混凝土早期收缩\开裂对结构耐久性的影响

【 摘 要】混凝土初期收缩变形受约束产生很 大的弹性拉应力得不到松弛， 容易产生开裂， 严重地影响处于侵蚀性环境下，混凝土结构的耐久性和安全性。文章分析了混凝土早期收缩、开裂的原因，提出了在设计、施工、材料等环节严格把关，抑制混凝土早期收缩、开裂的现象。

【 关键词】早强混凝土；自收缩；抗裂性能；耐久性

中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：

( 一)概述

人们很早就已经认识到了温度对混凝土开裂的影响，提出了掺入火山灰、采用低热水泥、利用大粗粒径骨料、限制浇注层高和冷却水管等措施，来降低水化温度，抑制温度裂缝。然而，许多混凝土结构，包括桥路桥、隧道、港口、等建筑物，在建期间或建成后不久出现可见裂缝。近年来，许多大型建筑物，尤其是高层建筑物和大跨度桥梁的兴建，混凝土设计等级提高，大剂量高效减水剂以及矿物掺合料 ( 如硅粉等)的复合应用，使水灰比大幅度降低，配制生产出来的拌合物强度发展迅速，满足工程施工对高早强混凝土的需求。这一时期，混凝土工程技术还产生了一系列重大的变化，包括水泥中的早强矿物( 硅酸三钙) 的增多， 粉磨细度的加大，使活性大幅度提高。现如今，水泥中的混合材料明显减少；以散装运输车大包装方式运送和储存水泥的发展，使水泥进入混凝土搅拌机时的温度明显升高；单位体积混凝土中水泥用量的增大，加剧了水化温升的发展

为什么会造成这种现象呢?因为忽视了混凝土自身收缩的影响。自身收缩还会与混凝土温度收缩相叠加，从而使很多断面并不大的构件产生裂缝。在混凝土硬化初期，其温度变形和自生变形是产生内应力，造成混凝土开裂的重要驱动力。在拆模后，干燥收缩变形进一步加剧了混凝土内应力的积累。混凝土的温度变形主要由其硬化期间的温度历程和热膨胀系数所决定。

再者，由于泵送工艺和混凝土路面真空吸水工艺的广泛运用，以及易于浇捣、加快施工速度和缩短工期的需要，混凝土拌合物逐渐从干硬向塑性转变，坍落度由 0 ～20mm增大到180m m甚至更大。虽然因减水剂对水泥有较强烈的分散作用，水灰比可以保持不变或有所降低，但拌合物的匀质性和稳定性仍然明显变差，在运输、浇筑和振捣过程以及成型后

都容易出现离析、沉降、泌水现象，从而在骨料与水泥浆的 面，或者钢筋与混凝土的界面形成薄弱的过渡区，混凝土硬化后，尤其在这一区域，易形成大量孔隙与微裂缝。

收缩变形大小仅是导致混凝土开裂的一方面因素，混凝土的开裂敏感性还取决于其弹性模量、粘性松弛、抗拉强度受约束程度，以及发生收缩变形过程时这些参数的大小。

( 二)混凝土的收缩与开裂

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，此外还有自生收缩和塑性收缩。自生收缩与干缩一样，也是由于水的迁移而引起的。但这时水分并非向外蒸发散失，而是由于水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，产生所谓的白干燥作用，混凝土内的相对湿度降低，体积减小。水灰比变化对两种收缩的影响正好相反，即当水灰比降低时干缩减小，而自生收缩增大。

自生收缩在混凝土体内均匀发生，并且混凝土重量未发生改变。此外，低水灰比混凝土的自生收缩集中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的白干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。

初凝后的混凝土体系逐渐失去塑性，水泥石的骨架作用使水分消耗引起绝对体积的减小，以形成孔隙的形式得以补偿。此时大部分毛细孔相互连通，且毛细孔径很大，因此，水的表面张力可以克服毛细管壁的阻力向内部迁移，使混凝土内部的水分保持连续性，从而在表面形成毛细孔弯液面。水分的进一步消耗使临界半径不断减小，同时胶凝材料的水化使毛细孔不断细化和隔断。毛细管壁的阻力超过水的表面张力，使毛细管中的水间断，混凝土 内部也开始产生弯液面。此时水分不能从表面向内部迁移，故即使表面进行养护，水仍对内部无法起到养护作用。毛细管负压在混凝土内部产生应力场使混凝土收缩。由于混凝土表面处于受拉状态，而此时混凝土的抗拉强度又非常低，极易产生表面裂缝和管壁裂缝。这就是自收缩对开裂的影响原理。

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，混凝土浇注后需及早覆盖。

( 三)混凝土的耐久性

现经实践表明：采用适宜材料与良好操作制备的 C 3 0混凝土，能在大多数环境条件下呈现出足够低的渗透性和良好的耐久性；然而，混凝土的强度等级虽然高，但由于稳定性、均匀性不良( 沉降、离析、泌水造成) ，在界面形成大量孔隙和微裂缝，进而使渗透性变大，影响了混凝土结构在侵蚀性环境下的耐久性。这说明现今大多数混凝土初始的渗透性是可以保证足够低的，关键在于实际结构工程中的混凝土是否 能够长期稳定维持低渗透性。

1 9 9 4年 M e h t a提出，混凝土受外界环境影响而劣化的整体模型与以往通过简化方式建立的模型不同，整体模型不具体指某一方面的原因，而是强调了微裂缝和孔隙是引起混凝土劣化的初因，并考虑环境与荷载的作用对孔隙、裂缝扩展与连通的影响。由于混凝土温度收缩和 自收缩对裂缝的产生有着致关重要的作用，所以要尽量抑制混凝土的收缩来提高混凝土的耐久性和安全性。

( 四)抑制收缩的措施

1 ．掺入粉煤灰。混凝土的白收缩大小主要取决于水泥石内部自干燥程度，水泥石的弹性模量及徐变系数。混凝土的早期( 初凝至 1 d ) 弹性模量低、徐变系数大，因此 白干燥速度是决定其早期 自收缩的主要因素。粉煤灰在水泥浆体系中的水化非常缓慢，在相同的水灰比条件下，用粉煤灰替代部分水泥相当于增大早期有效水灰比。可见，粉煤灰可降低混凝土内部的早期 自干燥速度，显著降低早期白收缩。且由于减少了水泥的用量，也在相当大的程度上降低了混凝土的水化热，减小了温度收缩。后期粉煤灰的继续水化使水泥石 内部白干燥程度提高，但是此时混凝土已有较高的弹性模量和很低的自徐变系数，因此在相同自干燥程度下产生的自收缩同早期相比小得多。

2 ． 掺入外加剂。其方法归纳起来有以下几种：( 1 )通过掺加减水剂降低单位用水量的方法减小收缩；( 2 )通过掺加有机收缩低减剂的方法减小收缩；( 3 )通过掺加具有膨胀性的外加剂导入化学预应力的方法补偿收缩。

3 ． 骨料与纤维对混凝土收缩的抑制作用。高性能混凝土中引起 自收缩的组分是水泥石，因此混凝土中存在的骨料约束水泥石的变形，降低体系的自收缩，其作用机理和干燥收缩相同。一方面，骨料的掺入相对来说降低了水泥浆用量，另一方面，自收缩引起的骨料弹性变形反过来抑制水泥浆的自收缩，因此混凝土的 自收缩小于同体积水泥浆的自收缩。由此可知骨料的体积含量与弹性模量对自收缩的影响很大。 一般情况下，高性能混凝土的自收缩均随骨料体积含量的增加而减小，并且同配 比的混凝土其 自收缩随骨料弹性模量的增加而减小。T a z a w a等将混凝土视作由水泥浆与骨料两相组成，用下式对混凝土的自收缩进行了计算，结果表明预测值与实测值较好地吻合。

由此可见，高性能混凝土满 足高工作性与高耐久性的条件下，尽量降低胶凝材料用量，增加骨料的掺量，在有条件的情况下选用弹性模量相对较大的骨料，可以减少混凝土的自收缩。纤维对高性能混凝土自收缩的抑制作用也类似于骨料，其通过对水泥石 自干燥变形的约束作用来减少自收缩。

4 ． 实际工程中早期养护对收缩的抑制作用。根据前面所提到的自收缩的原理，如果开始养护的时间越晚，表面形成的弯液面临界半径越小，需要外加的压力就越大，养护也就越困难。当混凝土内部毛细管壁的阻力超过水的表面张力时，水分无法向内部迁移，表面水分就对混凝土内部无法起到养护作用了。实际施工过程中，早期养护对高性能混凝土自收缩的影响很大。初凝后立即养护可有效地抑制高性能混凝土的早期 自收缩。高性能混凝土的施工过程宜加以采用内衬憎水塑料绒钢模板或透水模板 。