混凝土收縮開裂性能控制研究

左俊卿 房霆宸 陳逸群 季京安 周 虹

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2.上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 上海 200080；3. 上海建工建材科技集團股份有限公司 上海 200086

混凝土是應用最廣泛的一種建筑材料。在建筑工程中，大體積混凝土結構受到水泥水化作用會產生較大的熱應力[1]。在水泥水化過程中，熱應力、水分擴散與干燥收縮同時進行，熱脹冷縮引起的體積變化和收縮產生的局部拉應力，會導致混凝土產生微裂縫、裂紋和結構損傷[2]。然而，這些微裂縫可能不會立即降低混凝土結構的安全性，但會使外部有害物質更容易進入混凝土結構，從而影響混凝土結構的耐久性[3]。

同時，根據ACI-116要求，對于一些大體積的混凝土構件，如混凝土基礎、混凝土梁和混凝土柱等，應采取特殊的措施以緩解水泥水化產生的熱應力。因此，研究混凝土早期抗裂性能，以及如何提高混凝土早期抗裂性能并保證混凝土的耐久性，已經成為現代混凝土工程技術中亟待解決的問題。

目前，混凝土早期抗裂問題已經成為水泥基材料領域中最普遍的技術難題。近年來，國內外諸多學者圍繞著混凝土早期裂縫開展了大量的試驗研究和工程應用，不斷探索提高混凝土早期抗裂性能的有效措施和方法。其中，在混凝土中添加膨脹劑、減縮劑和纖維材料是最重要的途徑。

大量研究表明，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，有利于增強混凝土的抗裂性能[4]。膨脹劑的摻入會引起水泥漿體體積的膨脹，抵消混凝土早期部分的收縮[5]。減縮劑（SRA）是一種新型的抑制混凝土早期開裂的外加劑，Soliman等人[6]的研究證實SRA的摻入減少了超高性能混凝土早期收縮。

由上述可知，膨脹劑、減縮劑和聚丙烯纖維對混凝土早期抗裂性能均有改善作用，但目前關于三者改善效果優良對比的研究比較缺乏。因此，本文采用平板試驗法對比研究了膨脹劑、減縮劑和纖維材料對混凝土早期抗裂性能的改善效果。

1 試驗

1.1 原材料

本文采用P.O 42.5水泥，其密度和比表面積分別為3.15 g/cm3和350 m2/kg。礦物摻合料主要包括Ⅱ級粉煤灰（FA）和S95礦粉（MP）。細骨料為構件五廠水洗砂，細度模數為2.4，含泥量＜0.5%，泥塊含量0，大于5 mm顆粒含量＜1%。粗骨料為人工碎石，粒徑為5～20 mm，堆積密度為1 450 kg/m3。外加劑為803外加劑，SBT-SRA（Ⅰ）混凝土減縮劑，膨脹劑采用HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑和DENKA HP-CSA。纖維采用聚丙烯纖維（polypropylene fiber，PP）。水為自來水。試驗所用膠凝材料的化學組成（質量分數）如表1所示。

表1 膠凝材料的化學成分質量分數 單位：%

1.2 配合比設計

為研究膨脹劑、減縮劑和聚丙烯纖維對混凝土早期開裂的影響，本文設計了三種體系的混凝土：Mix-Ⅰ，HP-CSA和HME-V分別為20 kg/m3和34.4 kg/m3；Mix-Ⅱ，減縮劑摻量分別為1%和2%；Mix-Ⅲ，聚丙烯纖維的摻量分別為0.1%和0.2%?；炷林兴z比為0.37，膠凝材料的總量為430 kg/m3，砂率為0.43。具體的混凝土配合比設計如表2所示。

表2 混凝土配合比設計 單位：kg/m3

1.3 試驗方案

本研究采用了平板試驗方法，以反映在四邊約束條件下混凝土早期開裂的情況。根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，本試樣所采用的模具尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，如圖1所示。

圖1 平板試樣模具示意

混凝土攪拌好后分2層進行插搗振實，待成形后將試樣置于密封條件下養護2 h，然后將試樣放置在溫度（20±1）℃、相對濕度（60±5）%、風速0.8 m/s的環境條件下養護。數據采集時間：養護初期5 min觀察一次；當出現裂縫后，觀察時間為10 min/次；待裂縫發展穩定后，每隔30 min記錄一次；養護3 d后，觀察時間為0.5 d/次。利用放大倍數為50的顯微鏡讀數并記錄裂縫寬度最大的數據（圖2），其他還包括試樣裂縫數量、長度、寬度。

圖2 裂縫測寬儀讀數示意

1.4 抗裂性評定標準

混凝土的平均開裂面積、單位面積的裂縫數目和單位面積上的總開裂面積根據其澆筑24 h后測量得到的裂縫數據來計算，計算公式如式（1）所示。

式中：Wi——第i條裂縫的最大寬度，mm；

Li——第i條裂縫的長度，mm；

N——總裂縫數量；

A——試樣的表面積，取0.48 m2；

a——每條裂縫的平均開裂面積，mm2/條；

b——單位面積的裂縫數目，條/m2；

c——單位面積上的總開裂面積，mm2/m2。

本文根據每條裂縫的平均開裂面積、單位面積的裂縫數目和單位面積上的總開裂面積對混凝土的抗裂性能等級進行劃分[7]。

試件早期的開裂敏感性評價準則如下：①僅有非常細的裂紋；②平均開裂面積＜10 mm2；③單位面積裂縫數目＜10條/m2；④單位面積上的總裂開面積＜10 mm2/m2。按以上4個準則，將開裂敏感性劃分為5個等級：Ⅰ級——全部滿足上述4個條件；Ⅱ級——滿足上述4個條件中的3個；Ⅲ級——滿足上述4個條件中的2個；Ⅳ級——滿足上述4個條件中的1個；Ⅴ級——1個條件也不滿足。

2 試驗結果與分析

圖3給出了7個試樣混凝土表面裂縫的狀況。從圖中可以發現，減縮劑、膨脹劑和聚丙烯纖維的摻入均減少了混凝土早期裂縫的數量。對于含減縮劑混凝土而言，隨著SRA摻量的增加，混凝土早期抗裂性能逐漸增強，含2%SRA試樣的裂紋數量雖然增加至2條，但其裂紋寬度明顯減??；對比HP和HME膨脹劑可以發現，HME對混凝土早期抗裂性能的提高效果更加顯著，表面未觀察到明顯的微裂紋。隨著聚丙烯纖維的摻入，混凝土表面裂紋數量進一步減少，其中含0.2%PP試樣的表面基本上無微裂紋。通過混凝土表面裂紋的變化可以發現，聚丙烯纖維的改善效果最優，其次是膨脹劑，減縮劑的改善效果最弱。

圖3 混凝土表面裂縫的實物

混凝土早期開裂試驗結果如表3所示。從表中可以看出，與基準組相比，無論是摻入減縮劑、膨脹劑還是聚丙烯纖維，其對混凝土的平均開裂面積、單位面積的裂縫數目和總開裂面積總體上均有明顯的改善作用。C＋1%SRA試樣每條裂縫的平均開裂面積高于基準組，這是因為混凝土表面僅存在一條較長的裂紋，但是其他指標均明顯低于基準組。C＋2%SRA試樣的a、b和c指標與基準組相比分別降低了95%、60%和98%，這是因為SRA分子吸附在水和空氣界面，降低其表面張力，促進混凝土孔隙內部的毛細管負壓下降，導致混凝土收縮降低。同時，SRA還會降低混凝土孔溶液的離子濃度并調節混凝土內部的相對濕度，這對降低混凝土收縮均有積極作用[8-9]。通過將膨脹劑試樣和基準組對比可知，膨脹劑的摻入，使混凝土開裂性能進一步增強。其中C＋HME試樣的效果更好，試樣的a、b和c指標與基準組相比分別降低了96%、80%和99%，其機理為：在混凝土早期，膨脹劑的摻入增加了孔隙溶液中堿離子、氫氧根離子和硫酸根離子的濃度，促進鈣離子的溶出，形成更多氫氧化鈣和鈣礬石晶體，使混凝土基體出現膨脹效應，抵消部分混凝土收縮[10]。

表3 混凝土早期抗裂性能試驗結果

與上述結果相似，含聚丙烯纖維混凝土的早期抗裂性能更優，并且隨著聚丙烯纖維摻量的增加，其改善效果逐漸增強。C＋0.2%PP試樣的a、b和c指標與基準組相比分別降低了97.2%、80%和99.4%，這主要歸因于聚丙烯纖維本身具有較高的抗拉強度，與混凝土基體具有良好的黏結性，有效抑制原生裂縫的擴展，在混凝土中起到橋接的作用[11]。

3 結語

隨著減縮劑、膨脹劑和聚丙烯纖維的摻入，混凝土的最大裂縫寬度、單位面積內的裂縫數量均顯著減少，混凝土的早期收縮開裂性能得到顯著的改善。綜合抗裂性指標來看，C＋0.2%PP＞C＋HME＞C＋0.1%PP＞C＋2%SRA＞C＋HP＞C＋1%SRA＞C0。減縮劑的改善機理歸因于降低了孔隙毛細管壓力和孔溶液的離子溶度以及調節混凝土內部的相對濕度。膨脹劑對混凝土早期表現出良好的膨脹效應，抵消混凝土早期的部分收縮。另外，聚丙烯纖維的增強作用是因為纖維能有效抑制原生裂縫的擴展，在混凝土中起到橋接的作用。

裂縫控制的優劣直接影響到大體積混凝土澆筑的成敗。除了在材料上采取優化大體積混凝土配合比、控制混凝土水膠比、增加粉煤灰的摻量、減少水泥用量等措施外，在施工方面也應根據現場場地布置，綜合考慮大體積混凝土使用量、澆搗時間、混凝土攪拌車停放及運輸道路、泵車布置等因素，合理確定澆搗路線及方案。在大體積混凝土養護方面采用2層薄膜、2層麻袋保溫養護，可滿足溫控及防裂要求。在養護階段，薄膜、麻袋邊緣要搭接好，不允許漏縫。大體積混凝土不僅要保溫，還要注意保濕，以減小混凝土的收縮，特別是高強度等級的混凝土前期收縮較大。在混凝土終凝后，保溫薄膜應及時覆蓋，盡快形成保溫保濕養護環境。在混凝土初終凝階段，采用兩次抹面技術，消除表面裂縫。