳定性。

(3)微集料效应：可以将分散在混凝土中的粉煤灰颗粒看作微集料，形成小范围内的微集料混凝土，这样混凝土的工作性和耐久性可以显著提高。

基于以上优点，在高性能混凝土的应用中，工程中普遍选用粉煤灰做活性添加剂,福州大学土木学院做过的实验表明，[3]随着粉煤灰掺量的增加，对高性能混凝土的自生收缩有明显的改善作用；随着混凝土强度等级的提高，其白收缩值随之增大。如图1所示：

图1粉煤灰掺量分别为0、10%、20%、30%、40%（质量比）时自生收缩值

Fig.1 Value of autogenous shrinkage strain at proportion of 0,10%,20%,30% and 40% of fly ash

这可能是由于：在混凝土中掺加粉煤灰，相当于降低水泥用量，提高水灰比。而由于粉煤灰的火山灰性质，使得混凝土早期单位体积水化产物的数量减少，即水化程度较低使得混凝土的孔隙率相对较高，内部的相对湿度降低也较慢。实验表明，粉煤灰掺量对干燥收缩的影响与自生收缩类似，粉煤灰掺量为30％时，两种收缩值降低幅值都较大。可见适当掺加粉煤灰不仅可以提高高性能混凝土的强度，还可以显著提高其抗裂能力。

2、大掺量超细矿渣和聚丙烯纤维共同掺加对裂缝的影响

超细矿渣粉是指符合国家标准的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨到达相当细度且符合相应活性指数的粉体，其中起主要作用的是活性的二氧化硅。混凝土中掺入超细矿渣，除了可以降低水灰比、减小坍落度损失、降低水泥用量和水化热、提高混凝土的抗冻性和抗腐蚀性、延长结构使用寿命外，还可以显著增强高性能混凝土的抗裂性，因为在混凝土硬化过程中，超细矿渣中的某些成分可以跟水泥发生反应，使混凝土体积有所膨胀，抵消补偿由于收缩引起的部分收缩应力和体积损失，减少裂缝的出现。[6]一般来讲，超细矿渣的掺量在水泥质量的50%左右。

在提高高性能混凝土工作性能的同时，掺加超细矿渣还有些不容忽视的缺陷，如导致混凝土脆性大、和易性和可泵性差等问题，基于此，南京水利科学研究院的多名学者提出在高性能混凝土中加入矿渣活化剂和聚丙烯纤维来提高其抗裂性能，并进行了试验对比。[7]

试验选取三个不同配比的对比试验，第一组不掺加矿渣、纤维和活化剂，第二组用超细矿渣替代61%的水泥，并加入4%的矿渣活化剂，掺加矿渣活化剂有助于改善高性能混凝土的工作性和其体积稳定性，第三组在第二组的基础上再加入0.9kg/m3的聚丙烯纤维，试验结果如表1：

表1 不同配比混凝土试块的强度对比

Table.1 Strength of different concrete samples

组 立方体抗压强度

/MPa 轴心抗压强度

/MPa 轴心抗拉强度

/MPa 抗拉弹性模量

/GPa 抗压弹性模量

/GPa 极限拉应变×10-6

28d 56d

第一组

T1 56.2 56.9 47.4 2.68 40.0 31.6 115.1

第二组

T2 43.1 47.1 44.3 2.52 33.6 32.4 125.0

第三组

T3 43.0 47.6 43.1 2.60 33.5 31.6 137.5

从表1中可以看到，T2、T3与T1相比，早期强度均较低，这是因为掺入超细矿渣后混凝土中水泥量减少导致PH值降低，活性的硅酸盐和铝酸盐溶解能力下降，导致生成水化硅酸钙减慢，因而砼强度提高很慢；T2与T3相比，掺加聚丙烯纤维后的极限拉应变明显增大，且T3的极限拉应变已超过混凝土的极限拉伸值，说明掺加聚丙烯纤维能提高混凝土抗拉能力，进而显著提高其抗裂能力，[1][8]表面裂缝情况对比如图2：

图2混凝土表面裂缝状况

Fig.2 Situation of cracks on surface of concrete samples

对比发现，T2比T1裂缝明显减少，T3表面没有明显裂缝，说明复掺矿渣活化剂和聚丙烯纤维的效果非常理想。

3、其他方面对裂缝的影响

除粉煤灰、矿渣、矿渣活化剂和外加纤维以外，高效减水剂、引气剂、膨胀剂等外加剂的适当选用以及合理的养护对高性能混凝土裂缝的出现开展也有很好的抑制作用，例如，采取内养护技术[9]，即在混凝土内部加入饱水内养护剂，在结构缺水时可以从中析出水供混凝土使用；早期供水养护对粉煤灰高性能混凝土的强度和收缩有极大的影响，带模供水养护可以有效抑制混凝土的收缩，在养护水中使用减缩剂也有减小收缩的作用。[10]

4、结语

通过实验分析，关于抑制高性能混凝土早期裂缝的方法，我们有以下结论：

（1）适当掺加粉煤灰替代部分水泥，一般替代30%时抗裂性能最佳；

（2）当超细矿渣掺量超过50%时，要加入矿渣活化剂以增强混凝土的体积稳定性和工作性；

（3）每立方米加入0.9kg聚丙烯纤维，可显著提高高性能混凝土的抗拉能力；

（4）加强早期养护供水可以有效降低混凝土收缩量。

（5）

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