對(duì)高性能混凝土的認(rèn)識(shí)及混凝土開裂的問題

　　這種現(xiàn)象在混凝土剛拆模后表現(xiàn)尤為明顯，這時(shí)混凝土的強(qiáng)度很低，干縮卻非常大，同時(shí)由于混凝土拆模后和空氣接觸使周圍空氣溫度上升，由此導(dǎo)致周圍空氣的濕度降低，進(jìn)一步加大了混凝土干縮。

　　影響混凝土干燥收縮的主要因素是：骨料、水灰比、單位水泥漿體含量。對(duì)于水灰比，40多年前，Pickett用可能較粗的水泥且沒有任何減水劑的條件下，制作水灰比0.35和0.50的水泥和砂漿大試件(19.0mm×25.4mm截面)進(jìn)行的試驗(yàn)，認(rèn)為水灰比對(duì)混凝土的干燥收縮有較大的影響；其他一些在水灰比略大(0.40～0.60波動(dòng))條件下進(jìn)行研究的學(xué)者也持相同觀點(diǎn)。而最近BenotBissonnette等人通過研究提出，水灰比在0.35到0.50間變化對(duì)混凝土的干縮影響不大。有研究認(rèn)為由于水灰比對(duì)毛細(xì)孔的數(shù)量和水泥漿體的微結(jié)構(gòu)具有很大影響，而微結(jié)構(gòu)又顯著地影響混凝土的干縮，從而水灰比可能間接地影響混凝土干縮。水灰比唯一明確的影響在于與限制未水化水泥顆粒體積的計(jì)算相聯(lián)系，并且依據(jù)水泥漿體實(shí)際收縮測(cè)試預(yù)測(cè)干縮。之所以產(chǎn)生這樣一些相矛盾的觀點(diǎn)，是因?yàn)闇y(cè)試方法的問題。影響混凝土收縮的因素主要是骨料的數(shù)量和彈性模量，在骨料數(shù)量一定的情況下，混凝土的總收縮量(包括干縮和自收縮)的量不會(huì)因水灰比改變而有明顯的變化，但漿體的濃度(由水灰比體現(xiàn))變化會(huì)使干縮和自收縮的比例變化。40年前對(duì)測(cè)定混凝土自收縮還缺少辦法，所測(cè)出的收縮值顯然既有干縮也包括了自收縮，如果改變水灰比為漿骨比不變，則把無明顯變化總收縮值當(dāng)成了干縮，就會(huì)有水灰比“影響不大”的結(jié)論，而那些改變水灰比同時(shí)又改變了漿骨比的試驗(yàn)，則顯然會(huì)得出“影響較大”的結(jié)論。

　　單位體積的膠凝材料用量(即漿骨比)對(duì)混凝土干縮有著顯著的影響這一點(diǎn)是確定的。MariaC.GarciJuenger等人認(rèn)為混凝土干縮的速率和程度可能還受C—S—H凝膠形貌的影響。凝膠數(shù)量也影響干縮，與傳統(tǒng)混凝土相比，HPC因其低水膠比使凝膠數(shù)量較少，所以干縮較小。

　　2.2　化學(xué)收縮

　　水泥水化后，固相體積增加，但水泥－體系的絕對(duì)體積減小。所有的膠凝材料在水化后都有這個(gè)減縮作用，大部分硅酸鹽水泥在水化后體積總減少量為7%～9%。在硬化前，所增加的固相體積填充原來被水所占據(jù)的空間，使水泥密實(shí)，而宏觀體積減縮；在硬化后，則宏觀體積不變而水泥－水體積減縮后形成內(nèi)部孔隙。因此，這種化學(xué)減縮在硬化前不影響硬化混凝土的性質(zhì)。化學(xué)減縮和水泥的組成有關(guān)。

　　化學(xué)收縮和水化程度成正比，HPC存在大量未水化水泥顆粒，盡管其單位體積膠凝材料用量較大，其化學(xué)收縮和普通混凝土相比仍然較小。但如摻用活性很高的礦物摻和料如硅灰或超細(xì)礦渣，則化學(xué)收縮會(huì)在一定范圍內(nèi)隨其摻量的增加而增加。

　　2.3　塑性收縮

　　塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，是指塑性階段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而產(chǎn)生的收縮，多見于道路、地坪、樓板等大面積的工程，以夏季有風(fēng)的情況下施工最為普遍?；炷猎谛掳璧臓顟B(tài)下，拌和物中顆粒間充滿水，如果養(yǎng)護(hù)不足，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時(shí)，則會(huì)造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。塑性收縮常伴隨著不可見裂縫的發(fā)展。

　　HPC的水灰比低，自由水分少，輔助膠凝材料對(duì)水有更高的敏感性，在上述工程中容易發(fā)生塑性收縮而引起的表面開裂。影響塑性收縮開裂的外部因素是風(fēng)速、環(huán)境溫度、凝結(jié)時(shí)間和相對(duì)濕度等，內(nèi)部因素是水灰比、輔助膠凝材料、漿集比、混凝土的溫度；延緩混凝土凝結(jié)速率等措施都能控制塑性收縮，最有效的方法是終凝前（開始常規(guī)養(yǎng)護(hù)）保持混凝土表面的濕潤(rùn)，如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等。

　　2.4　溫度收縮

　　溫度收縮主要是混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生的收縮。其大小與環(huán)境溫度、混凝土澆筑溫度、混凝土的熱膨脹系數(shù)、混凝土最高溫度和降溫速率有關(guān)。降低溫升、減小降溫速率、提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、使用熱膨脹系數(shù)低的集料(石灰?guī)r、輝長(zhǎng)巖)，有利于減少冷縮和防止開裂。HPC中大量輔助膠凝材料的使用，使混凝土的絕熱溫升得到了有效降低(硅粉除外)?；炷林袦囟壬咧饕l(fā)生澆筑以后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。在相同的膠凝材料用量條件下，與純水泥混凝土比較，盡管硅粉混凝土總放熱量較低，但溫升卻較高，其原因是它早期放熱速度快。

　　2.5　碳化收縮

　　空氣中含CO₂約為0.04%，在相對(duì)濕度合適的條件下，CO₂能和混凝土表面由于水泥水化生成的水化物很快地起反應(yīng)，稱為碳化，伴隨有體積收縮，稱為碳化收縮。碳化收縮是不可逆的。

　　碳化收縮導(dǎo)致混凝土中Ca(OH)₂含量的減少，從而引起水泥漿體中的堿度下降，繼而其他水化物也可發(fā)生碳化反應(yīng)，拌有水分的損失，也引起體積收縮，并且進(jìn)而可使C—S—H的鈣硅比減小。

　　高性能由于混凝土有足夠的密實(shí)度，碳化就只限于表面層，很難向內(nèi)部進(jìn)行。而在表面層，干燥速率也是最大的。干縮和碳化收縮的疊加受到內(nèi)部混凝土的約束，可能會(huì)引起嚴(yán)重的開裂。碳化反應(yīng)伴隨的收縮是相對(duì)濕度的函數(shù)，無論是單純的碳化，還是由于干縮的同時(shí)發(fā)生的碳化，或者干燥及其后碳化產(chǎn)生的收縮，都在相對(duì)濕度45%～65%時(shí)最大，應(yīng)當(dāng)盡量避免。普通混凝土的碳化速度與水灰比近似成線性關(guān)系。摻入輔助膠凝材料部分代替水泥后，在相同的水灰比下，碳化速率增加，降低混凝土的水膠比，則可達(dá)到相近的碳化速率(見圖4)。但代替骨料，碳化速率反而下降。

　　2.6　自收縮

　　自收縮是由于混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低進(jìn)而造成毛細(xì)孔中水分不飽和并由此產(chǎn)生的負(fù)壓引起的混凝土收縮。混凝土自收縮是在混凝土與外界無水分交換的條件下發(fā)生的。低水灰比的HPC和HSC的自收縮比普通混凝土的自收縮大得多。HPC和高強(qiáng)混凝土(以下簡(jiǎn)稱HSC)的水膠比很低，能提供水泥水化的自由水分少，近年來由于對(duì)早期強(qiáng)度片面的追求，混凝土趨向于使用低的水灰比，較高早期強(qiáng)度發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快。HPC和HSC由于自干燥產(chǎn)生的原始裂縫，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

　　影響自收縮的因素主要有水膠比、水泥品種、輔助膠凝材料、集料、水泥細(xì)度、養(yǎng)護(hù)溫度、外加劑、試件尺寸等。水膠比越低，自收縮所占比例越大；HPC由于其低的水灰比和單位體積內(nèi)大的水泥用量所帶來的混凝土自收縮問題正越來越引起人們的關(guān)注。但在注意到這個(gè)問題之后，存在自收縮并不必然產(chǎn)生開裂。

　　3　膠凝材料對(duì)混凝土早期收縮的影響

　　3.1　水泥

　　現(xiàn)代水泥的組成和細(xì)度發(fā)生了很大變化，這是建筑業(yè)需求的反映；現(xiàn)代混凝土是70年來采用水化趨快、用量趨大的水泥的最終產(chǎn)物。這種趨勢(shì)導(dǎo)致強(qiáng)度很高但也容易開裂的混凝土出現(xiàn)，造成今天115000多座橋面板的劣化。橋面板和停車庫(kù)是首先出現(xiàn)大量損壞的混凝土應(yīng)用場(chǎng)合，因其體積變化處于較大的約束下，又受到較劇烈的溫、濕度變化。這種混凝土強(qiáng)度較高、彈性模量大，缺乏松弛，因溫度收縮、自身收縮和干縮引起的自應(yīng)力的能力。HPC采用的水泥最好是強(qiáng)度高且同時(shí)具有良好的流變性能，并且和目前大量使用的超塑化劑有良好的相容性；但在我國(guó)目前技術(shù)水平下，通常采用提高C3A(雖然同時(shí)也適當(dāng)提高C3S含量)含量和較大比表面積的措施來提高水泥標(biāo)號(hào)，其后果必然造成水泥水化熱大、需水量大、水泥和高效減水劑相容性差、不易保存等問題。從而導(dǎo)致混凝土抗裂性能的降低。另外，高標(biāo)號(hào)水泥如果出廠后不盡快使用，強(qiáng)度損失往往比較大。

　　現(xiàn)在，國(guó)外有研究認(rèn)為，根據(jù)現(xiàn)有的混凝土施工技術(shù)水平，水泥顆粒細(xì)度對(duì)混凝土收縮有如下兩方面影響：一方面，根據(jù)方程可知由于水泥比表面積高，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低，從而產(chǎn)生更大的毛細(xì)孔壓應(yīng)力；因此導(dǎo)致較大的干縮以及自收縮；另一方面，由于混凝土自收縮和干縮和微結(jié)構(gòu)拉力區(qū)中水的數(shù)量成正比，而細(xì)的水泥產(chǎn)生更大的化學(xué)減縮和空的孔隙，充水孔隙將大為減少，從而減少混凝土的自收縮和干縮。

　　式中：Vm——水的摩爾體積

　　T——絕對(duì)溫度

　　RH——混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度

　　R——?dú)怏w常數(shù)

　　另外，對(duì)于高性能混凝土，由于其水灰比一般<0.42，無論水泥細(xì)度如何，必然存在未水化的水泥顆粒，這時(shí)水泥細(xì)度如何影響高性能混凝土性能也是一個(gè)疑問。

　　3.2　輔助膠凝材料

　　現(xiàn)在國(guó)外一般把摻和料也稱為輔助膠凝材料，所以這里把摻和料和膠凝材料放在一起。

　　有人認(rèn)為，輔助膠凝材料大量使用，改善了混凝土的硬化行為和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也帶來早期體積穩(wěn)定性差，容易開裂等問題。實(shí)際上，不同的礦物摻和料對(duì)混凝土的行為的影響會(huì)有很大的差別，不能籠統(tǒng)地這樣下結(jié)論。此外，水泥和混凝土的研究者因針對(duì)了不同的對(duì)象(即選取了不同層次的體系)，會(huì)得出不同的結(jié)論。

　　U.Guse和H.K.Hilsdorfr通過研究認(rèn)為，盡管在使用中，HPC表面出現(xiàn)裂縫時(shí)的荷載比普通混凝土的大2～3倍，但裂紋隨著水灰比的降低而增加。

　　關(guān)于輔助膠凝材料對(duì)混凝土收縮開裂的影響，有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為：

　　(1)摻4%～8%的硅粉使早期水化放熱增加15%，并且顯著增大開裂趨勢(shì)。

　　(2)使用粉煤灰和石灰石水泥可減少開裂的趨勢(shì)。

　　(3)摻50%礦渣的礦渣水泥的水化熱僅為硅酸鹽水泥水化熱的一半，但二者開裂溫度幾乎一樣。

　　事實(shí)上，就目前所使用的輔助膠凝材料而言，如硅粉、磨細(xì)礦渣和粉煤灰等，對(duì)改善混凝土的性能，特別是提高混凝土的抗裂性、抗蝕性，以至全面提高混凝土的耐久性的確起到了重要的作用；但是，必須指出，一定要正確使用，否則適得其反。例如，在混凝土中摻加一定量的硅粉，應(yīng)注意由于早期水化放熱量較大、早期干縮較大等特點(diǎn)，必須采取措施，如即時(shí)養(yǎng)護(hù)等。硅粉混凝土早期開裂似乎比基準(zhǔn)混凝土大，其實(shí)這并不是硅粉的“錯(cuò)”，而是以傳統(tǒng)觀念采用新材料的結(jié)果。因此，建議應(yīng)對(duì)輔助膠凝材料對(duì)混凝土行為的影響進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià)，以找出規(guī)律、更新觀念，發(fā)揮輔助膠凝材料的潛質(zhì)。

　　4　討論

　　(1)要正確認(rèn)識(shí)高性能混凝土，不要將其看成是一個(gè)混凝土的品種而機(jī)械地搬用配合比。高性能混凝土的實(shí)現(xiàn)并不是僅依靠配合比，而是需要從涉及到施工的全面配合才能達(dá)到的。

　　(2)影響開裂的因素是很復(fù)雜的，各種因素還可能會(huì)有相反的影響而相互抵消。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同工程的特點(diǎn)和條件分析不同組成和配合比的混凝土開裂的傾向。

　　(3)在約束條件下的收縮是引起混凝土開裂的潛在因素，通過收縮的測(cè)定可以預(yù)測(cè)混凝土開裂的傾向，但必須有正確的方法和對(duì)條件的控制。目前許多有關(guān)報(bào)道實(shí)際上對(duì)其所測(cè)的收縮數(shù)據(jù)缺乏分析，沒有采取一定的方法和條件把不同種類的收縮加以區(qū)別，因此顯得混亂。

　　(4)工程實(shí)踐表明，混凝土耐久性往往與其開裂行為密切相關(guān)；建立統(tǒng)一規(guī)范的開裂評(píng)價(jià)體系是必要的，以綜合評(píng)價(jià)混凝土的開裂行為，進(jìn)而預(yù)測(cè)其耐久性。