混凝土复合减缩抗裂技术最新研究进展

罗源兵，张武宗，张远

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

裂缝是混凝土结构中最易发生，也是最严重的质量问题。混凝土结构裂缝发生后，在荷载和环境侵蚀作用下，裂缝会进一步激化和扩大，引起钢筋锈蚀，建筑物整体安全性能严重下降，大大缩短其工程项目使用年限[1]。混凝土裂缝包括塑性收缩裂缝、自收缩裂缝、干缩裂缝、温度收缩裂缝、沉降裂缝、冻胀裂缝、施工裂缝等。据统计，混凝土的裂缝有 80% 是由混凝土自身的收缩变形引起的，由外部荷载引起的裂缝只占20%[2]。因此，研究和解决收缩变形引起的裂缝问题是解决混凝土裂缝的主要方向。

目前解决混凝土收缩开裂的主要手段有在混凝土中添加膨胀剂、减缩剂、纤维、内养护剂和矿物掺合料等。然而，上述减缩防裂措施各有自己的使用条件或限制，其使用效果也各不相同。虽然使用单一的减缩措施可以在一定程度上减少混凝土材料的收缩开裂，但在某些抗裂要求较高的混凝土工程，使用单一的减缩措施并不能满足其抗裂防渗要求，或者会导致混凝土其他性能劣化。因此，许多研究人员以组合使用两种或更多种减缩防裂措施，使各种减缩防裂措施可以取长补短，发挥其协同或叠加作用，取得了极好的综合效果。本文主要从内养护与膨胀剂复合、纤维与膨胀剂复合、减缩剂与膨胀剂复合、减缩剂与纤维复合、内养护与减缩剂复合五个方面阐述当前混凝土复合减缩抗裂技术的最新研究进展和存在的问题。

1 混凝土复合减缩抗裂技术

1.1 膨胀剂和内养护复合

通过膨胀剂的补偿收缩来减少混凝土的温度收缩和干燥收缩，从而抑制混凝土的收缩开裂，已成为在实际工程中控制混凝土开裂的主要措施。膨胀剂主要通过水化反应产生体积膨胀物质，所需水量大。但是，在低水胶比高强混凝土中，外部水分难以进入内部，内部处于缺水绝湿状态，膨胀剂不能充分水化，膨胀剂的补偿收缩效应不能充分发挥，导致使用膨胀剂并没有有效降低混凝土的收缩裂缝。低水胶比高强混凝土中，加入内养护剂不仅可以降低混凝土本身的自收缩，还能提供膨胀剂水化所需的水分，通过内养护剂和膨胀剂二者的叠加作用，大大降低混凝土的裂缝产生[3]。

Li[4]在恒温、变温条件下，研究预湿轻骨料和膨胀剂的结合使用对混凝土收缩变形的影响。结果表明，预湿轻骨料在降温阶段具有比膨胀剂更强的减缩效果，并能在后期提供连续的膨胀。通过将预湿轻骨料和膨胀剂组合使用，使混凝土的收缩变形显著减少，并能够抑制由单一的膨胀剂引起的机械性能的降低。

秦鸿根[3]在膨胀混凝土中加入聚合物吸水树脂（SAP），因为吸水树脂的吸水—释水作用，有利于混凝土中钙矾石的生成和水泥水化程度的提高，可显著提高膨胀混凝土的早期膨胀值和限制膨胀率，且对强度无不利影响。丁庆军[5]在 C60 自密实混凝土加入内养护材料和膨胀剂，结果表明，复掺内养护材料（AN-ICA）和膨胀剂（硫铝酸水分钙—氧化钙型）比单掺膨胀剂，可以有效降低自密实混凝土的干燥收缩和自收缩。并采用聚羧酸减水剂、内养护剂和膨胀剂成功制备出低收缩抗裂 C60 自密实混凝土。胡玉庆[6]在砂浆中复掺高倍吸水树脂（SAP）与 MgO 膨胀剂，发现可降低砂浆的干缩和自收缩，但同时砂浆的粘聚性会增加，从而导致其流动性降低。

陈波[7]采用温度—应力试验法研究了 SAP 和 UEA复合使用对混凝土的温度—应力发展的影响规律，发现SAP 和 UEA 的复合使用，可以提升其升温阶段的压应力，降低拉应力在降温阶段的发展速率，使开裂温度降低，延长了其裂开的时间。

胡曙光[8]在高强微膨胀钢管混凝土中加入饱水页岩陶粒，因为预湿陶粒的内养护作用，在混凝土内部相对湿度降低的情况下释放的水分降低了自收缩，同时释放的水分有利于膨胀剂和未水化的水泥继续水化，从而减少了混凝土的体积收缩。然而，饱水页岩陶粒的加入会降低混凝土的抗压强度，因此有必要控制其合理的含量。

1.2 膨胀剂和纤维复合

膨胀剂可以有效的降低混凝土的干缩裂缝，但对因其塑性收缩产生的裂缝，效果却不明显，尤其是养护不好的部位。而在混凝土加入纤维，纤维的阻裂作用能抑制混凝土的早期塑性开裂。将二者复合使用，可以产生叠加作用，有效降低混凝土的收缩开裂[9,10]。

孙伟等人[11]研究复合纤维和膨胀剂对混凝土抗收缩和抗渗的影响，结果发现使用复合纤维和膨胀剂后，可以提高混凝土的内部界面强度，而且混凝土的抗收缩性和抗渗性得到了改善。王爱国等人[12]研究了钢纤维与 MgO 膨胀剂复合使用对混凝土强度、透气性和孔隙率的影响，得出了与孙伟等学者相近的结论，即钢纤维与 MgO 膨胀剂可以使砂浆孔隙结构和混凝土纤维基体界面结构得到改善，从而提高混凝土力学和抗渗性能。但是 Toutanji[13,14]研究了聚丙烯纤维增强硅灰膨胀混凝土的氯离子渗透性，却发现聚丙烯纤维会增加混凝土的孔隙率，因为纤维分散性差，且和水泥基体粘结性差，从而导致渗透性增加。所以如何提高混凝土中纤维分散性和与基体的粘结性是应该着重考虑的问题。

Corinaldesi[15]等发现如果一起使用 CaO 膨胀剂与镀铜纤维，能极大增加混凝土抗弯强度。通过微观分析，发现是由于在碱性环境下黄铜脱锌，在纤维与水泥浆体界面形成羟基锌酸钙晶体，增加了纤维与基体之间的粘结力。其纤维与水泥浆体界面的微观分析见图 1。

纤维品种对膨胀补偿收缩的混凝土的影响各不相同。Cao[16-18]研究了聚丙烯纤维和钢纤维与膨胀剂联用对自密实混凝土早期开裂的影响，结果发现聚丙烯纤维较钢纤维有更好的抗裂效果，纤维与膨胀剂联用比只用纤维的自密实混凝土，抗裂效果要高 70%。Afroughsabe[19]研究了双钩钢纤维及膨胀水泥对纤维增强混凝土中的影响，结果发现用膨胀水泥在提高混凝土体积稳定性的同时，拉拔阻力较普通水泥提高了 26%。而双钩钢纤维用其他纤维代替会引起强度的降低。

1.3 减缩剂和膨胀剂复合

Maltese[20]研究了氧化钙类膨胀剂和丙二醇醚类减缩剂对水泥砂浆体积稳定性的影响，发现二者复合使用可以产生协同作用，从而大大减少砂浆的收缩。进一步通过微观分析研究，作者认为减缩剂的有机疏水分子结构能减少水的介电常数，降低氢氧化钙的溶解度，促进大量氢氧钙石晶体的形成，产生体积膨胀，补偿砂浆的收缩。

图1 纤维的 SEM （大图为纤维和膨胀剂，小图为纤维）和能谱分析（记为 A,B,C）[15]

有学者通过研究单独使用减缩剂（SRA）或膨胀剂时，并不能完全避免收缩开裂的风险，而 SRA 与膨胀剂复合，则可以产生协同效应，大大降低混凝土的收缩开裂[21]。SRA 的加入可以减少水分蒸发，使混凝土内部保持相对较高的湿度，为膨胀剂水化反应提供了良好的湿养护环境[22]。

Meddah[23]研究 SRA 和膨胀剂复合对硅灰高性能混凝土自收缩和自应力的影响，混合加入 SRA 和膨胀剂可显著降低混凝土的自收缩和自拉应力，同时混凝土的劈裂拉伸和抗压强度、弹性模量也略有降低。

Collepardi[24]将减缩型聚羧酸减水剂和 CaO 膨胀剂复合使用在没有湿养护和收缩的室外楼板中。在碱性条件下，该减缩型聚羧酸减水剂的减缩基团会从主链上释放出来，会减少孔隙溶液的表面张力，从而增加混凝土的限制膨胀率。该室外楼板浇筑 8 个月后，没有明显裂缝产生。

Monosi[25]研究了硫铝酸钙膨胀剂和减缩剂对不同水胶比砂浆的影响效果，结果发现减缩剂能增加砂浆的自由膨胀，却不会增加其膨胀损失。同时，发现减缩剂会在早期轻微延迟钙矾石的形成，而且会显著改变钙矾石晶体的形态，使其变得更为细长。SEM 微观扫描图片见图 2。

Cheung[26]研究用硫铝酸盐水泥替代波特兰水泥和添加 SRA 对不同水胶比的高强纤维增强水泥基复合材料收缩性能的影响。在低水胶比时，用 SRA 比硫铝酸盐水泥替代更能减少混凝土的收缩，而在高水胶比时，硫铝酸盐水泥替代普通水泥则更为有效。当二者联用时，减缩效果最为显著，可降低 70%～80% 左右。

图2 (a) 6h 水泥净浆 SEM 照片（不含 SRA)；(b) 6h 水泥净浆 SEM 照片（含 SRA）[25]

1.4 减缩剂和纤维复合

水泥砂浆掺入纤维，会在拌和过程中引入大量的空气，包裹在砂浆中的气体会降低对砂浆的强度和耐久性[27]。Chan[28]发现在混凝土中加入 SRA，会破坏气泡的稳定性，并使气体在搅拌过程从混凝土中排出。另一方面，在纤维增强混凝土中，纤维的润湿性对混凝土性能有重要影响。亲水性的纤维，即具有较低的接触角，更容易在其周围形成更紧密的界面过渡区，与基体的结合力更强。而疏水性纤维则相反，它会排斥水分，形成多孔界面，与基体的结合力较弱。在混凝土中加入SRA，会降低水泥浆中的水的表面张力，减小接触角，进而改善纤维—基体结合力[29-31]。Wang[32]研究了不同浓度的减缩剂对纤维增强水泥基复合材料的影响，SRA能减小纤维的接触角，增加纤维的润湿性。在纤维增强砂浆中加入 SRA，在减少砂浆含气量的同时，还能显著增加钢纤维砂浆的抗弯强度。

Passuello[33]在纤维增强混凝土中加入减缩剂，即使纤维用量减少，也能产生较好的抗裂性能。在实际生产中，这可以使混凝土纤维更易分散均匀，而且可以降低成本。试验结果如图 3 所示。

Soliman[34]研究了硅灰石纤维和减缩剂对混凝土早期收缩和开裂的影响，结果表明，加入硅灰石纤维可以提高混凝土的早期抗压强度，弥补了加入 SRA 引起的抗压强度降低。同时加入硅灰石超细纤维降低了水下混凝土中 SRA 的浸出，提高了 SRA 减缩抗裂的效果。

Gong[35]在陶粒混凝土中添加减缩剂和聚丙烯纤维，发现二者混合使用可以极大降低陶粒混凝土的自收缩和干燥收缩。

图3 减缩剂和纤维对混凝土裂缝宽度的影响

1.5 内养护和减缩剂复合

乔墩[36]研究了减缩剂预饱和轻骨料对水泥砂浆体积稳定性及力学性能的影响，发现减缩剂饱和轻骨料相比普通水饱和轻骨料，具有更好的减缩能力，且不会影响砂浆的强度。作者认为在水泥砂浆硬化后期，减缩剂才缓慢从饱和轻骨料释放出来，发挥其减缩作用，从而避免了减缩剂对水泥水化的延迟作用。党玉栋[37]将饱水轻骨料和 SRA 复合，能提高材料内部的相对湿度，减少砂浆的自收缩。

Wehbe[38]发现 SRA 的加入会延迟水化反应温度峰值的出现，而 SAP 和 SRA 联用，由于 SAP 的内养护作用，可使反应温度峰值提前。这说明 SRA 会影响水泥的早期水化，而 SAP 由于内养护作用，可以一定程度上抵消这种影响。对水化度的测试也证明了此结论。试验结果见图 4[38]。

图4 （a）水泥水化热 （b）水化度

Zhutovsky[39]将内养护剂（预水饱和轻骨料和高吸水树脂）与 SRA 复合使用，发现二者之间存在协同作用，可大大降低混凝土收缩开裂的可能性。但是同时内养护和 SRA 可能会对混凝土性质有一些影响，进而造成混凝土的开裂敏感性不同。

党玉栋[40]通过在混凝土表面复涂减缩剂 SRA 和养护剂 CC，发现相比单独使用其中一种，复涂 SRA 和CC 更能显著提高混凝土的抗裂性能。二者之间存在叠加作用，可以更好地减少混凝土收缩和保持水分。

2 结语与展望

通过将多种减缩抗裂技术复合，可以弥补单一措施的不足，提高混凝土的综合抗裂性能，具有极大的推广应用前景。本文通过对已有研究成果的归纳总结，得出了以下结论：

（1）使用 SRA 会延迟水化反应，影响混凝土的早期强度。而与纤维、内养护剂结合使用，可以有效地改善混凝土的力学性能。

（2）膨胀剂和内养护剂复合，内养护剂的吸水—释水作用，可以补充膨胀剂水化反应所需要的水分，同时与内养护产生叠加作用，大大提高混凝土抵抗收缩开裂的能力。

（3）纤维与 SRA 复合，SRA 可以改善纤维的润湿性，形成更紧密的界面过渡区，使纤维和基体的结合力更强，不但能提高混凝土的力学性能，还能大大提高其抗裂性能。

（4）减缩剂与膨胀剂复合，可以产生协同和叠加作用，有限改善混凝土的收缩开裂，降低膨胀剂的养护要求。

虽然混凝土复合减缩抗裂技术在研究上取得了一定的突破和进展，众多学者对其作用机理和其对混凝土的性能影响进行了深入研究和探讨，但离实际应用，有以下方面仍需解决：

（1）目前的研究主要局限于实验室的研究，缺乏实际工程的应用检验研究。如何通过复合减缩措施，在提高混凝土抗裂性能的同时降低成本，是决定其能否推广应用的关键，也是目前需要迫切研究解决的问题。

（2）目前存在的减缩抗裂标准或施工指南，主要针对的是单一措施或者单一产品，对复合减缩措施的相关标准、配合比设计方法、施工指南，研究尚处于空白阶段，这也制约了其推广应用。