浅谈高性能混凝土开裂原因及治理措施

浅谈高性能混凝土开裂原因及治理措施

宫斌

青岛市城阳区城市建设服务中心

前言：高性能混凝土是一种跨世纪的新材料，什么是高性能混凝土，就是采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求的各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。

高性能混凝土以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的掺合料和高效外加剂。以上几个性能最难设计且最复杂的是耐久性。比如强度设计，混凝土实验室配合比设计C100混凝土也不是非常困难，所以强度已不是我们追求的目标，中国建筑材料研究院强调“寿命优先，强度适宜”，这就给我们混凝土人指明了方向，就是全面研究混凝土的耐久性，但是耐久性设计却是工程界的难题。

混凝土开裂的原理：高性能混凝土的开裂问题是耐久性最突出的问题，有其是前期开裂现象已制约其在工程中使用的重要因素，非荷载导致的混凝土开裂，主要是温度变形产生早期裂纹的原因。混凝土硬化初期，水泥水化释放出热量，由于混凝土是热的不良导体，散热较慢，使得混凝土内部温度较外部高，有时可达50-70℃.使内部混凝土产生较大膨胀，而外部混凝土却随着气温降低而收缩，混凝土内部的最高温度大约发生在浇筑后的3-5d。因为混凝土内部和表面的散热条件不同：造成温度变形和温度应力，内部膨胀和外部收缩相互制约，在外表混凝土产生很大的拉应力导致混凝土出现裂缝。混凝土温度变形是产生早期裂缝的主要原因。混凝土是一种非均质的复杂多相混相材料。在微观结构相组成之间主要结合力是范德华力，因此其抗拉强度远低于抗压强度，当混凝土内部产生的拉应力超过其抗拉强度，就会产生裂缝。在约束下变形产生的拉应力超过实时的抗拉强度，就是说必须考虑三个条件，变形大小、约束的程度和实时抗拉强度，不受约束的自由变形不会产生应力；抗拉强度足以抵抗所产生的拉应力时不会开裂。混凝土早期阶段开裂与其体积变形密切相关，混凝土由于自身的化学作用及其导致的温度、湿度作用将产生体积变形，这是混凝土产生早期裂缝的潜在原因。

混凝土的自收缩：是混凝土凝固后会产生体积变化，或收缩或膨胀，当没有水分进入水泥浆体或从浆体逸出时就会产生收缩，这种收缩是未水化水泥水化使毛细孔中的水失去的结果，称为自收缩。自收缩是在外界无水分交换情况下，因水泥水化消耗浆体内部自身的水分而产生的，水泥水化后体积减缩作用，大多数硅酸盐水泥水化后体积总减少7%-9%。自收缩从混凝土初凝就开始产生，才1d以内发展最快，3d以后减慢。自收缩导致毛细孔收缩而产生体系收缩，胶凝材料的活性越大，水灰比越低，自收缩越大。混凝土自收缩根源是水泥凝结硬化后的继续水化，条件是混凝土内部密实而水分迁移困难，因此凡是加速密实的混凝土中水泥水化的因素都能促进混凝土的自收缩，对自收缩起抑制作用的集料和固体颗粒，对混凝土的自收缩也有抑制作用。

干缩是混凝土置于未饱和空气中因水分散失而引起的。这种水分迁移有一部分是不可逆的，应将其与干湿交替作用下引起的可逆的水分迁移区分开来。混凝土干燥时的体积变化并不等于失去的水的体积。因为最初失去的自由水引起的收缩；随着混凝土的继续干燥，吸附水逸出，在吸附水逸出逸出阶段未受约束的水泥浆体积变化量约等于表面失去单层水分子厚度的从胶凝粒子表面失去水分子厚度的水分。

不均匀收缩：由于水分在表层损失，所以在混凝土试件中会形成湿度梯度，从而造成不均匀收缩。这种不均匀收缩由内应力，即接近表面的拉应力和核心处的压应力引起的应变来补偿。如果相同量级的收缩很快完成，就会导致开裂。

降低混凝土收缩的措施;1、选用水化速率较慢的高C2S含量水泥；选用颗粒级配较均匀的水泥，因为颗粒较均匀的水泥水化速度较均匀，从而导致水泥水化温度的高峰较平缓，混凝土内部的温度较低，从而导致混凝土的拉应力较低，避免了裂缝的产生。通过优化胶凝材料的颗粒级配，实现混凝土结构缺陷最小化，达到强度和耐久性的合理匹配。2、保证强度的基础上尽量选用高水灰比、减少水泥的用量也是避免水泥水化的温度过高的有效手段，水灰比保持不变，收缩随水泥用量的增加而增大，这是因为易于收缩的硬化水泥浆体含量增加了。3、掺加优质矿物掺和料，如粉煤灰、矿渣粉；优质活性掺合料的添加可以有效抑制高性能混凝土早期自收缩，改善混凝土早期抗裂性能，并且对后期混凝土的强度和耐久性无负作用，但是掺入粉煤灰增加混凝土干燥收缩的程度，因此需加强养护。4、混凝土需充分水养护，在水分充足的情况下继续水化会导致膨胀，但当没有水分进入水泥浆体或从浆体中逸出时就会产生收缩，因此养护是混凝土抑制收缩的必不可少的方法，养护时间不少于14d。5、控制骨料的质量，选用连续级配的骨料，骨料的弹性性质也能抑制收缩的程度。严格控制骨料中的含泥量，骨料中含有黏土会使骨料对收缩的抑制作用减弱，又由于黏土本身容易收缩，因此骨料表面可以使收缩增加达70%。从而严重导致混凝土大量的裂缝的产生。6、减水剂主要作用就是降低混凝土拌合物的用水量，减水剂的主要活性组分是表面活性剂，增大颗粒的水化表面积，因此早期具有较高的水化速率。

在混凝土中掺加膨胀剂，防止早期，混凝土开裂。

膨胀剂是一种能使混凝土产生体积膨胀的外加剂，它以一定的比例掺量加入混凝土中，能够有效抵消混凝土因温度、湿度变化而产生的收缩。其作用主要在于混凝土凝结硬化初期内产生一定的体积膨胀，在外界是约束作用下，在混凝土内部建立一定的自应力，同时推迟混凝土收缩过程，使混凝土有充足的时间较大幅度增大抗拉强度，当混凝土开始收缩时，足以抵消收缩应力的作用，从而保证混凝土体积稳定性，防止裂缝的产生。但只有受约束的膨胀才是有利的。不受约束的强度是不可测的。

掺纤维能防止混凝土开裂，但是掺加纤维会给施工增加难度，混凝土搅拌和振捣困难，硬化后混凝土强度有一定程度的降低。

结束语：高性能混凝土的开裂问题是各种收缩共同作用的结果，我们应综合治理混凝土的早期开裂，从配合比的设计开始我们就要有意识的把混凝土耐久性放到很高的高度，这样才能设计出高性能的混凝土。