高性能混凝土收缩裂缝影响因素及机理研究综述

王丹，马彪，秦鸿根

（1.中交一公局第二工程有限公司，江苏　苏州　215151；2.东南大学材料科学与工程学院，江苏　南京　211189）

高性能混凝土收缩裂缝影响因素及机理研究综述

王丹1，马彪2，秦鸿根2

（1.中交一公局第二工程有限公司，江苏苏州215151；2.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京211189）

与传统混凝土相比，现代商品混凝土具有大流动性和保坍性能，能满足远距离运输和泵送施工要求，但由于其组成材料的变化，高砂率和大流动性造成混凝土收缩裂缝的问题比较严重。本文总结了国内外科研人员的研究成果，分析了高性能混凝土收缩与开裂的机理及其影响因素，并提出相关解决办法。

混凝土；收缩裂缝；开裂机理；抗裂技术

0　前言

随着水泥生产工艺的改进和高效减水剂的应用，混凝土强度也越来越高，高强混凝土广泛应用于高层建筑中，但混凝土仅具有高强度并不能满足实际要求，于是在此基础上高性能混凝土开始发展，人们习惯将满足强度和某些耐久性要求的大流动性混凝土称为高性能混凝土。

内维尔[1]在对高性能混凝土进行多年的研究之后，提出高性能混凝土的“高性能”应该体现在混凝土材料具有高密度、弹性模量大、抗渗性好、耐冲击等方面。高性能混凝土的主要特征有：水胶比0.25～0.35；胶凝材料总量400～550kg/m3；掺合料主要有粉煤灰、矿粉和硅灰；单位体积用水量低；使用高效减水剂等[2-4]。目前学术界对高性能混凝土形成较统一的看法：高性能混凝土不仅具有高强度还具有高工作性和高耐久性。实现以上三个特点的混凝土必须建立在高体积稳定性的基础之上，但随着现代工程建设中泵送混凝土的使用，混凝土早期开裂现象也越来越严重[5]。根据中商产业研究院数据库（AskCIData）最新数据显示：2014年中国商品混凝土累计产量达15.5亿立方米，2015年全年商品混凝土累计产量约为15.8亿立方米。庞大的建筑工程因为混凝土开裂而产生的维修费用也非常之高。如何控制混凝土开裂现象，并开发出成本较低且方便施工的混凝土裂缝控制技术，对提高混凝土耐久性及建筑工程质量具有很重要的意义。

1　混凝土开裂机理

现代商品混凝土具有大流动性和保坍性能，能满足远距离运输和泵送施工要求，但由于其组成材料的质量不稳定、高砂率和大流动性造成了混凝土收缩裂缝的问题比较严重。高性能混凝土强度高使得胶凝材料用量较高，导致水化热较大，混凝土大流动性还易出现混凝土均匀性差和易产生离析泌水现象，大流动性使得砂率较大，粗骨料用量较低，导致收缩增大和抗裂能力变差。对影响混凝土开裂的几种收缩分析如下：

水化热温度收缩：水泥凝结硬化的同时也放出大量的热，水泥水化热主要是在硬化早期放出，随后逐渐减小。普通硅酸盐水泥水化前3天放热量大约为总放热量的50%，前7天大约为总热量75%。混凝土凝结硬化初期，水泥水化放热量很大，而且混凝土是热的不良导体，水化热储存在混凝土内部不易散发，对于大体积混凝土，其内部温度会上升到50～60℃，甚至更高。这就使混凝土表面和内部产生温度差，于是内部混凝土的体积产生较大的膨胀，混凝土外表产生较大的拉应力，继而出现裂缝[6-7]。

塑性收缩：在新拌混凝土成型后若干小时内发生塑性收缩。此时混凝土基体还处在塑性阶段，没有产生明显的强度。引起塑性收缩的原因包括砂石沉降和毛细管应力差。高性能混凝土工作性较好，处于上层的砂石易沉到底部，从而引起收缩；另外在混凝土内部水分消失前，新拌好的混凝土颗粒间空隙被水充满。一段时间之后，混凝土表层水分蒸发，混凝土内部浆体中水分向外迁移，因此，浆体内孔隙中水形成弯月形，产生毛细管负压，导致浆体的体积发生紧缩。浆体中毛细管负压不断增加，随后达到一个临界压力。在此过程中，浆体中的水不再均匀分布，而是重排成一个个不连续的微型水分区，彼此间存在空隙。塑性收缩在毛细管压力达到临界压力前就已达到最大值，之后不再发生塑性收缩[16]。

环境温度收缩：当冷空气来临、天降大雨、日出日落、拆除模板或撤除覆盖物等情况会导致混凝土表面温度突然降低，覆盖板的时候，形成一定的温度场，也会产生温度应力。因其内部温度变化相对较小而产生温度差，从而产生较大的拉应力，形成温度裂缝[8]。

干燥收缩：干燥收缩是指混凝土在干燥环境中由于内部水分散失而引起的收缩。混凝土内部相对湿度的变化体现了其干燥收缩变化规律[9]。影响混凝土干燥收缩的因素很多，除了自身水灰比、水泥浆体量、粗骨料级配、砂率、减水剂掺量等因素外，环境的温湿度条件对干燥收缩影响也很大[10-11]。

自收缩：自收缩是指在与外界没有湿度交换的条件下由水化反应引起自干燥作用导致的收缩现象[12]。胶凝材料水化消耗内部水分的自干燥作用引起自收缩。60年前，H.E.Davis和 Powers 等发现混凝土的自收缩现象[13-14]；现代高性能混凝土由于混凝土胶凝材料用量大、水胶比低等特点决定其自收缩现象非常显著，自收缩值甚至超过干燥收缩变形的收缩值[15]。

在原材料质量不高、施工控制不到位和环境条件较差的情况下，以上各种收缩的叠加使得混凝土总体收缩变形过大，使得某些部位的混凝土拉应力超过其抗拉强度，造成混凝土基体裂缝的引发与扩展；混凝土各部位组成的不均匀性又使得其收缩不同，在混凝土强度低、收缩大和抗裂性差的部位产生裂缝，这也是造成混凝土开裂的一个重要原因。

2　混凝土开裂影响因素

影响混凝土塑性收缩与开裂的因素很多，如：原材料质量、配合比参数、添加辅助材料、外界环境条件、施工方法与养护方式等。

2.1配合比的影响

2.1.1水胶比的影响

冯浩[17]配制了水胶比为0.16及0.18的两组超高性能混凝土（UHPC），在恒温恒湿风速恒定的环境中得出：水胶比对 UHPC 的早期塑性收缩影响较大，UHPC 的早期塑性收缩是随着水胶比的减小而增大。杨凯[18]配制了坍落度保持在180～220mm、水胶比从0.35增加到0.54的多组混凝土，随水胶比提高，基准混凝土裂缝面积先增加后降低，混凝土塑性收缩增大。翟超[19]从试验中得出：低水灰比对混凝土抗裂性能是不利的，水灰比越低，胶凝材料用量越多，混凝土内部越密实，大量连通孔被堵塞，混凝土内部水分无法通过连通孔补给表层混凝土，这加速了表层混凝土塑性收缩。对于高性能混凝土，水胶比很低时（＜0.4），增加水胶比有利于抗裂；随着水胶比增大，抗裂性能先上升后下降。

2.1.2砂率的影响

砂率提高，界面过渡区体积分数随之提高，混凝土整体动弹模降低，骨料的约束作用被削弱，因此收缩变大[20-21]。且在水胶比较低的情况下，对于相同配合比混凝土，由于粗砂需水量比细砂需水量大。因此砂细度模数越大，混凝土早期开裂现象越严重[22]。

2.1.3单位用水量的影响

混凝土用水量过多也会导致塑性开裂[23]，在水胶比不变的情况下，用水量增大，一方面，产生收缩的总量增大；另一方面，骨料用量降低，限制收缩组分含量降低，因而引起混凝土开裂。

2.1.4减水剂的影响

掺减水剂的混凝土，流动性增大，易产生离析泌水现象。掺加减水剂之后，混凝土的单位开裂面积和最大裂缝宽度都大于未掺减水剂的普通混凝土，减水剂会增大混凝土的早期塑性收缩[24]，因为掺入减水剂后由于其吸附分散作用，水泥粒子在浆体中均匀分散，与水的接触面变大，因此加快了水泥初期水化速度，混凝土中热量释放加速，在温度较低时更加大了内外温差，产生了更大的变形，更易开裂[25-26]。不同种类减水剂对混凝土干燥收缩影响不同，聚羧酸系减水剂配制的混凝土开裂倾向低于萘系减水剂[27]，若复掺少量减缩剂，抗裂效果更好[28]。

2.2粗骨料的影响

粗骨料在混凝土中含量越高，抗裂性能越好[29]，石子本身体积稳定性好，几乎无温度收缩，且线膨胀系数小，产生的温度应力也较小，而且对于水泥石收缩起作用的则是粗骨料，其含量越多，产生的混凝土收缩越小。但粗骨料本身性质也会影响抗裂性能，如：粗骨料吸水率越高，混凝土的收缩变形越大，不同种类的石子对混凝土抗裂性能影响不同，玄武岩混凝土因其粗骨料吸水率低，开裂性能低于花岗岩混凝土[30]。孙家瑛[31]认为再生细骨料混凝土塑性收缩开裂风险比同配合比普通混凝土大，因为再生细骨料除了砂还包含硬化水泥浆颗粒，因此增大了混凝土的孔隙率和孔径，加快了其失水速率。

2.3掺合料的影响

2.3.1粉煤灰的影响

对混凝土的抗裂性能而言，粉煤灰的最优掺量因其品种的不同而不同。由于早期粉煤灰的相对惰性，参与水化反应的程度不高，微集料效应更明显，所以对于同掺量粉煤灰，具有更多玻璃微珠的粉煤灰有更优的抗裂性[32]。翟超[33]认为：在水灰比一定时（0.34～0.4），单位面积总开裂面积随着粉煤灰掺量的增加先减小后增大，但粉煤灰掺量对单位面积总开裂面积影响不如水灰比显著。庞超明[37]认为煤灰掺量为10%～20% 时，粉煤灰掺量对早期抗裂性的影响不大，反而10% 略优。周小菲[34]认为：在较为温和的环境中，粉煤灰的掺入能够提高混凝土的抗裂能力，避免混凝土的开裂，但在炎热干燥的严酷环境中，粉煤灰的掺入会使混凝土开裂的时间提前，即降低了混凝土的抗裂能力。混凝土中掺粉煤灰后，早期水化热降低，混凝土开裂倾向降低。

2.3.2矿渣的影响

张西玲等[35]研究了在高掺量下，矿渣掺量和细度两个参数对胶凝材料收缩性能的影响，发现矿渣可以降低水泥胶砂干缩值，且最佳掺量是75%、最佳细度是550m2/kg。在低掺量下，池远东[36]认为：在矿物掺合料总掺量相同情况下，单掺粉煤灰混凝土比复掺矿物掺合料混凝土具有更好的抗裂性能。对于复掺矿物掺合料的混凝土，随着掺加的矿物掺合料总量增加，混凝土开裂时间提前，开裂情况更严重，这表明只有适量复掺矿物掺合料才可以提高混凝土的抗裂性能。庞超明[37]也认为单掺粉煤灰略优于双掺粉煤灰和矿渣微粉。

掺加掺合料使混凝土抗裂性能提升，因为：① 混凝土工作性增强，强度和密实性提升，有效减少裂缝的发生；② 水化热降低，温度应力降低，抑制碱骨料反应；③ 掺合料具有一定的颗粒充填效应以及火山灰效应，能够有效降低水泥浆中的孔隙率，提高弹性模量和强度，提高阻裂水平[38]。

2.4环境因素的影响

在实际工程中，混凝土浇筑完成后，在周围高温大风环境中很容易开裂。主要是混凝土内外温度差较大容易导致混凝土产生较高的温度应力而开裂[39-40]；另外，环境温度持续的保持在高温阶段，加大了混凝土早期失水速率，增大收缩，同样会导致混凝土产生裂缝[41]。在混凝土拆模后的几小时内，如果环境湿度较低，混凝土表层失水迅速，但在距表面几毫米的内部，水分变化很小，这导致混凝土表面层产生很大湿度梯度，从而产生干缩开裂[42]。

3　混凝土抗裂技术

3.1控制混凝土原材料质量

混凝土原材料的质量对混凝土性能有着十分重要的影响，制备收缩抗裂混凝土所用原材料的性能必须满足其相关标准的质量要求。水泥对混凝土收缩影响较大，应选用低碱性、比表面积较小（300～350m2/kg）、C3A含量低的水泥；选用优质活性掺合料，采用粉煤灰和矿粉双掺；骨料的质量对混凝土抗裂性有较大影响，应控制含泥量和泥块含量，选用级配良好的中粗砂和连续级配、空隙率小的石子；选用减水率高收缩率比小的高性能减水剂。

3.2优化混凝土配合比参数

混凝土配合比参数对混凝土的抗裂性影响很大，为提高混凝土体积稳定性，在混凝土配合比设计时应遵循抗裂混凝土的配合比设计法则：即低水泥用量、低用水量、适当水灰比、最大骨料堆积密度，还有活性掺合料和高效减水剂的双掺等。在保证满足设计和施工要求工作性的条件下，尽可能提高混凝土中粗骨料含量，降低砂率和减少浆体的含量，同时控制其混凝土流动性和均匀性。

3.3混凝土其他抗裂措施

3.3.1纤维的作用

目前我国研究和工程中广泛应用的纤维主要是碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维和钢纤维。纤维在土木工程材料中有增强增韧阻裂作用，向普通混凝土中掺入纤维，可以阻碍混凝土早期体积收缩，因此也能提高混凝土抵抗内部产生微裂缝的能力，提高抗裂性能[43]。李美丹[44]在研究中对掺加不同种类纤维大掺量矿物掺合料混凝土抗裂性能进行排序：纤维增强高性能膨胀混凝土>纤维增强高性能混凝土>混杂纤维增强高性能混凝土＞混杂纤维增强高性能膨胀混凝土＞高性能膨胀混凝土。并且向混凝土中同时掺入膨胀剂与钢纤维，混凝土抗裂性能更好。夏杰[45]在建立有限元模型后发现：聚丙烯腈纤维对混凝土早期塑性收缩开裂具有良好的阻裂效果，当纤维掺量较低时（体积分数＜2%），其阻裂效果随着纤维掺量的增加而增强；混杂纤维的抗裂效果最佳；由试验对比发现：混凝土中掺加0.1% 聚丙烯腈纤维和0.5% 钢纤维时，抗裂效果最好。由于普通纤维掺量较高时易团聚，肖永新[46]使用了新型的 UF500纤维素纤维掺入混凝土来提高混凝土抗裂性能，能有效抑制由于混凝土塑性收缩、温湿度变化等引起的裂纹的形成及发展。UF500纤维在混凝土中分散很容易，且纤维分散后不会再次团聚。

纤维的抗裂机理主要是防止裂缝的扩展以及阻止裂缝与裂缝之间的贯通而起作用的，其临界间距值为10mm。掺加多种纤维的混凝土抗裂性能优于掺加单一品种纤维的混凝土。

3.3.2膨胀剂和减缩剂的作用

膨胀剂和减缩剂的作用不可一概而论，这是一把双刃剑。周小菲[34]发现当粉煤灰掺量小于30%，掺适量硫铝酸钙—氧化钙类膨胀剂能够提高混凝土抗裂性能，但粉煤灰掺量较高时，同样的措施会使混凝土抗裂性能变差。钙矾石类膨胀剂抑制混凝土早期收缩效果很明显，但较难控制混凝土后期收缩，因为对膨胀进行约束后干燥收缩较大，为了更好地发挥膨胀剂的补偿收缩作用，可以进行早期水养护和延长水养护时间[47]。膨胀剂水化产生 Mg(OH)2和 Ca(OH)2，水化后体积膨胀，从而降低混凝土收缩。

朱耀台[48]认为：减缩剂对水胶比不高的混凝土早期的收缩有良好的减缩效果；对于 w/c<0.32的低水胶比混凝土而言，通过它的掺用可以减小很大部分自收缩，对总收缩的降低意义比较大，并且膨胀剂在补偿收缩方面的效用需要有良好的养护； 但对 w/c>0.47的高水胶比混凝土而言，如果进行良好的早期保湿养护，掺加减缩剂的效果不明显，因为占收缩绝大部分的干缩可以通过养护得以避免。

郭江华[49]、杨恒阳[50]利用工业废料锂渣进行高性能混凝土抗裂试验研究，掺加锂渣后，混凝土显示出了较好的抗裂性能。锂渣具有良好的自身微膨胀性和火山灰活性，可以抵消一部分混凝土收缩。

3.3.3内养护剂的作用

为了解决高性能混凝土开裂问题，很多专家学者研究高性能混凝土早期收缩开裂的控制技术，通过添加辅助抗裂材料来提升混凝土抗裂性能。

秦鸿根[51]、王发洲[52]将 SAP 掺入高性能混凝土中，高性能混凝土早期开裂面积有显著的降低。属于典型功能高分子材料的高吸水树脂 SAP，其显微结构中的聚合物分子网状结构内部遇水产生内外渗透压并吸收水分，SAP 颗粒急剧膨胀，吸水率很高。SAP 掺入混凝土中，能够较好地保存混凝土中的水分，随着混凝土水化的持续进行，SAP 中水分慢慢向周围扩散，并且不会对混凝土的力学强度造成较大的负面影响，并且产生的孔隙可以提高混凝土抗冻融能力。

3.4施工中的抗裂技术

进行混凝土浇筑时，振捣不当，漏振、过振或振捣棒抽插过快，这些均会对混凝土的密实性和均匀性有较大影响，进而产生裂缝。搅拌时间过长或过短，导致混凝土不均匀；以及拌合后到浇筑时间间隔过长等，也易产生裂缝。混凝土浇筑时间过长，各结构接触部分处理不当，易产生裂缝[53]。可以采取以下措施来预防裂缝的产生：对大面积混凝土进行表面湿养护；对大体积混凝土做好拆模后的保温或者降温措施；现场施工的时候避免在雨雪大风天气进行；对于地下连续墙结构，实施回填措施。

4　结论与展望

本文总结了国内外在提高混凝土限缩抗裂方面的相关研究成果，分析了高性能混凝土收缩开裂机理和影响因素。为了提高混凝土抗收缩开裂性能，应该严格控制原材料的质量，选用级配合格、含泥量和泥块含量低的骨料；根据设计和施工要求设计配合比、采用低砂率、优质掺合料和高性能减水剂复掺技术，根据需要掺用一定量的纤维、膨胀剂或减缩剂；还应该采用必要的施工控制和养护措施来保证和提高混凝土抗收缩开裂性能。

上述研究均可减少混凝土开裂现象，提高抗裂性能，但是仍有进步空间。目前，在混凝土收缩开裂研究方面仍存在诸多不足，裂缝在严酷环境下依旧存在；在实验室中进行试验，混凝土体积小、面积小，而实际工程中则以大体积大面积混凝土为主，尽管有些科研人员进行相关模拟，但混凝土浇筑现场的环境变化更复杂，不仅有湿度的变化，温度以及风速等均会影响混凝土开裂风险； 对于某些建筑结构，结构设计也会影响混凝土构件的受力情况，可能导致混凝土开裂。文中提到诸多提升抗裂性能的方法，仅仅是降低开裂倾向，尚无研究能够用相对简单的方法彻底消除混凝土开裂现象。在加强养护、限制收缩之外，如何提高水泥机体相互黏结能力也是值得考虑的问题。

未来对于混凝土抗裂性能的研究，应该从多因素耦合角度考虑；目前的混凝土抗裂性能评价方法依旧不太可靠，平板抗裂法偶然性较大，圆环抗裂法因为体积过小，因而代表性不强，以后的研究中应提出更可靠的混凝土抗裂评价方法。有些掺辅助抗裂材料如高吸水性树脂，因为价格较贵，可以使用价格低廉的保水陶粒取代。除此之外，如何改善施工现场混凝土均匀性也是值得研究的课题。

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［通讯地址］江苏省苏州市工业园区东方之门东地铁1号线3号口中交一公局星港街过街天桥项目经理部（215151）

A review of study on shrinkage and anti-cracking performance of high-performance concrete

Wang Dan1, Ma Biao2, Qin Honggen2
(1.Second Engineering Co., Ltd., The First Highway Bureau of China, Suzhou215151;2.School of Materials Science and Engineering Southeast University, Nanjing211189)

Compared with the traditional concrete, modern reay-mixed concrete with high fluidity and slump retention performance, it can satisfy the long-distance transport and pumping requirements, due to changes in the composition of the materials, high sand ratio and high fluidity caused the shrinkage crack of concrete become a serious problem. This paper summarizes the research achievements of domestic and foreign researchers, the mechanism and influence factors of shrinkage and cracking of high performance concrete are analyzed, and put forwards some solutions.

high-performance concrete; shrinkage; cracking mechanism; anti cracking technology

王丹，男，试验室主任，助理工程师。