繆昌文

(1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189； 2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211100)

混凝土是當(dāng)今世界用量最大、用途最廣的建筑材料，是水利、核電、高鐵、橋梁、地鐵、隧道等重大工程建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)材料.現(xiàn)代混凝土具有普遍采用化學(xué)外加劑和工業(yè)廢渣的特征，降低了資源及環(huán)境消耗，提高了材料耐久性，并滿足了現(xiàn)代土木工程設(shè)計(jì)和施工的性能要求.然而，組成日趨復(fù)雜、流動(dòng)度加大、早期強(qiáng)度發(fā)展加快的材料特性，導(dǎo)致收縮加大；長跨徑、大體積、強(qiáng)約束的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，以及高溫、干燥等嚴(yán)酷施工環(huán)境導(dǎo)致收縮開裂問題突出，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的耐久性.

經(jīng)歷了經(jīng)濟(jì)高速增長和大規(guī)?？焖倥d建過程的發(fā)達(dá)國家，在相關(guān)問題上總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[1-2].總體而言，由收縮變形引起的混凝土裂縫達(dá)80%以上[3].現(xiàn)代混凝土自收縮、溫度變形和大部分的干燥收縮發(fā)生在“早期”(普通混凝土為28 d，大體積混凝土為90 d)，導(dǎo)致早期開裂問題突出.混凝土一旦開裂，抵抗?jié)B透能力將大幅降低，引起滲漏等問題，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物服役功能.如近期對某軌道交通全線車站調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由混凝土裂縫引起的滲漏占總滲漏的85%以上.裂縫加速有害介質(zhì)傳輸速率，加劇材料自身性能劣化和鋼筋銹蝕，尤其在高溫、高鹽等嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境下，大大縮短服役壽命.

混凝土裂縫控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到混凝土材料、外界環(huán)境條件、所處的約束條件等諸多因素，涉及設(shè)計(jì)、材料、施工等諸多環(huán)節(jié),故而圍繞工程需求，就混凝土裂縫產(chǎn)生原因、抗裂性評估方法及收縮裂縫控制技術(shù)的新進(jìn)展進(jìn)行重點(diǎn)介紹.

1 現(xiàn)代混凝收縮開裂主要原因

就混凝土材料本身而言，其收縮主要有以下幾種：

1) 塑性階段收縮：混凝土處于凝結(jié)前的塑性狀態(tài)時(shí)，一方面骨料等顆粒下沉、泌水等導(dǎo)致塑性沉降收縮；另一方面，由于水分蒸發(fā)過快，泌水率小于表面水分蒸發(fā)率時(shí)，進(jìn)一步水分蒸發(fā)將產(chǎn)生彎液面，引起孔隙負(fù)壓并產(chǎn)生塑性收縮.

2) 自收縮：自收縮是指澆筑成型以后的混凝土在密封條件下表觀體積的減小.自收縮的根本原因是水泥在水化過程中，體系總體積減小.

3) 溫度收縮：溫度收縮是由混凝土中熱量的散失或溫度下降引起的.水泥等水化時(shí)將會(huì)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，水泥的水化放熱量越大，放熱速率越快，混凝土的內(nèi)外溫差越大，產(chǎn)生的收縮量也越大.

4) 碳化收縮：碳化收縮時(shí)由混凝土碳化引起的收縮，僅限于表層，易導(dǎo)致混凝土表層開裂.

與傳統(tǒng)混凝土相比，現(xiàn)代混凝土材料組成、服役環(huán)境、所處的結(jié)構(gòu)特征等發(fā)生顯著變化，具體表現(xiàn)在材料自身，外部環(huán)境，結(jié)構(gòu)形式等方面.

1.1 材料自身因素

現(xiàn)代混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，組成及材料發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1) 現(xiàn)代混凝土流動(dòng)性大、水膠比低，混凝土的泌水減少，表面更容易“變干”，加劇了塑性收縮開裂風(fēng)險(xiǎn).ACI308R《混凝土養(yǎng)護(hù)指南》指出，由于泌水速率較小，現(xiàn)代混凝土所允許的臨界蒸發(fā)速率可由1.0 kg/(m2·h)低至0.5 kg/(m2·h)以下.

2) 水泥細(xì)度增大，水化放熱速率加快，溫升及溫降問題突出.Burrows[2]指出，一味快速施工的需求導(dǎo)致了水泥在半個(gè)世紀(jì)以來細(xì)度增加了不止1倍(圖1)，而水泥細(xì)度的增加，使得早期水化速度明顯加快，雖然增加了水泥早期強(qiáng)度，卻導(dǎo)致了早期的放熱速率急劇增加.當(dāng)水泥細(xì)度從160 m2/kg增加到300 m2/kg時(shí)，1 d的放熱比率(占28 d)從40%增加到近75%.而對江蘇地區(qū)P·O42.5水泥調(diào)研結(jié)果表明，水泥的細(xì)度基本在360～390 m2/kg范圍內(nèi).如圖2監(jiān)測結(jié)果所示[4]，由于早期放熱速率集中，對于厚度僅為35 cm的較薄墻體，1 d左右溫升可達(dá)20 ℃以上，其后溫降速率達(dá)到6 ℃/d.

圖1 水泥及混凝土性能發(fā)生的顯著變化[2]

圖2 某地下室側(cè)墻溫度監(jiān)測結(jié)果[5]

3) 混凝土水膠比較低，水泥無法完全水化，自干燥現(xiàn)象更為顯著(尤其是對于水膠比低于0.4的混凝土).由于現(xiàn)代混凝土孔隙較為致密，難以通過外部濕養(yǎng)進(jìn)行緩解[5].根據(jù)Baroghel-Bouny等[6]研究結(jié)果，水灰比由0.45降低至0.30，自收縮可增加1倍左右.測試結(jié)果表明，C30、C50和C80混凝土1 d前的自收縮占28 d自收縮的比例可分別達(dá)到30%、50%和60%.此外，自收縮往往和溫度收縮相疊加，加劇混凝土開裂.

1.2 外部環(huán)境因素

圖3 蒸發(fā)速率對塑性開裂的影響

混凝土結(jié)構(gòu)從澆筑成型開始，即處于材料-環(huán)境耦合作用的環(huán)境.在早齡期，環(huán)境因素影響混凝土表面蒸發(fā)速度或失水速度，同時(shí)影響水泥等膠凝材料的水化放熱速率，并對混凝土溫度和濕度造成影響.

在塑性階段，ACI 305R-99基于大量試驗(yàn)研究所推出的水分蒸發(fā)諾模圖，綜合考慮了混凝土表面狀況(溫度、氣壓)和環(huán)境氣候條件(大氣的溫度、濕度、風(fēng)速和光照)，建立了上述因素和水分蒸發(fā)速率之間的關(guān)系.在30 ℃、30%相對濕度、4級風(fēng)的條件下，混凝土表面水分蒸發(fā)速率可達(dá)1.5 kg/(m2·h)以上.如圖3所示[8]，隨著蒸發(fā)速率增大，混凝土塑性開裂時(shí)間顯著提前.

在硬化階段，溫度對水泥水化的影響也滿足化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式——Arrhenius公式，溫度越高水化放熱速率越快，對于大體積混凝土，會(huì)導(dǎo)致溫峰增加且溫峰出現(xiàn)時(shí)間提前，但對溫升(溫峰和初始溫度差值)影響相對較??；對于具有一定散熱條件(如墻板)的結(jié)構(gòu)，圖4表明，入模溫度越高混凝土的溫升越大，進(jìn)而造成較大的溫降收縮.濕度一方面影響水泥水化速率，水泥處于低濕度環(huán)境時(shí)，水化速度顯著降低(如圖5所示[8])，如果相對濕度降低至一定值(h≈75%)[9]，水泥水化過程減慢，甚至可能停止；另一方面引起濕變形的主要驅(qū)動(dòng)力—孔隙負(fù)壓隨著濕度降低而快速增大，造成混凝土收縮(尤其是干燥收縮)顯著增加.

圖4 入模溫度對溫升影響

圖5 相對濕度對水化速率的影響

1.3 結(jié)構(gòu)形式因素

各種超高、超長、超深、超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，對現(xiàn)代混凝土體積穩(wěn)定性和抗裂性提出了更高更多的要求.具體表現(xiàn)在，體積越大，熱量越不容易散出，內(nèi)外溫差引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)增加；澆筑長度增加，收縮所受到的外約束增大；復(fù)雜結(jié)構(gòu)容易造成應(yīng)力集中.

2 結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性評估方法

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的抗裂性設(shè)計(jì)過程往往從承載力角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽視了早期收縮裂縫.混凝土產(chǎn)生收縮變形的主要原因在于環(huán)境或混凝土內(nèi)部溫、濕度變化產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，混凝土的表觀變形是材料內(nèi)部及表面溫濕度變化狀態(tài)的反映.開裂則是變形在約束下產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生.就具體工程而言，以往研究的單一因素、標(biāo)準(zhǔn)條件下水泥基材料收縮開裂的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與工程實(shí)踐之間存在很大差異，原因在于澆筑成型的實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)處于多場耦合作用的環(huán)境，考慮多場耦合作用機(jī)制混凝土收縮及開裂研究已成為最新趨勢.此外，由于在塑性階段結(jié)構(gòu)尚未形成，其收縮開裂過程具有一定的特殊性，通常將塑性階段和硬化階段分開分析.下面就上述兩階段的收縮開裂模型進(jìn)行介紹.

2.1 塑性階段

圖6 水泥基材料毛細(xì)管負(fù)壓和塑性抗拉強(qiáng)度關(guān)系圖

處于塑性階段的水泥基材料體系可以看成是由固相顆粒、顆粒空間的液相及氣相組成的三相復(fù)合體.體系中主要存在3種作用力，即范德華力、靜電作用力及固-液-氣界面作用引起的毛細(xì)作用力(毛細(xì)管負(fù)壓).研究表明，當(dāng)體系顆粒尺寸大于10 μm時(shí)，靜電作用力和范德華力的影響相對較小[10].因此，毛細(xì)管負(fù)壓是引起塑性收縮開裂的主要原因.而在此過程中，水化作用可忽略，溫度和濕度等環(huán)境條件主要通過影響水分蒸發(fā)及毛細(xì)管負(fù)壓，進(jìn)而對塑性收縮開裂產(chǎn)生影響.由于在塑性階段孔隙負(fù)壓原位監(jiān)測較為簡易可行，可以控制毛細(xì)管負(fù)壓增長過程而達(dá)到控制塑性開裂風(fēng)險(xiǎn)的目的.如圖6所示[11]，在毛細(xì)管負(fù)壓達(dá)到一定值(20 kPa左右)之前，體系塑性抗拉強(qiáng)度隨毛細(xì)管負(fù)壓的增加而顯著增加，其后抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定(15～30 kPa).由于在20 kPa前抗拉強(qiáng)度大于收縮驅(qū)動(dòng)力，基本不會(huì)開裂，可以認(rèn)為開裂所對應(yīng)的臨界孔隙負(fù)壓值在20 kPa左右，即將塑性階段表層孔隙負(fù)壓控制在20 kPa即可控制裂縫.

2.2 硬化階段

混凝土抗裂性設(shè)計(jì)方法大體經(jīng)歷了以下2個(gè)發(fā)展階段：第一階段始于上世紀(jì)90年代，Ulm等[12-13]研究了溫度-水化-力耦合作用，并建立相應(yīng)模型預(yù)測混凝土收縮和開裂.然而，該研究并未考慮徐變和濕度影響.Cervera等[14-15]所提出的熱-水化-力耦合模型可以模擬混凝土的水化、老化、損傷及徐變等.此外，Lackner等[16]也提出了相關(guān)的耦合模型.但該階段所體的模型均未考慮濕度的影響.第二階段，綜合考慮“水化-溫度-濕度-約束”多因素耦合(如Gawin等[17-18]、Luzio等[19-20]，Li等[21])，并用于預(yù)測混凝土水化、收縮、應(yīng)力等性能分析.在具體計(jì)算方法上，通過“水化-溫度-濕度”多因素耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)條件與現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境相對應(yīng)；在熱力學(xué)和多孔介質(zhì)力學(xué)等理論的基本框架下，代入結(jié)構(gòu)尺寸等約束條件，建立了“水化-溫度-濕度-約束”耦合，實(shí)現(xiàn)了從材料到結(jié)構(gòu)層次的混凝土收縮開裂的模擬預(yù)測.在開裂準(zhǔn)則方面，理論上來講，開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(任意時(shí)刻收縮引起的拉應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度的比值)超過1則會(huì)開裂，但實(shí)際工程中，由于材料性能的不均勻性及損傷，一般控制開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于0.7，則可有效控制收縮裂縫.圖7為計(jì)算實(shí)例[22].

圖7 混凝土水化、溫度、濕度、變形及開裂風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算實(shí)例

3 混凝土裂縫控制技術(shù)

3.1 原材料及配合比

圖8為根據(jù)RILEM TC 119 TCE 3標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)確定的各種技術(shù)途徑對溫度收縮開裂影響的比較(開裂溫度降低幅度越大，抗裂性越好)[23]，從試驗(yàn)結(jié)果可知，提高水膠比、降低水泥細(xì)度、試驗(yàn)溫度膨脹系數(shù)小的骨料降低水泥堿含量、降低水泥中C3A含量、引氣、提高骨料粒徑和摻加粉煤灰可以降低混凝土的開裂溫度，提升抗裂性.就具體原材料優(yōu)選及配合比優(yōu)化而言，水泥細(xì)度、C3A含量、堿含量則是影響抗裂性的關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或指南，以及大量的研究工作總結(jié)，建議控制水泥比表面積宜≤350 m2/kg；C3A≤8.0%；堿含量≤0.6%；礦物摻合料、骨料、外加劑等應(yīng)在滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程要求基礎(chǔ)上，擇優(yōu)選擇；混凝土配合比應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)混凝土開裂的主要原因進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般遵循低水泥用量、適當(dāng)水膠比、最大堆積密度等原則.

圖8 不同技術(shù)途徑對混凝土開裂溫度的影響

3.2 抗裂性提升關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)原材料控制、配合比優(yōu)化等措施難以滿足抗裂性要求時(shí)，摻加抗裂性功能材料是提升結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性的重要手段.提升抗裂性主要從降低收縮驅(qū)動(dòng)力和提升抗力2個(gè)方面進(jìn)行.在抗力提升方面，一般采取摻加聚合物乳液和添加纖維的技術(shù)，近年來從混凝土基體出發(fā)，采用增韌技術(shù)實(shí)現(xiàn)水化產(chǎn)物C-S-H膠凝基因的改性，是實(shí)現(xiàn)混凝土抗裂性提升的前沿方向，但該技術(shù)還處于探索階段.本部分主要從驅(qū)動(dòng)力調(diào)控角度，介紹相對成熟且有效的新技術(shù)，包括塑性階段水分蒸發(fā)抑制、硬化階段水化熱調(diào)控及分階段補(bǔ)償收縮、服役階段化學(xué)減縮3項(xiàng)技術(shù).

3.2.1 塑性階段水分蒸發(fā)抑制技術(shù)

傳統(tǒng)灑水、覆膜等養(yǎng)護(hù)方法會(huì)對塑性階段混凝土表層外觀、滲透性等造成負(fù)面影響，僅適用于解決硬化混凝土的水分蒸發(fā)問題.針對上述問題，通過引入雙親性分子結(jié)構(gòu)，在高鹽、高堿的混凝土表面泌水層上實(shí)現(xiàn)自組裝，并形成穩(wěn)定單分子膜(圖9).所形成的單分子膜在溫度40 ℃、濕度為30 %和風(fēng)速為5 m/s的條件下，可抑制水泥基材料水分蒸發(fā)達(dá)75 %以上(圖10)，進(jìn)而大大推遲了該階段收縮驅(qū)動(dòng)力(孔隙負(fù)壓)的出現(xiàn)時(shí)間[24-25]，并有效減少混凝土表面起皮和結(jié)殼等現(xiàn)象.工程應(yīng)用過程中，根據(jù)孔隙負(fù)壓監(jiān)測結(jié)果，及時(shí)噴灑水分蒸發(fā)抑制材料，將表層孔隙負(fù)壓控制在2.0 kPa以下，完全避免在極端干燥條件下混凝土的收縮開裂.該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于蘭新高鐵(環(huán)境溫度>40 ℃；地表溫度>50 ℃；濕度<30%；風(fēng)速>8 m/s)，實(shí)現(xiàn)了2×106m2混凝土無塑性裂縫.

3.2.2 水化速率與膨脹歷程雙重調(diào)控技術(shù)

降低溫升和混凝土收縮是抑制硬化階段開裂的關(guān)鍵.處于強(qiáng)約束條件下(如地下結(jié)構(gòu)底板對側(cè)墻的約束)混凝土，往往溫升高、溫降速率快，且疊加自收縮，5～7 d產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力即可能超過其極限抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)開裂，并在夏季施工和高強(qiáng)混凝土中更為突出.針對該類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取水化速率與膨脹歷程雙重調(diào)控的技術(shù)措施，一方面通過調(diào)控溫度場，降低結(jié)構(gòu)溫峰，另一方面通過膨脹歷程的調(diào)控，提升溫降階段的膨脹效能，補(bǔ)償溫降收縮，從而抑制混凝土的硬化階段早期開裂.如圖11所示，通過在外加劑分子中引入含多羥基的功能基團(tuán)，開發(fā)了水化熱調(diào)控材料，能夠降低水泥水化放熱速率峰值50%以上，降低結(jié)構(gòu)混凝土的溫升5～10 ℃以上；水化熱調(diào)控材料不僅能夠調(diào)控水泥水化歷程，還具有調(diào)控膨脹材料膨脹歷程的效果，在快速溫降階段產(chǎn)生足夠膨脹(溫降階段的膨脹增大50～120 με).該項(xiàng)目解決了傳統(tǒng)單一措施(如補(bǔ)償收縮)作用歷程和混凝土溫度及收縮歷程相不匹配問題，可降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降低60%以上，結(jié)合施工等綜合措施，可控制開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于0.7，應(yīng)用于軌道交通、橋梁等工程，實(shí)現(xiàn)無可見裂縫.

圖9 水分蒸發(fā)抑制劑作用原理

圖10 孔隙負(fù)壓控制效果

圖11 雙重調(diào)控技術(shù)作用效果

3.2.3 化學(xué)減縮技術(shù)

現(xiàn)代高性能混凝土均摻加化學(xué)減水劑，但傳統(tǒng)的減水劑均增大混凝土的收縮，如在GB 8076—2008《混凝土外加劑》中只規(guī)定高性能減水劑28 d的收縮率比≯110%.摻加減縮劑是抑制收縮的重要技術(shù)途徑，但傳統(tǒng)縮聚型減縮劑存在成本高且降低混凝土強(qiáng)度等缺點(diǎn).針對上述問題，將微疏水改性聚醚側(cè)鏈采用原位接枝到弱吸附聚合物主鏈，協(xié)調(diào)聚合物親水親油平衡，有效降低了孔溶液表面張力和離子濃度，實(shí)現(xiàn)減縮、分散與分散保持的協(xié)同[圖12(a)].摻量0.4%時(shí)，28 d干燥收縮率降低20%以上[圖12(b)].與傳統(tǒng)復(fù)配技術(shù)(普通聚羧酸與傳統(tǒng)低分子減縮劑)相比，達(dá)到同樣性能水平時(shí)，摻量降低60%以上.這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于田灣核電、港珠澳沉管隧道等工程，有效降低了服役階段干燥收縮開裂風(fēng)險(xiǎn).

圖12 減縮減水型共聚物作用機(jī)理及效果

4 結(jié)語

1) 材料組成、施工環(huán)境、所處的結(jié)構(gòu)特征等發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致收縮及開裂風(fēng)險(xiǎn)突出；只要方法及措施得當(dāng)，控制混凝土收縮裂縫是完全可行的.

2) 現(xiàn)代混凝土裂縫控制應(yīng)考慮材料、結(jié)構(gòu)和施工的復(fù)雜交互作用；“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合，是開展結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性專項(xiàng)設(shè)計(jì)的科學(xué)方法，是實(shí)現(xiàn)變形性能可預(yù)測、抗裂性能可設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

3) 現(xiàn)代混凝土原材料優(yōu)選及配合比優(yōu)化是基礎(chǔ)，水分蒸發(fā)抑制技術(shù)、水化速率和膨脹歷程協(xié)同調(diào)控、化學(xué)減縮是解決不同階段混凝土開裂的有效途徑.