高性能混凝土构件的收缩与裂缝控制

康 江

(山西省公路工程质量检测中心，山西 太原 030006)

随着高性能混凝土构件在高速公路的广泛应用，混凝土构件裂缝这一工程中的常见问题也越来越为业内人土所重视。交通运输部《关于印发公路水运工程混凝土质量通病治理活动实施方案的通知》(交质监发(2009)174号)并要求各地交通运输主管部门要总结混凝土质量通病治理经验，总结成熟的工艺、工法，加以推广，形成长效机制。

目前桥梁上部预制构件采用普通混凝土主要质量缺陷有:构件混凝土实体强度离散性大，构件强度评定时经常有不合格的情况发生；预制构件内面易出现空洞、露筋缺陷，梁板端部易出现漏浆，不密实；构件腹板易出现分层水纹、麻面、大的气泡、色差；预制构件表面裂缝多，浮浆厚，表面粗糙、不密实，不利后续工艺连接；构件锚垫板部位混凝土密实性差，强度低，施加预应力易出现裂缝。

1 高性能混凝土

高性能混凝土是采用普通材料和工艺，以提高混凝土结构的使用性能为目的，具有较高的施工性、高体积稳定性和高耐久性特点的混凝土，其特征组分为高性能减水剂和矿物掺合料，如粉煤灰，硅粉，磨细高炉矿渣等。高性能减水剂能有效减少混凝土的用水量，降低水胶比，提高早期强度，降低体积变形，减少施工过程中的坍落度损失；超细矿质掺合料能有效分散水泥颗粒，并参与二次水化反应，从而改善混凝土内部界面结构，起到增密、增塑、减水效果，提高结构的密实性、强度和耐久性。粉煤灰等都属于工业废料，在高性能混凝土结构中，根据使用要求，掺加一定数量的超细物质，替代部分耗能较大的水泥熟料，达到既减少能耗，又循环利用工业废弃物效果，所以高性能混凝土又可叫做低碳环保混凝土或绿色混凝土[1]。

2 高性能混凝土收缩与裂缝产生的原因分析

众所周知，结构的破坏都是从裂缝开始的，环境中有害物质通过裂缝渗入混凝土内部发生物理、化学反应，导致混凝土保护层开裂、脱落、钢筋被腐蚀、结构有效受力面积变小，最终结构破坏。但是，正如中国工程院院士王铁梦在他的论著《工程结构裂缝控制》[2]中提到的，混凝土构件产生裂缝是必然的，正确的方法是控制裂缝的产生及将裂缝宽度控制在一定范围内。

混凝土构件产生裂缝，主要有以下两种原因：由于受力引起的裂缝和形变引起的裂缝，根据资料显示，由于形变(温度、收缩、不均匀沉降)导致混凝土构件裂缝的，约占到80%以上。除设计原因外，温度收缩、干燥收缩、自收缩是导致混凝土构件裂缝的内在原因。

1)温度收缩是由于水泥水化热温升引起的，一方面，由于混凝土构件内外温差过大使得混凝土表面产生裂缝；另一方面，由于温度变化使得混凝土产生延时收缩裂缝。随着高强混凝土的广泛应用，在混凝土配合比配制时水泥用量势必加大，由此产生的水化热也较大，造成温度收缩也较大。

2)干燥收缩是指混凝土在水化过程中因水分蒸发引起的，一般高达500 μm/m～600 μm/m。这种情况多数是因为在混凝土早期养护过程中缺水造成的。

3)自收缩是指混凝土因水泥水化过程产生的体积缩减，对普通混凝土而言，这种收缩较小，但在高性能混凝土中则可能达到200 μm/m～400 μm/m,不可忽视。

4)其他原因引起的裂缝，如由于预制台座不均匀沉降导致预制构件混凝土局部拉应力过大导致结构物混凝土开裂产生裂缝。

所有上述原因引起的裂缝，如果不采取措施进行控制，都将影响到结构物的使用安全和耐久性(使用寿命)，从而影响到人民的生命和国家财产的安全。

3 高性能混凝土收缩与裂缝的控制

控制裂缝的措施，主要是在结构设计、施工和材料配比等方面考虑。

3.1 设计方面

主要包括在配筋上，增设预防温度裂缝钢筋、局部加强钢筋、加强构造钢筋等；在不同位置设置伸缩缝、变形缝以缩短混凝土的连续长度，减小裂缝的产生几率。如在桥梁防撞护栏设计时，建议除在墩顶和1/2跨中、1/4跨中设置变形缝外，要根据跨径大小，间隔5 m～8 m最大不超过10 m增设变形缝将混凝土断开，缩短混凝土连续长度以减少裂缝。另外，建议设计单位根据不同构件、不同情况，在设计中采用特殊措施如设计成抗裂混凝土，提出相应的控制构件裂缝的有关技术要求、施工注意事项等。

3.2 施工方面

1)要严格按照设计图纸和JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范[3]认真施工，从原材料选择、进场检验，都要进行严格的控制。

2)在施工过程中，要严格控制钢筋骨架位置，采取可靠的定位措施以保证混凝土保护层厚度符合设计要求。

3)在混凝土施工时间的选择上，夏季要避开当天气温最高的11点～16点时段，并在施工前对模板进行适当的降温处理，当混凝土表面具有一定强度后立即进行覆盖洒水养护，并要保证湿养时间，这是减少裂缝至关重要的步骤和要点；冬季施工时要严格按照批准的冬季施工方案执行，施工时间要尽可能选在每天的9点～15点之间，当混凝土表面具有一定强度后立即进行覆盖洒水、保温养护，并要保证在养护期内构件的周围环境温度满足冬季施工方案要求，且要做好相应的记录。

采取上述各种混凝土抗裂措施，对控制混凝土构件裂缝有一定效果，但是要从根本上消除结构混凝土的裂缝，依照现有的技术很难达到。混凝土混合料因化学反应产生的水化热、混凝土构件本身的体积收缩、干缩，是导致混凝土结构产生非受力裂缝的根本原因。高性能混凝土构件因其自身特点(强度高)，要求的单方水泥用量相对就高，因此控制裂缝较普通混凝土构件尤为突出。目前业内大量采用掺加粉煤灰、磨细高炉矿渣、硅粉等胶凝材料和高效减水剂形成的高性能混凝土，以此减少水泥用量、提高混凝土的性能，笔者就此阐述如下。

3.3 材料配比方面

1)在原材料的选择方面要严格把关。对粗集料的级配、最大粒径、压碎指标等项目要严格控制，细集料要严格控制含泥量、细度模数、超粒径颗粒含量等指标。2)混凝土配合比设计时，要采取措施减少水泥用量，掺加如粉煤灰、磨细高炉矿渣、硅粉等材料，并使用高效减水剂等外掺剂减少单方混凝土用水量。3)掺加纤维材料或聚合物提高混凝土抗裂性也是控制裂缝的有效措施之一，如我省多条高速公路在桥面混凝土中掺加钢纤维提高混凝土的抗裂性能，但这种方法的成本较高。

4 工程实例

某高速公路一座桥梁上部结构设计为C50预制预应力箱梁。施工时，采用了高性能混凝土配合比设计方法进行。以往C50梁板采用非高性能混凝土时存在很多质量缺陷，如本文前述。在征得建设业主和施工监理同意下，本项目预制构件采用掺加高性能减水剂和矿物掺合料的高性能混凝土施工。

4.1 水泥

根据混凝土强度试配原则，水泥强度应为配制混凝土强度的0.9倍～1.5倍。

4.2 集料

4.2.1细集料

一般情况下，混凝土的单方用水量随着细集料中含泥量的加大而增加，同时，配制混凝土时的用水量也随着细集料偏细而增加。

本项目试验按照GB/T 14684—2011建设用砂标准中Ⅰ级砂标准控制(含泥量≤1.0%,云母含量≤1.0%,轻物质含量≤1.0%,大于4.75含量<5%,空隙率<44%,细度模数：2.6～2.9Ⅰ区中砂)，采用水洗河砂，技术指标为：细度模数：2.82,含泥量：0.9%,云母含量：0.5%。

4.2.2粗集料

在粒料形状相同条件下，粒料加工粒径越小，在混凝土中的受力越均匀，配制出的强度越高。一般情况下，用于加工粗集料的石料强度宜不小于混凝土强度等级的1.5倍。

本项目试配时按照GB/T 14685—2011建设用卵石、碎石标准中Ⅰ级石灰岩碎石的标准，要求含泥量不大于0.5%,针片状颗粒含量不大于5%。

4.3 外加剂

本项目采用与水泥配伍性好的高效粉状减水剂、减水率β为18%，本项目采用的两种高效减水剂为：1)UNF-Ⅱ高效减水剂；2)ADD-NS高效减水剂。

4.4 外掺料

高性能混凝土设计水胶比一般不大于0.4，在配制强度要求较高的高性能混凝土时，根据使用要求，掺加经试验确定的超细矿物活性材料置换部分水泥。

4.5 混凝土强度试配

4.5.1配制强度

fcu,0=fcu,k+1.645σ=59.9 MPa。

其中，fcu,0为混凝土配制强度，MPa；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值,取混凝土的设计强度等级值,MPa；σ为混凝土强度标准差,MPa。

4.5.2参数选择

1)52.5级水泥、富余系数取rc=1.03,fb=52.5×1.03=54.0 MPa。其中，rc为水泥强度等级值的富余系数；fb为水泥28 d胶砂抗压强度，MPa。

2)42.5级水泥、富余系数取rc=1.13,fb=42.5×1.13=48.0 MPa。砂率Sp:以普通混凝土查表选择为基础，提高10%～20%, 本项目砂率Sp取35%，混凝土表观密度为2 500 kg/m3。

4.5.3基准配合比参数

1)52.5级水泥：mw0=176 kg/m3，W/B=0.40,mb0=440 kg/m3。

其中，W/B为混凝土水胶比；mb0为每立方米混凝土水泥用量。

2)42.5级水泥：mw0=176 kg/m3，W/B=0.36,mb0=489 kg/m3。

Sp=35%,混凝土表观密度为2 500 kg/m3。

硅粉掺量取水泥用量的4%，6%，8%,粉煤灰掺量取水泥用量的8%，10%，12%。

5 结语

笔者通过对高性能混凝土产生收缩和裂缝的分析，提出了控制的思路和措施，并就工程实例进行阐述，期望对今后高性能混凝土裂缝控制提供参考。