控制混凝土裂缝提高混凝土耐久性

　　摘要：随着我国基础设施建设工程规模的不断加快加大，混凝土成为用途最广、用量最大的建筑材料之一。近百年来，混凝土强度不断的提高成为它主要的发展趋势。发达国家越来越多的使用50MPa以上的高强混凝土。有些远见卓识的专家考虑到某些工程的需要，在提出高强度的同时，也提出耐久性和施工和易性的要求。混凝土的耐久性随着科学技术和经济的发展越来越被人们重视了，而混凝土耐久性除了受配合比自身的影响外，还有混凝土结构在实际使用中，经常由于受相邻部件牵制而处于不同程度的约束状态，因而产生裂缝。裂缝将会导致混凝土构件承载力降低，影响混凝土的抗渗性和耐久性。

　　关键词：混凝土；裂缝；收缩；原因；控制

　　中图分类号；TU377.1文献标识码：A

　　正文：混凝土裂缝是混凝土的一种常见病和多发病。绝大多数发生于施工阶段，其原因复杂多变，一般可分为微观裂缝和宏观裂缝两大类。

　　微观裂缝是指肉眼看不到的、砼内部固有的一种裂缝，它是不连贯的。宽度一般在0.05mm以下，这种砼本身固有的微观裂缝，荷载不超过设计规定的条件下，一般视为无害。

　　宏观裂缝宽度在0.05mm以上，并且认为宽度小于0.2~0.3mm的裂缝是无害的，但是这里必须有个前提，即裂缝不再扩展，为最终宽度。

　　裂缝产生的形式和种类很多，有设计方面的原因，但更多的是施工过程的各种因素组合产生的，要根本解决混凝土中裂缝问题，还是需要从混凝土裂缝的形成原因人手。正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效地控制和减少混凝土裂缝产生的最有效的途径。混凝土裂缝不仅影响桥梁外观，而且影响了桥梁的耐久性。因此，我们应当重视混凝土裂缝，严格控制桥梁质量，针对我公司近年来生产的桥梁，提出以下相关建议或意见，仅供参考。

　　一、引起高性能混凝土裂缝的主要原因

　　1、塑性收缩

　　塑性收缩发生硬化前的塑性阶段。这里是指在塑性阶段混凝土由于表面失水而产生的收缩，多见于道路、地坪、楼板等大面积工程，以夏季施工最为普遍。混凝土在新拌状态下，拌合物中颗粒间充满水，如果养护不足，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，则造成毛细管中产生塑性收缩。高性能混凝土的水胶比很低，自由水分少，矿物细掺料对水有更高的敏感性，在上述工程中容易发生塑性收缩而引起表面开裂。影响塑性收缩开裂的因素是风速、环境温度和相对湿度等，内部因素是水灰比、细掺料、浆集比、混凝土的温度和凝结时间等。通常，预防塑性收缩开裂的方法是降低混凝土表面的失水率。采取防风、降低混凝土的温度、延缓混凝土凝结速率等措施都能控制塑性收缩。最有效的方法是终凝（开始常规养护）前保持混凝土表面湿润，如在表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等。

　　2、温度收缩

　　随着温度的变化而发生膨胀或收缩变形称为温度变形。混凝土具有热胀冷缩的性质。不同集料的热膨胀相差很大。在同一混凝土中，不论集料和水泥浆之间或不同集料之间的热膨胀差别是导致混凝土破坏的因素之一。混凝土的温度膨胀系数为0.00001，即温度升高1℃，每米膨胀0.01mm。大体积混凝土裂缝主要是由温度变形而引起的。在混凝土硬化初期，水泥水化会放出较多的热量，由于混凝土是热的不导体，散热缓慢，如不采取人工降温措施，大体积混凝土内部的温度将增高，有时可达到50～70℃，在混凝土内部产生较大的体积膨胀。而在混凝土外部却随气温降低而冷却收缩。因此混凝土内部膨胀与外部收缩这种相反的作用使外部混凝土产生很大的拉应力。当外部混凝土所受的拉应力一旦超过混凝土的极限抗拉强度时，外部就会开裂，而这种裂缝会严重破坏混凝土结构物整体性和降低耐久性，所以如何减少温度变形是一个很重要的问题。

　　浇注大体积混凝土时，应确定大体积混凝土施工方案，作试算分析工作，在大体积混凝土浇筑块体在浇筑前应进行温度、温度应力及收缩应力验算分析。其目的为了确定温控指标（温升峰值、芯部与表层温差、降温速度、混凝土表层与环境温差）及制定温控施工的技术措施（包括混凝土原材料的选择、混凝土拌制、运输过程及混凝土养护的降温和保温措施，温度监测方法等），以防止或控制有害裂缝的发生，确保施工质量。温差以不超过20℃为宜，轨道板、预应力桥梁不得超过15℃，这一要求适用于最小边长尺寸在1～3米范围内的大体积混凝土。应采用以下措施减少温度变形，防止出现裂缝：采用水化热低的水泥；在保证强度的前提下，降低水泥用量和最大限度减少混凝土的单位用水量来降低水化热；利用夜间或低温季节浇注混凝土以降低浇筑温度；适当减薄浇筑层的厚度，利用层面散热；设法降低拌合水和原材料的温度，以降低浇筑温度；在混凝土中埋设冷却水管，浇筑后通水冷却以降低水化热产生的温升；应合理分缝分块，改善约束条件，减轻约束作用；注意避免引起应力集中等不利结构形式；合理的安排施工程序，避免过大的高差和长期暴露面等。

　　在控制大体积混凝土裂缝的措施方面，理论研究远滞后于工程实践，迄今为止，对于大体积混凝土温度场变化和温度裂缝产生的规律性，还缺乏系统研究，混凝土温度及温度应力的计算还不够精确；在防止大体积混凝土开裂问题上，也是考虑外部因素比较多，而在提高大体积混凝土本身材料特性以及开发新的混凝土品种上研究得很少。在桥梁建设当中，属于大体积混凝土的温控防裂只采取了少量几项措施，包括粉煤灰加减水剂和采用冷却水管。但这远远不够的，大体积混凝土的温控要从材料做起，再加上合适的施工措施，才能达到避免开裂的目的。

　　3、自身收缩（自缩）

　　混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起体积变形称为自身体积变形，而自身体积变形为收缩的称自生收缩（自缩），这种收缩是由化学作用引起的。因此，自收缩是化学收缩之一。

　　混凝土的自身收缩与水泥品种、水泥用量及掺用混合种类有关，水泥用量少时，自缩值小。普通硅酸盐水泥拌制的水泥混凝土的自生体积变形一般是收缩，而矿渣水泥混凝土的自生体积变形早期是膨胀。近年来，随着高强混凝土和高性能混凝土的应用和发展，发现低水胶比的高强混凝土和高性能混凝土的自收缩比普通混凝土的自收缩大的多。高性能混凝土的水胶比很低，能提供水泥水化的自由水分少，早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快。在外界水分供应不足的情况下，水泥水化不断消耗水分而自干燥产生自生的原始裂缝，影响混凝土的强度和耐久性。

　　混凝土自收缩的大小不仅与水胶比、细掺和料的活性、水泥的细度等因素有关。掺外加剂也是制备高性能混凝土的关键技术之一。

　　外加剂的性能品质、匀质性和与水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本条件。由于目前外加剂品种繁多，产品质量参差不齐，市场管理又比较混乱，选用时，一定要注意不同外加剂的使用功能和特点。外加剂不但要与基准水泥还应与工程所用水泥具有良好的相容性。

　　适量引气能够提高混凝土的抗冻性，同时能够改善混凝土的其他性能。混凝土引气的方式有两种，一种是掺加引气型减水剂，一种是减水剂和引气剂双掺。客运专线高性能混凝土前期施工采用掺加引气型减水剂的方式引气，但在过程中发现掺加引气型减水剂引入的气泡质量较差，混凝土结构表面气孔较多。含气量要求大于等于4%的混凝土采用减水剂和引气剂双掺的方式引气，控制减水剂的含气量不大于3%。为了减少由于收缩而引起的混凝土开裂，结合目前高效减水剂的生产技术水平，将减水剂的收缩率比规定为不大于125%。

　　提高混凝土的耐久性，尤其是抗冻性，引气剂起到十分重要作用。混凝土掺入少量引气剂后，就能使每方混凝土中引入数千亿个微小气泡，使混凝土的抗冻融性能大大提高。国内外大量研究表明，混凝土中掺加引气剂后，对混凝土的工作性和匀质性有所提高。引气剂不仅能减少混凝土的用水量，降低泌水率，更重要的是混凝土引气后，水在拌合物中悬浮状态更加稳定，因而可以改善骨料底部浆体泌水、沉陷等不良现象。因此，适量引气是配制抗冻高性能混凝土的重要手段之一。

　　4、干缩变形

　　混凝土在硬化过程中，由于水分的散失，体积发生收缩的现象称为混凝土的干缩。

　　水泥水化生成硅酸钙胶体结晶体，一般结晶体不会受到干燥条件的影响，因此支配干缩的主要因素是胶凝体的数量和特征。胶凝体中有大量的微细孔隙，在干燥条件下，胶体中自由水逐渐蒸发产生毛细管压力，压缩管壁，胶体的体积也随水分的蒸发而减少，因此引起混凝土的干缩。

　　干缩与水泥品种、细度、水灰比、龄期、水泥的用量和单位用水量有关。矿渣水泥比普通水泥的收缩大；高强度水泥，细度较细，收缩较大。混凝土中若水泥用量多和单位用水量多，胶体数量就比较多，因而混凝土干缩较大。集料的绝对体积愈大，混凝土的干缩率愈小。在混凝土中增大集料绝对体积，对干缩有一定的抑制作用。干净的砂石、捣固密实的混凝土，收缩率小；在水中或潮湿的条件下养护，可减少混凝土的收缩。经蒸汽养护的混凝土收缩率较小。

　　5、施工现场外部原因

　　(1)现场浇捣混凝土时，振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均会影响混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生。

　　(2)高空浇注混凝土，风速过大、烈日暴晒，混凝土收缩值大。

　　(3)对大体积混凝土工程，缺少两次抹面，易产生表面收缩裂缝。

　　(4)现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。

　　现场模板拆除不当或拆模过早，引起拆模裂缝或拆模过。

　　支撑混凝土构件的墩台柱不均匀沉降，也容易造成开裂。

　　合理选定混凝土配合比

　　混凝土配合比选定的好坏，直接关系到结构物的寿命和整个工程的经济效益。

　　混凝土的适配强度严格按照《铁路混凝土强度检验评定标准》TB10425-94的规定。混凝土的强度标准差应由强度等级相同，且混凝土配合比和施工工艺条件基本相同的混凝土标准试件统计求得。考虑到目前混凝土生产单位和管理水平，强度标准差取中等水平。

　　混凝土的早期强度越高，混凝土早期开裂的可能性越大。为克服混凝土的这一不足，充分发挥矿物掺合料的后期火山灰效应，宜按56d龄期作为混凝土标准强度的验收龄期。混凝土的抗裂性对于抵抗环境作用侵蚀甚微重要，我国现行标准还未对水泥（胶凝材料）或混凝土抗裂性检验的规定。通过传统的混凝土干燥收缩试验所获得的收缩数据，并不能全面评价混凝土的抗裂性能，因为后者混凝土的抗拉强度、弹性模量特别是徐变或约束状态下的应力松弛能力。采用收缩时受约束的环形试件和平板试件来评定混凝土的抗裂性可在一定程度上克服这些缺点，而且方法简便，但不用作定量分析，只能用于不同原材料和配比混凝土之间的相对比较。

　　不同环境下、不同程度水胶比混凝土矿物掺合料的范围，均对混凝土耐久性有很大影响。以粉煤灰和矿渣粉为代表的掺合料赋予混凝土高工作性能、高耐久性、高体积稳定性，已达成共识，因此矿物掺合料已经成为铁路混凝土的必要组分。矿物掺合料对混凝土力学性能的影响，在碳化环境、氯盐环境、冻融破坏环境、盐类结晶破坏环境以及磨蚀环境对矿物掺合料掺量有所规定，根据不同水胶比亦对掺量有规定。在化学侵蚀与氯盐环境下，矿物掺合料能够大幅度地提高混凝土的抗蚀性，在混凝土制备时必须掺加矿物掺合料。主要参考美国《混凝土结构设计规范》ACI318与《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008。

　　配合比设计是确保混凝土耐久性最关键的环节，水胶比与最小胶凝材料用量限值是确保混凝土耐久性最关键的环节，水胶比与最小胶凝材料用量限值是保证混凝土耐久性所需要的抗渗性与力学性能的重要技术参数。由于混凝土拌合时间的用水量在其浇筑成型后被水化合的很少，大量游离水随后成为混凝土的薄弱环节，给混凝土的开裂和耐久性带来不利影响。近年来，从机理到工程应用都可以证实，控制混凝土拌合物最大用水量可以有效地改善其各项性能。

　　碳化环境：混凝土碳化，一方面与CO2在混凝土中的扩散速度密切相关，其取决于混凝土的孔隙率和空隙结构，即取决于混凝土的水胶比；另一方面还与混凝土吸收CO2的能力有关，其取决于胶凝材料中Cao含量。碳化环境下，当采用能够减水的掺合料配制混凝土时，这种混凝土也具有较强的抗碳化能力，但对于水胶比较大的混凝土，矿物掺合料掺量不宜过大。

　　氯盐环境：实践及大量试验表明低水胶比的掺合料混凝土比同水胶比的硅酸盐水泥混凝土更具有更高的抗氯盐侵蚀性能，因此氯盐环境下，不宜单独采用硅酸盐水泥作为胶凝材料，宜采用矿物掺合料及水泥作为胶凝材料，掺量根据相关标准确定。

　　化学侵蚀环境：提高混凝土耐硫酸盐化学侵蚀的主要技术措施有三条，即第一选择耐硫酸盐性能的良好水泥，水泥中C3A尽量要少。第二是合理的掺用矿物掺合料，一般掺量不得少于40%，随着掺合料增加，混凝土耐蚀性能提高，但应综合考虑，不宜太高；第三通过掺高效减水剂，降低混凝土单方用水量，引气能够有效抑制或减缓混凝土在硫酸盐化学侵蚀和硫酸盐结晶引起的膨胀，即显著降低硫酸盐结晶造成的混凝土抗折强度降低及表面侵蚀。在化学侵蚀环境下，不得使用石灰石作为掺合料。

　　盐类结晶破坏环境：干湿交替情况下，水中的硫酸根离子浓度如大于200mg/L，或土中硫酸根离子浓度大于1000mg/L，就有可能损害混凝土。地下水、土中的硫酸盐渗入到混凝土的内部，并在一定条件下使得毛细孔水溶液中硫酸盐浓度不断积累，当超过饱和浓度时就会析出结晶而产生很大压力，导致混凝土破坏。采用适当引气可以适当释放硫酸盐结晶破坏压力。因此，盐类结晶破坏环境，宜使用引气混凝土。

　　磨蚀环境：混凝土的抗磨蚀性能能主要取决于混凝土的强度、骨料的强度，硬度和韧性，对磨蚀环境下混凝土的原材料提出特殊要求，尤其骨料和胶凝材料方面。因而原材料、掺合料最大限量及水胶比、最低强度等级和胶凝材料用量予以规定，同时低水胶比，以便改善表面砂浆的强度和耐磨性。所以适当掺加补偿早期收缩的膨胀剂或减水剂。

　　冻融破坏环境：大量试验与实践证明，提高混凝土的抗冻性的途径有两方面，第一提高混凝土的密实度或强度；其二适当引气。引气混凝土具有较高的抗冻性事实已被证明，引气不仅能够提高混凝土的抗冻性，而且能够提高混凝土的工作性能；然而，高强混凝土黏度大、施工难。因此严格控制混凝土的含气量。气泡大小与气泡稳定性直接影响引气剂的质量，目前采用气泡间距系数来控制混凝土内部的气泡质量，确保混凝土中引入的气泡微细、均匀、稳定。

　　通过以上，为了提高性能混凝土的耐久性，只有合理地选用配合比。

　　二、减小混凝土收缩控制混凝土开裂的措施

　　1、合理的养护温度

　　以20℃为标准养护的温度在世界上已经有很长的历史了。但是实际上混凝土内部的温度远非20℃。可在混凝土表面采取保温保湿养护，采用温水养护、外部包裹保温材料和塑料布。对于大体积混凝土可采用预埋冷却水管同低温水冷却。通水时间一般在15天左右。混凝土温度与冷却水温之差不宜超过25℃，水流方向应每天改变一次，使构件冷却较为均匀。

　　2、改善混凝土性能

　　（1）由于在低水胶比下存在水泥、高效减水剂和矿物细掺和料的相容问题，而且掺入高效减水剂和矿物细掺和料后的塑性和黏度有明显的改变，使用现行检测标准稠度用水量的方法不能确切判断掺入高效减水剂和矿物细掺和料后的水泥真实的需水量，因此在水泥标准中应当有所反映。

　　（2）在混凝土中使用外加剂已成为混凝土发展的必然趋势。在水泥生产时掺入一定量的减水剂，不仅可以最大限度地发挥减水剂的效率，改变混凝土的流变性能，减小水泥的需水量，而且方便使用，还可以有一定的助磨作用。

　　（3）采用水化热较低的水泥，降低混凝土构件的内外温差，减小混凝土的自应力可有效的防止混凝土裂缝的产生。

　　（4）掺用高效减水剂、尽量减少混凝土的单位用水量和水泥用量。混凝土的干燥收缩是由于混凝土中的多余水分不断蒸发造成的，因此减少混凝土的单位用水量是很有必要的。而混凝土水化热的大小与水泥用量有很大的关系，因此减少混凝土单位水泥用量可有效的减小混凝土的温升，对于防止混凝土出现温度收缩裂缝很有好处。

　　（5）关于矿物细掺料的使用

　　因矿渣的细度影响混凝土的收缩和混凝土的温升，并影响生产成本，故对磨细矿渣的细度规定不宜过细，一般以400～500m2/kg为宜。掺用优质的粉煤灰，粉煤灰掺量不超过25%时，对混凝土性能的影响不大，只是混凝土的温升稍有降低。只有超过25%时，粉煤灰对混凝土的性能才会明显改善。当使用粉煤灰时，不能是不改变原配合比而只用粉煤灰取代水泥，而是根据达到一定的目标强度和工作性时粉煤灰掺量和水胶比的关系来确定混凝土的配合比。粉煤灰的掺量要根据工程性质来确定。

　　（6）关于骨料

　　骨料的品种不同，其热学、力学变形性能也不同。根据资料反映骨料的比热可相差14%，导热系数相差60%，线膨胀系数相差50%。弹性模量相差60%。不同的骨料配制的混凝土其性能相差很大。一般选用石灰岩骨料较好。砂石含泥量超过规定，不仅降低混凝土的强度和抗渗性，还会使混凝土干燥时产生不规则的网状裂缝。砂石的级配差，或砂颗粒过细，用这种材料拌制的混凝土常造成侧面裂缝、碱-骨料反应。骨料中含有泥性硅化物质与碱性物质相遇，水、硅反应会生成膨胀的胶质，吸水后造成局部膨胀和拉应力，则构件产生爆裂状裂缝，在潮湿的地方较为多见。

　　3、改善混凝土施工工艺

　　（1）降低混凝土浇筑温度。

　　1）降低骨料的温度。混凝土中骨料占有75%以上，对骨料降温可有效地降低混凝土的温度。一般可采用搭棚遮阳、从底部取料、冷气吹风、和低温水冲洗等方法降温。

　　2）降低拌和用水的温度。拌和用水量虽不大，但它的比热很大。若能降低拌和水的温度，对混凝土降温效果是显著的。一般水温降低1℃，可使混凝土温度降低2.5℃。因此尽量采用地下水和自来水或采用冰块降低拌和用水温度对混凝土降温是很有好处的。

　　3）浇筑时间安排在低温时间。低温时间浇筑混凝土，不仅能降低混凝土的入模温度，也可降低水化温升。因此为防止混凝土开裂尽量把混凝土施工安排在低温的时候。

　　4）尽量延长拆模时间。延长拆模时间，使混凝土强度充分发展后拆模，能减轻冷冲击对混凝土的危害作用。拆模时间应根据混凝土已达到的强度和混凝土的内外温差来确定，应避免在夜间或气温骤降时间拆模，一般在中午时拆模，拆模后应立即把混凝土表面加以保温保湿养护。

　　5）设计采用混凝土防裂网片。采用混凝土防裂网片可有效的提高混凝土表面的抗拉裂能力，对防止混凝土开裂是有好处的。

　　6）对于大体积混凝土采用纤维混凝土设计。采用纤维混凝土可提高混凝土的抗拉强度，提高混凝土防开裂能力，同时还可提高混凝土的抗弯和抗冲击性能。

　　结语：

　　如何采取措施有效地控制裂缝的产生，得到均匀密实的、体积稳定的、化学性质安定的具有良好耐久性的优质混凝土是放在我们大家面前的一个重要课题。只有通过我们不断的学习研究试验才能取得进步。