混凝土的收缩、开裂及其评价与防治.doc

混凝土的收缩、开裂及其评价与防治 覃维祖 清华大学 土木工程系，北京100084 摘要：长期以来，混凝土的收缩性质受人关注，但除了大坝以外，通常只测定混凝土的干缩值，并以其评定混凝土开裂的可能性。然而，随着水泥与混凝土的生产和结构工程技术的发展，温度收缩和自身收缩日益成为引起开裂的主要收缩现象。同时，由于混凝土早期强度发展加速，弹性模量、徐变松弛等参数随之变化，造成开裂趋势明显加大。因此，更新评价和预测混凝土收缩与开裂的方法，寻求改善现今混凝土抗裂性能的方法已经十分必要和紧迫。关键词：温度收缩 自身收缩 开裂趋势 评价方法 防治措施中图分类号：TU528.31 文献标识码：A一、概述 自20世纪初起，人们就已经认识到大体积水工混凝土会因为水泥水化时放热散发缓慢而产生明显的温升，并在随后的降温过程体积收缩受约束而出现开裂。为了减小水化放热产生的影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又开发出低热水泥，以后还利用加大粗骨料粒径、非常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注层高和管道冷却等措施，进一步获得降低水化温峰、抑制温度裂缝的效果。 另一类混凝土结构物，例如路面、机场跑道、桥面板等，由于混凝土暴露面积比较大，又会在失水产生的干燥收缩显著时开裂。人们又逐渐开发出浇水、喷雾以及喷洒成膜化合物（在我国称养护剂）等解决办法。 近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不大的结构混凝土开裂的现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了。水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。为此，美国混凝土学会修改了大体积混凝土的定义：任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。 本文就现今混凝土结构存在开裂现象普遍的主要原因，以及目前国内外对收缩与开裂问题的研究与应用的进展作一介绍，同时结合我们所做工作对改善措施谈一些看法。二、混凝土技术的进展及其影响 受混凝土早期强度发展快可以给业主和承包商带来明显的利益所驱使，水泥生产商将水泥产品中的硅酸三钙（C3S）含量越来越提高、粉磨细度越来越加大。Mehta曾说1：30年代以前，美国普通硅酸盐水泥的C3S在30%以下，材料试验学会标准（ASTM）允许22%的颗粒大于75m；自50年代开始，C3S含量超过了50%，而且基本上没有大于75m的颗粒。 Mehta还指出2：西方工业国于4070年代曾因为早期强度很高的水泥问世，而当时结构的设计强度尚不高，于是出现将混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生产，在满足强度要求的前提下易于施工操作，然而这给混凝土结构耐久性带来后患，尤其是暴露于侵蚀性环境条件下工作的时候。根据英国Wischers的报道3：在1960年配制3035MPa的混凝土时，用水泥350kg/m3、水灰比0.45来达到；在1985年，同样的混凝土只需250 kg/m3水泥、0.6的水灰比制备。对于进行结构计算的设计者而言，两种混凝土是一样的。然而，从微结构的角度看来，两种混凝土的孔隙率和渗透性就大不相同了。水灰比为0.6的混凝土碳化将比水灰比0.45的混凝土迅速，对海水、冻融与化冰盐的耐久性也不如后者。国内的情况与西方国家有许多差异，但是混凝土拌合物的工作度由小变大的趋势也是有目共睹的。笔者60年代后期参加工作时曾在工地浇注混凝土，目睹了混凝土从干硬向塑性转化的过程。那时的拌合物里不掺任何外加剂，运到现场时常常十分干硬，要想振捣密实确实非常困难，一些老混凝土工干一天活下来累得疲惫不堪，溅得满脸满身水泥浆；年轻的想偷懒，就用皮管往混凝土上浇水，然后用锹拌和两下，就装上小车推走了。简言之，是疏于管理造成拌和物从干变稀。70年代以后，甚至坍落度很大的混凝土浇注后仍然会出现“蜂窝狗洞”。配合比设计、水灰比等成了空纸，浇注后的混凝土泌水、离析严重，匀质性不良，力学性能、耐久性自然都受到很大影响。 在水泥的生产与供应方面，80年代以后，从过去的指令性生产向市场经济转化。为加快施工速度，缩短工期并加快模板周转，C3S含量高、粉磨细度大、混合材掺量少的高早强水泥倍受市场欢迎。与此同时，混凝土设计等级也在不断提高，促使混凝土单位水泥用量迅速增长，高强混凝土（主要是高早期强度）的推广应用，则助长了这一趋势的发展。 在高效减水剂的应用方面，我国虽比开发最早的日本和德国要晚，但比起包括美国在内的大多数国家来说并不算慢。高效减水剂的应用，成为混凝土技术发展里程一个重要的里程碑，应用它可以配制出流动性满足施工需要且水灰比低，因此强度很高的高强混凝土、可以自行流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性能需要和匀质性良好的高性能混凝土。 但是随着低水灰比（或水胶比）高强混凝土的应用，结构物早期开裂的现象日益突出，引起了人们的关注。实践证明：高强混凝土是对早期开裂非常敏感的材料，这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步开展研究4。三、收缩与开裂 人们对收缩给予了很大的关注，但引人关注的并不是收缩本身，而是由于它会引起开裂。混凝土的收缩现象有好几种，比较熟悉的是干燥收缩和温度收缩，这里着重介绍的是自身收缩，还顺便提及塑性收缩问题。 自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。 自身收缩在混凝土体内均匀发生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收缩集中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩。 在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就要使应力增大，所以在水工大坝施工时早就将自身收缩作为一项性能指标进行测定和考虑。现今许多断面尺寸虽不很大，且水灰比也不算小的混凝土，如上所述，已“达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响”，因而也需要像大坝一样，需要考虑将温度收缩和自身收缩叠加的影响，况且在这些结构里，两者的发展速率均要比大坝混凝土中快得多，因此也激烈得多。 还有塑性收缩，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以在上述情况下混凝土浇注后需要及早覆盖。 四、对收缩、开裂的评价方法 正确地检测与评价混凝土的收缩与开裂趋势，是采取措施有效地减少或避免开裂的前提。在积累了浇注水工大坝这类大体积结构混凝土的经验基础上，建立的防止混凝土早期产生温度裂缝的检测与评价方法，是通过测定绝热温升、水泥水化热等参数以选择原材料、确定配合比，并采取预冷拌合物和埋设冷却水管等措施来控制内外允许温差，总之是局限于尽量降低最大温升的办法预防开裂。但实际上并不是温度变化本身造成开裂，开裂是由于应力超过材料的强度所引起，因此除温度变化以外，所有影响应力和强度发展的因素，尤其是弹性模量、热膨胀系数以及松弛能力，包括它们在初期的变化都必须考虑在内4。 图1 开裂试验架的示意图混凝土体由于温升高而在早期易于开裂的问题，在于当温度开始上升时混凝土的弹性模量还非常小，因此只有一小部分热膨胀转化为压应力，这一阶段还很大的松弛能力则进一步使预压力减小，而随后的冷却过程中，弹性模量增大和松弛作用减小导致大得多的拉应力产生4。 在评价收缩、开裂方法的进展上，值得介绍的是德国慕尼黑技术大学R. Springenschmid教授早在1969年开发的开裂试验架装置（如图1所示）5，这个装置可以模拟混凝土在初龄期受约束条件下产生的应力，混凝土从半液半固态的粘塑性体开始转变为粘弹性体过程弹性模量迅速增长、徐变松弛作用减小都可以得到综合地反映。由于混凝土变形很大程度上被刚性的构架所阻止，因此可以定量测得混凝土的开裂趋势和水泥的开裂敏感性，适用于为工程选择抗裂性能较好、开裂趋势较小的原材料和配合比，也可以用于预测已知结构参数、混凝土材料和浇注温度等条件时开裂的可能性，因此能够采取必要的防范措施。近年来，许多研究者致力于早期约束应力的计算，以确定出现开裂的危险性。依据材料的性质、水化热的发展、刚度的增大与松弛能力的减小、抗拉强度的增长、热膨胀系数与化学反应对变形的影响建立了许多计算机程序。所有这些参数主要取决龄期、温度、水泥类型和混凝土拌合物的组成。实际上，只有可能大致估计这些参数的影响。然而，在建立近似材料性质的模型方面，已经有了很大进展。这样的模型需要假设现场的约束和温度条件。日本和法国开发出在现场测定约束应力的新方法，实验室与现场的试验结果和计算结果比较，使该领域获得了显著的进展。1989年，RILEM创建了以R. Springenschmid教授为主席的“避免混凝土早期热裂缝”TC 119技术委员会。该委员会在1994年召开了一次国际研讨会，出版了论文集，又于1998年出版了“避免混凝土早期热裂缝”一书，这些工作为评价和防范混凝土早期热裂缝提供了丰富的信息。此外，由于混凝土水灰比(水胶比)的降低，干燥收缩和自身收缩相对大小变化，因此再用测定干缩的方法来评价混凝土，主要是低水灰比混凝土的收缩就不适宜了（待试件成型1d或2d后拆模测零点时，混凝土的自身收缩已经大半完成），这也是许多近年研究高强混凝土的课题得出收缩减小的结论，而用于工程开裂现象却比较严重的重要原因。当然，高强混凝土的抗压强度虽然大幅度增长，抗拉强度增长幅度相对要小得多，而且混凝土的弹性模量随之快速增长、松弛作用减小，因此总收缩值即使不变，甚至减小的情况下，受约束而产生的拉应力则要大得多，也是单纯测定收缩难以评价混凝土开裂趋势另外一个重要的原因。 另一个想要涉及的问题，是关于对膨胀剂改善抗裂性的评价方法。现行采用将掺有膨胀剂制备的拌合物小试件浸水养护7天或14天，通过测定其限制膨胀值方法，只能供生产厂用来检测产品质量的稳定性，而不能用于比较不同膨胀剂在具体工程条件下使用时的抗裂效果。因为膨胀剂的使用效果受到许多因素的影响，包括混凝土的配合比、浇注温度、养护情况、膨胀剂的品质与掺量等，正因为如此，一些早就开发出膨胀剂的国家，例如日本、法国等都只在接缝处理、灌浆时才使用，而不允许用于结构混凝土。其实适当地应用膨胀剂，不失为一个避免或减少裂缝的有效措施，如果采用上述开裂试验架结合工程条件进行检测和评价，应该能获得良好的使用效果。 五、减少或防止混凝土开裂的措施 混凝土在各种不同情况下的开裂有着相当复杂的、多方面的原因。例如，因为自身收缩的上述特点，所以高强混凝土在浇注后需要及早开始湿养护，尤其当混凝土体温度、环境温度较高时更要注意。现行规范中对普通混凝土加强养护的措施，对高强混凝土就要理解为及早，而不是延长养护时间了。为了开始湿养护，就需要拆除模板，至少要松动，而这在工程中往往难以实现，于是刚一拆模就发现裂缝的现象已经屡见不鲜了。 不同水泥厂生产的同一品种水泥，只要是技术指标符合国家标准，通常就认为品质是一样的，其实它们对开裂的敏感性可能差别很悬殊，德国的Springenschmid教授根据在开裂试验架进行大量的试验结果，对不同因素降低混凝土开裂温度的作用进行了比较4：1）降低新拌混凝土的温度（从2512）：Tc = 1518 K2）采用优质品牌水泥：Tc可达20 K3）石子最大粒径用32mm，不用8mm：Tc = 510 K4）骨料线胀系数低：Tc可达10 K5）掺引气剂（含气量36%）：Tc = 35 K6）用碎石比用卵石：Tc = 35 K7）水泥用量从340kg/m3改为280 kg/m3（以粉煤灰等量代替）：Tc = 35 K由上述结果可以看出，水泥品质的影响十分显著。什么样的水泥较好呢？他们的结论是：含碱（Na2O、K2O）量低、硫酸盐含量（相对于铝酸盐而言）多、粉磨细度较小的水泥抗裂性能较好。国内市场上现在充斥着粉磨细度大、C3S矿物含量高的早强水泥，很多水泥产品的硫酸盐含量又不高（据了解，美国、法国等国的石膏掺量取决其铝酸盐含量，即二者的比例限制在一定范围内。我国则固定石膏用量为35%），这些水泥生产中存在的问题，是导致混凝土开裂非常重要的原因。 针对温度收缩已成为引起当前结构混凝土开裂的主要原因，下面着重谈谈掺粉煤灰减少或避免开裂的问题。德国在修建新德国铁路时，其隧道衬砌出现严重地开裂，那时要求混凝土10h强度不低于12MPa；于是修改了规范：以隔热的立方模型浇注的试件12h最高强度为6MPa；如果超过了，就要掺用粉煤灰代替更多的水泥。为避免过高的早期强度，还以56d龄期强度进行设计，从而很好地避免了包括桥面板在内许多结构的早期开裂6。 众所周知，为避免大体积混凝土开裂首先采取的措施就是掺用火山灰，国内在众多大坝施工时通常也采用大掺量粉煤灰来降低温升，取得了良好效果。但是对于现在许多工程常用的C30混凝土，按照一些规范限制的25%掺量以内的粉煤灰来配制，无论是力学性能，还是抗裂性、耐久性都未见得有显著效果，多数情况下还不如作为对照用没掺粉煤灰的混凝土，其原因何在呢？ 加拿大矿产与能源技术中心（CANMET）Malhotra等人长达10多年对大掺量粉煤灰混凝土进行非常深入和广泛的研究成果，已引起全世界同行的高度关注，给我们提供了一个很好的范例。他们以水泥用量150kg/m3、粉煤灰200 kg/m3，掺用适量高效减水剂使水胶比保持在0.30左右，配制出的混凝土工作度良好，28d强度达到约3040 MPa（掺有引气剂以保证抗冻融循环能力）或50MPa（未掺引气剂）；1年强度接近5060MPa（掺有引气剂以保证抗冻融循环能力）或接近100MPa（未掺引气剂）；各种性能，尤其是抗裂性能和抗氯离子扩散性能都十分优异的高性能混凝土，该混凝土已在加拿大用于多个工程，包括一阿丽亚那火箭发射台78m的底座。 借鉴Malhotra等人的研究成果，笔者在“八五”科技攻关重点项目的专题“滑模摊铺混凝土路面材料与工艺研究”、“九五”科技攻关重点项目子专题“掺粉煤灰高性能混凝土综合研究与应用”等多个研究课题，以及在北京的建筑工程、广州地铁工程和广东深汕等几条高速公路混凝土路面工程施工中应用粉煤灰混凝土，均取得良好的使用效果。在这个过程中得到最重要的体会有以下几点：1）一定范围里，是混凝土的水胶比，而不是粉煤灰的掺量决定使用效果。上述现行规范限制粉煤灰掺量在25%以内，是最不利于粉煤灰的掺量范围。因为粉煤灰水化缓慢，生成物少，粉煤灰混凝土适宜的水胶比在0.40以下；普通混凝土常用的0.50左右水灰比条件下掺1020%粉煤灰，即使同时掺有高效减水剂，一般水胶比仍需维持在0.40以上。但是如果继续增大粉煤灰掺量，由于粉煤灰表观密度约只有水泥的2/3，拌合物浆体含量的增大就可以产生降低水胶比的作用。例如国内通常配制C30混凝土的水泥用量约在350kg/m3（比国外偏高的原因是粗骨料粒形不好、缺乏510mm颗粒，因而空隙率大），当采用Malhotra的配合比，即水泥用量150kg/m3、粉煤灰200 kg/m3时（总胶凝材料用量仍是350kg/m3），水胶比可以降低到0.35左右（取决水泥与粉煤灰的需水量），当采用525#水泥时，1d强度可以达到1015MPa；28d强度40MPa以上，优于纯水泥350kg/m3的混凝土。 2）粉煤灰混凝土拌合物的粘度，尤其是粉煤灰掺量大时，要显著大于相近水灰比的纯水泥拌合物，但在泵送或振动外力的作用下，由于粉煤灰颗粒的滚珠润滑作用，表现为泵送压力低、易于成型密实。反之，盲目地将粉煤灰混凝土与普通混凝土保持相同的大坍落度，倒容易出现粉煤灰上浮、拌合物匀质性不良的离析现象。有资料显示：粉煤灰混凝土的坍落度仅70mm，就可进行良好泵送。 3）与纯水泥混凝土不同，粉煤灰混凝土浇注后要及时覆盖，但一般不要喷雾，尤其不要洒水或浸水养护。加拿大的研究证明：表面喷洒养护剂混凝土试件的抗盐冻剥落性能比标养试件要明显的好。 4）当普通混凝土温度，或者气温升高时，浇注后由于水泥水化加速带来一系列不良影响：坍落度损失快、硬化混凝土微结构不密实、温峰增大、易开裂和后期强度受影响等。对大掺量粉煤灰混凝土则带来的弊病少、益处多。这表明：依据小试件在标准养护室存放28d得到的试验结果进行原材料选择和配合比设计，在比较上述两种混凝土时，是很难反映实际结构混凝土性能的，这种试验检测与评价方法迫切需要改变，否则改善混凝土结构开裂问题的努力就难以奏效。 大掺量粉煤灰混凝土的抗裂性能优异无可怀疑，它能带来的经济效益更无需赘述，同时混凝土结构的耐久性可以得到显著改善，粉煤灰的高值利用也将为环境保护，为建设事业的可持续发展带来益处。我国水泥产量世界第一，粉煤灰的排放量也占首位，充分地利用粉煤灰资源的意义深远、前景广阔。 参考文献 1. P.K. Mehta. DurabilityCritical Issues for the Future. Concrete International. July 1997. 2. P.K. Mehta. Advancements in Concrete Technology. Concrete International. June 1999.3. P.-C.Atcin: Cements of yesterday and today: Concrete of tomorrow. Cement and Concrete Research. Sept 2000.4. R. Springenschmid. Avoidance of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. 1998. 5. R. Springenschmid. Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. E & FN SPON. 1994. 6. R.W. Burrows, The Visible and Invisible Cracking of Concrete. Monograph of ACI.1998. 作者简介 覃维祖（1942-），男，教授，建材专业。单位地址 北京 清华大学土木工程系建筑材料研究所 （100084）联系电话 010-62785836 62784983 Shrinkage and Cracking of Concrete and Its Evaluation and PreventionShrinkage is a concerned property of concrete for long time. But normally only dry shrinkage is measured and with which predicts possibility of cracking except the concrete for dam construction. Since advances in cement and concrete technology and structural engineering, cracking phenomenon more and more results from thermal contract and autogenous shrinkage. At the same time, the strength of concrete at early age increases quickly, its elastic model and creep relaxation are changed also along with, resulting remarkable trends of cracking. So it is very necessary and eagerly to update the methods of evaluating concrete shrinkage and predicting its cracking trends, and to develop the measures to improve crack resistant properties of modern concrete.Key words thermal contract autogenous shrinkage cracking trends evaluation method prevention measures已发往混凝土杂志（2001，6）