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混凝土早期收缩、开裂对结构耐久性的影响
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摘 要 由于早强水泥和高效减水剂广泛应用，混凝土凝固和硬化强度发展迅速，初期收缩变形受约束产生很大的弹性拉应力得不到松弛则产生开裂，严重地影响处于侵蚀性环境混凝土结构的耐久性和安全性，迫切需要提高对这一问题的认识，并落实到设计、施工、材料各方面，使混凝土结构基础设施建设在新世纪能够可持续地发展。
关键词 早期混凝土 自收缩 开裂性能 耐久性
Shrinkage and Cracking of Concrete and Its Effect on Durability of Structures
Qu Tao1 LuoJian Feng2
(1.Wuhan university of technology Wuhan 430070 2.Tongji university Shanghai 200092)
Abstract Concrete has been set and hardened fast and its strength developed quickly because of application of high early strength cement and superplasticizer, so may be cracked since drastic elastic stress developed and almost no relaxation effect occurred when shrinks was restricted at early age. It affects seriously durability and safety of concrete structures in aggressive environment. It is on edge to improve the knowledge in this field, to put into effect of design, construction and material. They would play an important rule to sustainable development of infrastructure construction in this new century.
Keywords high early-strength concrete, autogenous shrinkage, crack performance, durability
1. 概述
人们很早就已经认识到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、利用大粗骨料粒径、预冷拌和物原材料、限制浇注层高和冷却水管等措施，来可降低水化温峰，抑制温度裂缝。但是，许多混凝土结构，包括桥梁、道路、隧道、港口、大坝、建筑物等，在建期间或建成后不长时间后出现可见裂缝，影响结构耐久性的现象还是十分严重。特别是近些年来随着早强混凝土的广泛应用，混凝土结构劣化迅速的情况越来越多。
为什么会造成这种现象呢？因为很多人都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[1]。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[1]。混凝土的热膨胀系数是随着水泥水化进程而不断发生变化的，尤其在水化初期，混凝土的热膨胀系数变化显著。20×106/℃使用今活性高、粉磨细度大的水泥配制水灰比（水胶比）低的混凝土，尤其是掺有硅灰的高强混凝土，早期自生收缩变形显著。受约束条件下。收缩应变引起的弹性拉应力和粘弹性引起的应力松弛作用相叠加，是大多数混凝土结构发生开裂的实质。
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这些参数的大小。早期收缩变形长生的内应力叠加上后续的收缩变形，以及荷载作用引起的拉应力，超过混凝土的极限抗拉强度时，结构就会出现开裂。无论混凝土的裂缝出现在早期还是后期，其早期形成的内应力都是影响混凝土开裂的关键，也是影响结构耐久性的关键。
2. 混凝土技术的现状
20世纪90年代以后，由于许多大型结构物，尤其是高层建筑物和大跨桥梁的兴建，混凝土设计等级提高，而大剂量高效减水剂以及矿物掺合料，例如硅粉等的复合应用，使水灰比(水胶比)可以大幅度降低,配制生产出来的拌合物强度发展迅速，满足了工程施工对高早强混凝土的需求。这一时期，水泥混凝土技术还发生了一系列重大的变化，包括水泥中的早强矿物(硅酸三钙)增多，粉磨细度加大，使活性大幅度提高；由于市场经济的发展，水泥中的混合材明显减少；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。
而且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，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180mm甚至更大。虽然因为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界面，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，形成大量孔隙与微裂缝。
这样导致了混凝土稳定性和匀质性下降，使得混凝土的抗弯拉强度明显下降。尽管混凝土抗压强度提高的同时抗拉强度也有所增加，但增加的幅度要明显小很多。高强混凝土比普通混凝土的开裂时间明显提前的事实表明：混凝土的抗裂性能不仅取决于强度，还和其它一些参数密切相关。所以我们认为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。
3. 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，还有自身收缩和塑性收缩。在这里我们着重介绍自生收缩。自生收缩与干缩一样，也是由于水的迁移而引起。但这时水分并非向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，产生所谓的自干燥作用，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相反，即当水灰比降低时干缩减小，而自生收缩增大。如当水灰比大于0.5时,混凝土自干燥作用不明显，其自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自生收缩与干缩接近各占一半[2]。
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。
初凝后混凝土体系逐步失去塑性，水泥石的骨架作用使水分消耗引起绝对体积的减少，以形成孔隙的形式得以补偿。此时大部分毛细孔相互连通，而且毛细孔半径很大，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。故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，使毛细管水间断，混凝土内部也开始产生弯月面。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。毛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。（如图1）这就是自收缩对开裂的影响原理。

图1 混凝土表面临界半径的形成与开裂示意图
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要及早覆盖。
4. 混凝土的耐久性
现今的实践表明：采用适宜材料与良好操作制备的C30混凝土，能在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和良好的耐久性；反之，混凝土的强度等级虽然高，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，就会使渗透性变大，影响混凝土结构在侵蚀性环境里的耐久性。这说明现今大多数混凝土初始的渗透性可以足够低，问题出在实际结构工程中的混凝土是否能够稳定达到和长期维持低渗透性。
1994年Mehta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，整体性模型不具体指某一个原因，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[3]。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，所以我们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。
5. 防止收缩的措施
5.1掺入粉煤灰
混凝土的自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[1]。混凝土的早期（初凝至1d）弹性模量低、徐变系数大，因此自干燥速度是决定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因此在相同的水胶比条件下，用粉煤灰替代部分水泥相当于增大早期有效水灰比。因此粉煤灰可降低混凝土内部的早期自干燥速度，显著降低早期自收缩。而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自干燥程度提高，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。
5.2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）掺加有机收缩低减剂的方法减少收缩；（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。
5.3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尺寸水泥浆的自收缩。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少。Tazawa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吻合较好[4]。

式中：为混凝土的自收缩应变，为水泥浆的自收缩应变，为骨料的体积含量，为骨料的体积弹性模量，为水泥浆的体积弹性模量。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骨料，通过对水泥石自干燥变形的约束作用减少自收缩。
5.4实际工程中早期养护对收缩的抑制作用
根据前面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，故需要外加的压力越大，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。所以实际施工过程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采用内衬憎水塑料绒钢模板或透水模板。
参考文献
[1] 安明吉吉：高性能混凝土自收缩的研究，清华大学博士学位论文，1999
[2] 覃维祖：混凝土性能对结构耐久性及安全性的影响[J]，混凝土，2002，6，3-5
[3] P.K.Mehta. Concrete Technology at the Crossroads-Problems and Opportunities .Concrete Technology, Past, Present and Future, 1994，ACISP144-1
[4] Paillere AM. Effect of fider addition on the autogenous shrinkage of silica fume concrete[J]. ACI Materials Jourmal 1989.86(2):139~144.