現代混凝土早期收縮裂縫及控制技術
混凝土是當今世界用量max、用途最廣的建筑材料，是水利、核電、高鐵、橋梁、地鐵、隧道等重大工程建設不可或缺的基礎材料。現代混凝土具有普遍采用化學外加劑和工業廢渣的特征，降低了資源及環境消耗，提高了材料耐久性，并滿足了現代土木工程設計和施工的性能要求。然而，組成日趨復雜、流動度加大、早期強度發展加快的材料特性，導致收縮加大；長跨徑、大體積、強約束的現代結構，以及高溫、干燥等嚴酷施工環境導致收縮開裂問題突出，嚴重影響構筑物的耐久性。經歷了經濟高速增長和大規模快速興建過程的發達國家，在相關問題上總結了經驗教訓［1-2］。總體而言，由收縮變形引起的混凝土裂縫達80%以上［3］。現代混凝土自收縮、溫度變形和大部分的干燥收縮發生在“早期”（普通混凝土為28d，大體積混凝土為90d），導致早期開裂問題突出。
混凝土一旦開裂，抵抗滲透能力將大幅降低，引起滲漏等問題，嚴重影響構筑物服役功能。如近期對某軌道交通全線車站調研發現，由混凝土裂縫引起的滲漏占總滲漏的85%以上。裂縫加速有害介質傳輸速率，加劇材料自身性能劣化和鋼筋銹蝕，尤其在高溫、高鹽等嚴酷腐蝕環境下，大大縮短服役壽命。混凝土裂縫控制是一項系統工程，涉及到混凝土材料、外界環境條件、所處的約束條件等諸多因素，涉及設計、材料、施工等諸多環節，故而圍繞工程需求，就混凝土裂縫產生原因、抗裂性評估方法及收縮裂縫控制技術的新進展進行重點介紹。
1現代混凝收縮開裂主要原因
就混凝土材料本身而言，其收縮主要有以下幾種：
1）塑性階段收縮：混凝土處于凝結前的塑性狀態時，一方面骨料等顆粒下沉、泌水等導致塑性沉降收縮；另一方面，由于水分蒸發過快，泌水率小于表面水分蒸發率時，進一步水分蒸發將產生彎液面，引起孔隙負壓并產生塑性收縮。
2）自收縮：自收縮是指澆筑成型以后的混凝土在密封條件下表觀體積的減小。自收縮的根本原因是水泥在水化過程中，體系總體積減小。
3）溫度收縮：溫度收縮是由混凝土中熱量的散失或溫度下降引起的。水泥等水化時將會產生放熱反應，水泥的水化放熱量越大，放熱速率越快，混凝土的內外溫差越大，產生的收縮量也越大。
4）碳化收縮：碳化收縮時由混凝土碳化引起的收縮，僅限于表層，易導致混凝土表層開裂。與傳統混凝土相比，現代混凝土材料組成、服役環境、所處的結構特征等發生顯著變化，具體表現在材料自身，外部環境，結構形式等方面。
1.1材料自身因素現代混凝土與傳統混凝土相比，組成及材料發生顯著變化，主要表現在以下3個方面：
1）現代混凝土流動性大、水膠比低，混凝土的泌水減少，表面更容易“變干”，加劇了塑性收縮開裂風險。ACI308R《混凝土養護指南》指出，由于泌水速率較小，現代混凝土所允許的臨界蒸發速率可由1.0kg/（m2·h）低至0.5kg/（m2·h）以下。
2）水泥細度增大，水化放熱速率加快，溫升及溫降問題突出。Burrows［2］指出，一味快速施工的需求導致了水泥在半個世紀以來細度增加了不止1倍（圖1），而水泥細度的增加，使得早期水化速度明顯加快，雖然增加了水泥早期強度，卻導致了早期的放熱速率急劇增加。當水泥細度從160m2/kg增加到300m2/kg時，1d的放熱比率（占28d）從40%增加到近75%。而對江蘇地區P·O42.5水泥調研結果表明，水泥的細度基本在360～390m2/kg范圍內。如圖2監測結果所示［4］，由于早期放熱速率集中，對于厚度僅為35cm的較薄墻體，1d左右溫升可達20℃以上，其后溫降速率達到6℃/d。
3）混凝土水膠比較低，水泥無法完全水化，自干燥現象更為顯著（尤其是對于水膠比低于0.4的混凝土）。由于現代混凝土孔隙較為致密，難以通過外部濕養進行緩解［5］。根據Baroghel-Bouny等［6］研究結果，水灰比由0.45降低至0.30，自收縮可增加1倍左右。測試結果表明，C30、C50和C80混凝土1d前的自收縮占28d自收縮的比例可分別達到30%、50%和60%。此外，自收縮往往和溫度收縮相疊加，加劇混凝土開裂。
1.2外部環境因素
混凝土結構從澆筑成型開始，即處于材料-環境耦合作用的環境。在早齡期，環境因素影響混凝土表面蒸發速度或失水速度，同時影響水泥等膠凝材料的水化放熱速率，并對混凝土溫度和濕度造成影響。在塑性階段，ACI305R-99基于大量試驗研究所推出的水分蒸發諾模圖，綜合考慮了混凝土表面狀況（溫度、氣壓）和環境氣候條件（大氣的溫度、濕度、風速和光照），建立了上述因素和水分蒸發速率之間的關系。在30℃、30%相對濕度、4級風的條件下，混凝土表面水分蒸發速率可達1.5kg/（m2·h）以上。如圖3所示［8］，隨著蒸發速率增大，混凝土塑性開裂時間顯著提前。
在硬化階段，溫度對水泥水化的影響也滿足化學反應速率常數隨溫度變化關系的經驗公式———ARRhenius公式，溫度越高水化放熱速率越快，對于大體積混凝土，會導致溫峰增加且溫峰出現時間提前，但對溫升（溫峰和初始溫度差值）影響相對較小；對于具有一定散熱條件（如墻板）的結構，圖4表明，入模溫度越高混凝土的溫升越大，進而造成較大的溫降收縮。濕度一方面影響水泥水化速率，水泥處于低濕度環境時，水化速度顯著降低（如圖5所示［8］），如果相對濕度降低至一定值（h≈75%）［9］，水泥水化過程減慢，甚至可能停止；另一方面引起濕變形的主要驅動力—孔隙負壓隨著濕度降低而快速增大，造成混凝土收縮（尤其是干燥收縮）顯著增加。
1.3結構形式因素
各種超高、超長、超深、超大型復雜結構不斷涌現，對現代混凝土體積穩定性和抗裂性提出了更高更多的要求。具體表現在，體積越大，熱量越不容易散出，內外溫差引起的開裂風險增加；澆筑長度增加，收縮所受到的外約束增大；復雜結構容易造成應力集中。
2結構混凝土抗裂性評估方法
現行標準規范的抗裂性設計過程往往從承載力角度出發進行設計，忽視了早期收縮裂縫。混凝土產生收縮變形的主要原因在于環境或混凝土內部溫、濕度變化產生的內部應力，混凝土的表觀變形是材料內部及表面溫濕度變化狀態的反映。開裂則是變形在約束下產生的拉應力超過抗拉強度產生。就具體工程而言，以往研究的單一因素、標準條件下水泥基材料收縮開裂的實驗室結果與工程實踐之間存在很大差異，原因在于澆筑成型的實際混凝土結構處于多場耦合作用的環境，考慮多場耦合作用機制混凝土收縮及開裂研究已成為最新趨勢。此外，由于在塑性階段結構尚未形成，其收縮開裂過程具有一定的特殊性，通常將塑性階段和硬化階段分開分析。下面就上述兩階段的收縮開裂模型進行介紹。
2.1塑性階段處于塑性階段的水泥基材料體系可以看成是由固相顆粒、顆粒空間的液相及氣相組成的三相復合體。體系中主要存在3種作用力，即范德華力、靜電作用力及固-液-氣界面作用引起的毛細作用力（毛細管負壓）。研究表明，當體系顆粒尺寸大于10μm時，靜電作用力和范德華力的影響相對較小［10］。因此，毛細管負壓是引起塑性收縮開裂的主要原因。而在此過程中，水化作用可忽略，溫度和濕度等環境條件主要通過影響水分蒸發及毛細管負壓，進而對塑性收縮開裂產生影響。由于在塑性階段孔隙負壓原位監測較為簡易可行，可以控制毛細管負壓增長過程而達到控制塑性開裂風險的目的。如圖6所示［11］，在毛細管負壓達到一定值（20kＰa左右）之前，體系塑性抗拉強度隨毛細管負壓的增加而顯著增加，其后抗拉強度趨于穩定（15～30kＰa）。由于在20kＰa前抗拉強度大于收縮驅動力，基本不會開裂，可以認為開裂所對應的臨界孔隙負壓值在20kＰa左右，即將塑性階段表層孔隙負壓控制在20kＰa即可控制裂縫。
2.2硬化階段
混凝土抗裂性設計方法大體經歷了以下2個發展階段：第一階段始于上世紀90年代，Ulm等［12-13］研究了溫度-水化-力耦合作用，并建立相應模型預測混凝土收縮和開裂。然而，該研究并未考慮徐變和濕度影響。Cervera等［14-15］所提出的熱-水化-力耦合模型可以模擬混凝土的水化、老化、損傷及徐變等。此外，Lackner等［16］也提出了相關的耦合模型。但該階段所體的模型均未考慮濕度的影響。第二階段，綜合考慮“水化-溫度-濕度-約束”多因素耦合（如Gawin等［17-18］、Luzio等［19-20］，Li等［21］），并用于預測混凝土水化、收縮、應力等性能分析。在具體計算方法上，通過“水化-溫度-濕度”多因素耦合機制，實現室內標準條件與現場復雜環境相對應；在熱力學和多孔介質力學等理論的基本框架下，代入結構尺寸等約束條件，建立了“水化-溫度-濕度-約束”耦合，實現了從材料到結構層次的混凝土收縮開裂的模擬預測。
在開裂準則方面，理論上來講，開裂風險系數（任意時刻收縮引起的拉應力和抗拉強度的比值）超過1則會開裂，但實際工程中，由于材料性能的不均勻性及損傷，一般控制開裂風險系數小于0.7，則可有效控制收縮裂縫。圖7為計算實例［22］。
3混凝土裂縫控制技術
3.1原材料及配合比圖8為根據RILEMTC119TCE3標準試驗確定的各種技術途徑對溫度收縮開裂影響的比較（開裂溫度降低幅度越大，抗裂性越好）［23］，從試驗結果可知，提高水膠比、降低水泥細度、試驗溫度膨脹系數小的骨料降低水泥堿含量、降低水泥中C3A含量、引氣、提高骨料粒徑和摻加粉煤灰可以降低混凝土的開裂溫度，提升抗裂性。就具體原材料優選及配合比優化而言，水泥細度、C3A含量、堿含量則是影響抗裂性的關鍵指標，根據相關的標準或指南，以及大量的研究工作總結，建議控制水泥比表面積宜≤350m2/kg；C3A≤8.0%；堿含量≤0.6%；礦物摻合料、骨料、外加劑等應在滿足國家的標準或規程要求基礎上，擇優選擇；混凝土配合比應根據結構混凝土開裂的主要原因進行設計，一般遵循低水泥用量、適當水膠比、max堆積密度等原則。
3.2抗裂性提升關鍵技術
當原材料控制、配合比優化等措施難以滿足抗裂性要求時，摻加抗裂性功能材料是提升結構混凝土抗裂性的重要手段。提升抗裂性主要從降低收縮驅動力和提升抗力2個方面進行。在抗力提升方面，一般采取摻加聚合物乳液和添加纖維的技術，近年來從混凝土基體出發，采用增韌技術實現水化產物C-S-H膠凝基因的改性，是實現混凝土抗裂性提升的前沿方向，但該技術還處于探索階段。本部分主要從驅動力調控角度，介紹相對成熟且有效的新技術，包括塑性階段水分蒸發抑制、硬化階段水化熱調控及分階段補償收縮、服役階段化學減縮3項技術。
3.2.1塑性階段水分蒸發抑制技術傳統灑水、覆膜等養護方法會對塑性階段混凝土表層外觀、滲透性等造成負面影響，僅適用于解決硬化混凝土的水分蒸發問題。針對上述問題，通過引入雙親性分子結構，在高鹽、高堿的混凝土表面泌水層上實現自組裝，并形成穩定單分子膜（圖9）。所形成的單分子膜在溫度40℃、濕度為30%和風速為5m/ｓ的條件下，可抑制水泥基材料水分蒸發達75%以上（圖10），進而大大推遲了該階段收縮驅動力（孔隙負壓）的出現時間［24-25］，并有效減少混凝土表面起皮和結殼等現象。工程應用過程中，根據孔隙負壓監測結果，及時噴灑水分蒸發抑制材料，將表層孔隙負壓控制在2。0kＰA以下，完全避免在極端干燥條件下混凝土的收縮開裂。該項技術成功應用于蘭新高鐵（環境溫度＞40℃；地表溫度＞50℃；濕度＜30%；風速＞8m/ｓ），實現了2×106m2混凝土無塑性裂縫。
3.2.2水化速率與膨脹歷程雙重調控技術
降低溫升和混凝土收縮是抑制硬化階段開裂的關鍵。處于強約束條件下（如地下結構底板對側墻的約束）混凝土，往往溫升高、溫降速率快，且疊加自收縮，5～7d產生的內應力即可能超過其極限抗拉強度，出現開裂，并在夏季施工和高強混凝土中更為突出。針對該類結構特點，采取水化速率與膨脹歷程雙重調控的技術措施，一方面通過調控溫度場，降低結構溫峰，另一方面通過膨脹歷程的調控，提升溫降階段的膨脹效能，補償溫降收縮，從而抑制混凝土的硬化階段早期開裂。如圖11所示，通過在外加劑分子中引入含多羥基的功能基團，開發了水化熱調控材料，能夠降低水泥水化放熱速率峰值50%以上，降低結構混凝土的溫升5～10℃以上；水化熱調控材料不僅能夠調控水泥水化歷程，還具有調控膨脹材料膨脹歷程的效果，在快速溫降階段產生足夠膨脹（溫降階段的膨脹增大50～120με）。該項目解決了傳統單一措施（如補償收縮）作用歷程和混凝土溫度及收縮歷程相不匹配問題，可降低結構開裂風險系數降低60%以上，結合施工等綜合措施，可控制開裂風險系數小于0.7，應用于軌道交通、橋梁等工程，實現無可見裂縫。3.2.3化學減縮技術現代高性能混凝土均摻加化學減水劑，但傳統的減水劑均增大混凝土的收縮，如在ＧB8076—2008《混凝土外加劑》中只規定高性能減水劑28d的收縮率比≯110%。摻加減縮劑是抑制收縮的重要技術途徑，但傳統縮聚型減縮劑存在成本高且降低混凝土強度等缺點。針對上述問題，將微疏水改性聚醚側鏈采用原位接枝到弱吸附聚合物主鏈，協調聚合物親水親油平衡，有效降低了孔溶液表面張力和離子濃度，實現減縮、分散與分散保持的協同［圖12（A）］。摻量0。4%時，28d干燥收縮率降低20%以上［圖12（B）］。與傳統復配技術（普通聚羧酸與傳統低分子減縮劑）相比，達到同樣性能水平時，摻量降低60%以上。這項技術應用于田灣核電、港珠澳沉管隧道等工程，有效降低了服役階段干燥收縮開裂風險。
4結語
1）材料組成、施工環境、所處的結構特征等發生顯著變化，導致收縮及開裂風險突出；只要方法及措施得當，控制混凝土收縮裂縫是完全可行的。
2）現代混凝土裂縫控制應考慮材料、結構和施工的復雜交互作用；“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合，是開展結構混凝土抗裂性專項設計的科學方法，是實現變形性能可預測、抗裂性能可設計的關鍵。
3）現代混凝土原材料優選及配合比優化是基礎，水分蒸發抑制技術、水化速率和膨脹歷程協同調控、化學減縮是解決不同階段混凝土開裂的有效途徑。
文章來源：繆昌文
繆昌文，1957年8月生，江蘇姜堰人，男，漢族