高性能混凝土非结构性裂缝控制综述

高性能混凝土 非结构性裂缝控制综述

摘要：为了提高混凝土工程的使用年限，高性能混凝土在工程中的应用越来越普遍。但由于高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，在原材料组成上有所不同，在配合比设计及施工工艺上有其特殊要求，故其性能由于受到影响其性能的因素变化相对于普通混凝土更加敏感。本文通过高性能混凝土的非结构性裂缝产生的机理、影响因素进行分析，以期达到在原材料的选择、配合比设计、施工中严格控制高性混凝土非结构性裂缝，达到提高高性能混凝土耐久性的目的。关键词：高性能混凝土、非结构性裂缝、

1 前言

高性能混凝土（High Performance Concrete，简称HPC）一词最早由美国混凝土协会于1990年提出，具体指由优质水泥、集料、饮用水、活性细掺料和高效外加剂制成的，同时具有优良耐久性、工作性和强度的匀质混凝土。这一概念的提出立即得到了国际土木工程界的广泛接受和引用，各国根据不同工程要求，相继提出了具有不尽相同内涵的高性能混凝土的定义。这些定义的不同点主要体现在对高性能中耐久性、工作性、强度等的侧重不同。如加拿大提出的高性能混凝土指按专门用途设计的混凝土，对HPC的强度没有作出明确要求；欧洲混凝土协会则视高性能混凝土为水胶比小于0.4的混凝土；日本将流态自密实免振捣混凝土称为高性能混凝土。中国工程院院士吴中伟教授认为：HPC是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量管理条件下制成的。除水泥、水、集料外，HPC必须采用低水胶比和掺加足够细掺料与高效外加剂。HPC必须同时保证下列诸性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性和经济合理性。

高性能混凝土制作的主要技术途径是采用优质的化学外加剂和矿物外掺合料，前者可以改善工作性，生产低水胶比的混凝土，控制混凝土坍落度损失，提高混凝土的致密性和抗渗性；后者可参与水化，起到胶凝材料的作用，改善界面的微观结构，堵塞混凝土内部空隙，提高混凝土耐久性。高性能混凝土的低水胶比与矿物掺合料的大量掺入使高性能混凝土的硬化结构与普通混凝土有很大的差异，结构的差异在带来高性能混凝土诸多性能上的突破的同时，随之而来的是它一些本质上的缺点，如发生在初凝前的塑性收缩大；自收缩大，主要发生在早期；温度收缩大，温度收缩出现的时间提前；水分向周围环境散失而引起的干燥收缩相对来说较小，但其实测值（其中包括

部分自收缩）并不小，即高性能混凝土的自收缩与温

度收缩较大。高性能混凝土的早期收缩大，早期弹性模量增长快、抗拉强度并无明显提高、比徐变变小等因素共同导致了高性能混凝土（特别是高强混凝土）早期抗裂性差。

2 高性能混凝土非结构性裂缝的种类和产生机理

混凝土的非结构性裂缝主要有： （1）塑性收缩裂缝。在高温或风速教大的季节，大面积暴露的新鲜馄饨表面，在混凝土终凝之前容易产生塑性收缩裂缝。当蒸发速率超过泌水速率时，水的蒸发面由表面深入到新鲜混凝土表面以内，使蒸发面形成凹液面，凹液面产生的毛细管压力使固体颗粒之间产生引力。Powers提出如下计算毛细管压力的计算公式：

-3

P=1×10γ.S/（W/C）

式中：P-颗粒之间的毛细管压力；

γ-水的表面张力； S-颗粒的比表面积； W/C-混凝土的水胶比。

水泥基材料毛细管压力随着时间的变化趋势可分为三个阶段。在第一阶段，颗粒之间的距离较大，形成毛细管压力较小。第二阶段，颗粒之间的水形成弯液面而且曲率半径不断减小，毛细管压力P也随之而增大，并达到最大值，此时的毛细管压力称之为临界压力（或突破压力）。进入第三阶段，由于水泥水化的不断进行，混凝土表面的水不能填充所有空隙而呈非连续状态，毛细管压力随之迅速下降。这种颗粒之间的毛细管压力引起应力而使得混凝土表面收缩，当混凝土处于塑性状态时，混凝土表面抗拉强度很低，在P值大于混凝土表面抗拉强度时，则产生塑性收缩裂缝。

在高性能混凝土中，由于使用了掺合料和化学外加剂，并且水灰比较低，与传统的四组分混凝土有着完全不同的组成，故影响高性能混凝土塑性收缩开裂的因素与影响普通混凝土塑性收缩开裂的因素有所不同。

1、高效减水剂减小水灰比的影响。高性能混凝土掺用高效减水剂或缓凝型高效减水剂以降低水胶比，由Powers公式可知，表面颗粒之间的引力加大。高性能混凝土中掺缓凝型高效减水剂在延缓水泥水化的同时，也降低了终凝前混凝土表面的抗拉强度，延长了表面失水的时间，增加了出现塑性收缩裂缝的可能性。

2、胶凝材料和矿物掺合料对高性能混凝土塑性收缩的影响。根据有关资料，水泥用量和胶凝材料总量增加对混凝土塑性收缩有增加的趋势。粉煤灰、磨细矿渣及硅灰的使用使混凝土浆体内部颗粒堆积更加密实，表面部分细小颗粒的存在使毛细管压力增大，颗粒之间的引力也随之增大，增加了出现塑性收缩裂缝的可能性。这点从由Powers公式的颗粒比表面积增加，毛细管压力增加可以看出来。

（2）自缩裂缝。塑性收缩裂缝和干缩裂缝不同，虽然都是由于混凝土失水产生的表面张力引起，但干缩主要是由于混凝土终凝后内部水泥石的空隙（气孔、毛细孔、凝胶孔）水蒸发而产生，干缩量随龄期逐渐增长，形成的干缩裂缝一般垂直于长度方向或在边角呈450。由于高性能混凝土结构致密，炭化收缩值很小，因而干缩引起的高性能混凝土自收缩是导致高性能混凝土产生裂缝的主要因素之一。关于高性能混凝土自收缩产生的机理和自收缩模型目前都停留在推测和预测阶段，尚没有深入的理论分析与经过大量的实验研究来证实。

同济大学蒋正武等总结分析混凝土自收缩的主要影响因素有以下几个方面。

1、水泥矿物组分与水泥类型。水泥继续水化是自收缩的根本原因，水泥矿物成分的水化速率、水化程度与水化结合水含量是影响自收缩大小的关键。水化速率最快的C3A影响最大，其结合含水量也最高，其次C4AF、C3S与C2S影响最小。不同水泥类型对自收缩的影响，实质上是不同矿物成分对其的影响。高铝水泥与早强水泥因C3A含量高，自收缩较大，低热水泥和中热水泥因C2S含量高而自收缩较小，对矿渣水泥，则水化后期的自收缩值较高。

2、自收缩是由于混凝土自干燥引起的本身不可避免的现象，对低水胶比的混凝土，水胶比越低，与干缩相比，自收缩的比例增大。

3、不同的矿物掺合料极其矿物组成、细度和活性与混凝土自收缩关系密切。文献和实践都表明，掺入优质粉煤灰可以降低高性能混凝土的自收缩。

4、集料对混凝土的自收缩有限制作用。

（3）温度收缩裂缝。温度收缩裂缝主要在大体积混凝土中体现。大体积混凝土的开裂，从根本上说是

由于混凝土结构与结构之间或结构不同部位之间的

温度应力超过混凝土的抗裂能力而产生的。例如，浇注在岩基或者老混凝土基础上的大体积混凝土，在温度升温阶段，新浇混凝土体积膨胀，因受到基础的约束产生受压的温度应力，但由于此时的混凝土龄期短，弹性模量低，因此，其压应力值很低；而在混凝土降温阶段，新浇混凝土的体积产生收缩，因受到基础的约束产生的温度应力为拉应力，当拉应力值超过混凝土的抗拉强度时，或者受拉变形超过其极限拉伸能力时，变会产生裂缝。同时，混凝土的干缩变形与温度应力的叠加助长了开裂的产生和发展。按照绝热温升公式

Q（J）=571.2（C3S）+260.4（C2S）+840（C3A）+126（C4AF）

式中C3S、C2S、C3A、C4AF—水泥中各矿物成分含量百分率 可知，影响大体积混凝土的温度裂缝的水泥材料方面的原因主要是水泥的用量以及水泥中矿物组分的含量。

（4）炭化收缩产生裂缝。空气中含有一定比例的CO2，它们在一定相对湿度下会使水泥硬化浆体的水化产物，如Ca（OH）2、水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙分解，并释放出水分，从而引起收缩。炭化收缩的大小主要受混凝土养护制度和环境湿度影响，并与掺加的掺合料有关。不均匀的收缩也会导致在硬化混凝土中产生内应力，甚至发生裂缝。 （5）水泥安定性不良和碱集料反应导致混凝土内部不均匀变形，严重的导致混凝土崩裂。该种裂缝对混凝土结构具有严重的破坏，这里不做机理分析。

3 控制高性能混凝土非结构性裂缝的措施

（1）在原材料的选择上，高性能混凝土所用的原材料，除传统混凝土所用的水泥、砂、石、水以外，还有高效外加剂和矿物掺合料，有些高性能混凝土还掺加一定的纤维。使用高效减水剂和磨细矿物掺合料是使混凝土达到高性能的主要技术措施。前者能降低混凝土的水胶比，增大坍落度和控制坍落度的损失，赋予混凝土高的致密性和良好的工作性；后者能填充胶凝材料的孔隙，参与胶凝材料的水化，除提高混凝土的致密性外，还改善混凝土的界面结构，提高混凝土的耐久性与强度。由于高性能混凝土的高性能要求和配臵特点，原材料中原来对普通混凝土影响不明显的因素，对高性能混凝土就可能影响显著。因此，高性能混凝土所用原材料的要求与普通混凝土有所不同。

1、水泥。国外研究用于高强高性能混凝土的特种水泥有球型水泥、调粒水泥、超细磨水泥和高贝特水泥等。但是国内基本上无这方面的水泥的大量生产，所以一般不使用。根据高性能混凝土的特点，从国内实际情况出发，高性能混凝土选用的水泥要综合考虑其各项性能，很重要的一点就是要选择流变性好、早期反应性能低并能与外加剂有着良好的适应性的水泥。需要特别说明的是，配制高性能混凝土不一定必须使用高强度水泥。

2、矿物掺合料。当前用量较多的是磨细矿渣、粉煤灰、硅灰。

水泥水化初期，胶凝材料中的矿渣微粉分布并包裹在水泥颗粒的表面，能起到延缓和减少水泥初期水化产物相互搭接的隔离作用，从而改善混凝土的工作性。磨细矿渣在碱激发、硫酸盐激发或复合激发下具有反应活性，与水泥水化产生Ca（OH）2发生二次水化反应，生成低钙型的水化硅酸钙凝胶，在水泥水化过程中激发、诱导水泥的水化程度，加速水泥水化的反应进程，还能改善混凝土的界面结构，从而显著地改善并提高混凝土的强度和耐久性。由于磨细矿渣的掺入，延缓了胶凝材料的水化速度，使混凝土的早期温升得到控制，有利于控制混凝土的内外温度差，减少温度裂缝的产生。但在需要抗冻的条件下使用矿渣时候，就需要掺加适量早强剂、防冻剂。磨细矿渣的细度对高性能混凝土的影响巨大，粒径在45μm的矿渣颗粒很难水化反应，因此要求用于高性能混凝

土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2

/kg，以较充分的发挥其活性减少泌水性。矿渣磨得越细，活性越高，泌水越小，但不利于降低早期水化热及减少收缩。一般说来，用于高性能混凝土中的矿渣细度要求达到

400m2

/kg以上，但是最佳细度和掺量需要综合考虑混凝土工程的性能要求、混凝土的温升、自收缩和磨细的电耗成本。

粉煤灰过去作为粉煤灰水泥的混合材、混凝土中降低成本和水化热功能的掺合料在我国已经被广泛运用。具有胶凝材料性质的粉煤灰作为矿物掺合料代替部分水泥配制高性能混凝土，在我国还有很大的发展潜力和空间。粉煤灰的作用机理，除火山灰材料特性的作用（消耗水泥水化时生成薄弱的、而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶，由于水化缓慢，只有在后期才生成少量C-S-H凝胶，填充于水泥水化生成物的孔隙，使其更加密实）以外，对于高性能混凝土用的优质和磨细粉煤灰，还存在着形态效应、填充效应和微集料效应。对混凝土的工作性提高显著，会延长混凝土的凝结时间，降低混凝土的水化热，同时提高混凝土的耐久性。但是对于有抗冻要求的混凝土，其粉煤灰的掺量需要严格控制。

由于硅灰的颗粒细小，比表面积大，具有SiO2

纯度高、火山灰活性等物理化学特点，把硅灰作为矿物掺合料加入混凝土中，对混凝土的性能会产生多方面的良好效果。无定形和极细的硅灰对高性能混凝土

有益的影响主要表现在物理和化学两个方面：起超细

填充料作用；在早期水化过程中起晶核作用，并有高的火山灰活性。硅灰的掺入可以大幅度提高混凝土的强度、增加混凝土的致密度、改善混凝土的离析和泌水性能。

4、化学外加剂，要求所选用的外加剂除满足相关要求外，要特别注意其与水泥及掺合料的适应性问题，最佳掺量问题，确保外加剂达到减水要求，满足坍落度损失要求及其他相关要求。

上述三种矿物掺合料都能够有效的改善混凝土的性能，一定程度上阻止混凝土的碱集料反应，提高混凝土的致密性，但是需要根据具体的原材料及工程的具体环境、要求，选择合理的水泥及掺合料，掺量及考虑几种材料共同使用以便于扬长避短，达到使用要求。

（2）在施工工艺及养护要求上来讲，高性能混凝土在防止非结构性裂缝方面比普通混凝土具有更严格的要求。对于前面所描述它一些本质上的缺点，如发生在初凝前的塑性收缩大；自收缩大，主要发生在早期；温度收缩大，温度收缩出现的时间提前；水分向周围环境散失而引起的干燥收缩相对来说较小，但其实测值（其中包括部分自收缩）并不小，即高性能混凝土的自收缩与温度收缩较大。高性能混凝土的早期收缩大，早期弹性模量增长快、抗拉强度并无明显提高、比徐变变小等因素共同导致了高性能混凝土（特别是高强混凝土）早期抗裂性差等情况。除了在原材料选择和配合比优化方面做必须的严格要求外，在施工工艺及养护要求上也需要更加严格的控制。

对于塑性收缩裂缝，在施工工艺上需要加强抹面压面，并在终凝后及时加强养护。也可以考虑掺加一定量的纤维来达到控制塑性收缩裂缝的目的。对于自收缩产生的裂缝控制，可以从纤维增强、膨胀剂补偿收缩及减缩剂减小收缩等几方面着手。对于温度收缩产生的裂缝控制，在原材料方面及配合比优化做出合理选择后，关键就是在施工过程中控制混凝土的内外温差，该保温时候要保温，该内部降温的时候要内部降温，确保内外温差不超过允许值。

由于高性能混凝土各种裂缝产生对于影响起产生的原因有高度敏感性，特别说明的是高性能混凝土的养护制度需要严格执行，并在时间上考虑适当延长。

4 结论

高性能混凝土的运用越来越普遍，作为对其耐久性有相当影响的非结构性裂缝的形成机理、防范措施的研究具有重要意义。可以结合工程实际、从原材料的选择、配合比设计、施工中严格控制高性混凝土非结构性裂缝着手，达到提高高性能混凝土耐久性的目的。

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