塑性收縮對預拌混凝土的影響及控制措施

高雪峰 吳事勇 徐棟強

（1平陽縣北港混凝土有限公司，浙江 溫州 531024；2溫州恒源混凝土有限公司，浙江 溫州 325001；3平陽縣安信混凝土有限公司，浙江 溫州 531023）

自1824年英國的泥水匠阿斯譜丁發(fā)明了波特蘭水泥，1849年法國園丁約瑟夫·莫尼爾制作了鋼筋混凝土后，混凝土作為大宗建筑材料逐漸得到廣泛應用。但由于水泥本身固有缺陷、工程技術人員對混凝土了解不深、混凝土在使用過程中操作不當會產生很多質量問題和缺陷。尤其是混凝土樓板裂縫滲水層出不窮、屢控不絕，造成業(yè)主投訴不斷，有的雖不影響結構安全，卻影響使用功能，樓板滲水最主要原因是混凝土產生收縮導致裂縫引起的，混凝土收縮包括塑性收縮、干燥收縮、溫差收縮、化學收縮、自收縮、碳化收縮。其中混凝土塑性收縮是預拌混凝土早期樓板滲水的導火索，占主導地位。本文根據(jù)筆者多年在施工現(xiàn)場裂縫控制經驗，從多角度闡述塑性收縮問題，盡可能減少或杜絕發(fā)生預拌混凝土早期樓板滲水這一頑疾。

1 塑性收縮形成機理及對預拌混凝土的影響

塑性收縮是指混凝土在塑性狀態(tài)時由于沉降和泌水，水分上升至表面并蒸發(fā)，當蒸發(fā)速率大于泌水速率時混凝土毛細孔管道產生負壓導致拉應力，而此時混凝土尚處于塑性階段，抗拉強度基本為零，于是產生收縮應力形成裂縫的一種現(xiàn)象。根據(jù)Young方程：△P=2σ/R，（式中△P為附加壓力；σ為液體表面張力；R為液體曲率半徑。）當混凝土表面失水速率大于從混凝土內部泌水速率時，在混凝土表面及一定深度內就會出現(xiàn)毛細孔，從而出現(xiàn)凹月面，混凝土就會受到很大附加壓力，而這時混凝土還未硬化，不能抵抗其拉應力，就會在薄弱部位出現(xiàn)裂縫。所以在混凝土塑性階段當失水速率大于泌水速率時一定會產生裂縫，這是一種必然發(fā)生的現(xiàn)象，輕者出現(xiàn)0.4mm以下的細微裂紋，重者會發(fā)生貫穿性裂縫。在混凝土工程施工中人們比較重視干燥收縮和溫差收縮，塑性收縮由于發(fā)生在混凝土凝結硬化之前也容易被人忽視，在高溫、干燥、風大的惡劣天氣塑性收縮最易發(fā)生，一旦發(fā)生沒有采取相應的控制措施則危害很大，很多會形成貫穿性裂縫。在早期混凝土有害裂縫中塑性收縮裂縫占絕大多數(shù)，塑性收縮裂縫對預拌混凝土最重要影響是導致混凝土樓板滲水，從而影響混凝土結構耐久性和使用功能。

2 塑性收縮的影響因素

影響混凝土塑性收縮的因素有內外兩種，內部因素為強度等級和水膠比、砂率及粗細集料品質、水泥水化熱和膠凝材料種類與用量、外加劑品質與膠凝材料的相容性、混凝土坍落度、混凝土凝結時間，外部因素為環(huán)境溫濕度、風速等。

2.1 強度等級和水膠比

混凝土強度等級越高出現(xiàn)塑性收縮的時間越早，裂縫數(shù)量增多，寬度和深度變大，混凝土更容易出現(xiàn)早期塑性開裂，從混凝土強度來說C30及其以上混凝土出現(xiàn)塑性收縮的機率大大增加，一般來說水膠比小于0.45時比較容易產生塑性收縮。

2.2 砂率和粗細集料的品質

砂率越大則單方混凝土砂子用量越多，配制相同強度混凝土用水量和膠凝材料更多，會增加塑性收縮開裂風險，砂子細度越細、顆粒級配不合理、含泥量高、吸水率大都會增加塑性收縮，砂子品種對混凝土塑性收縮影響大小排序為山砂＞機制砂＞海砂＞淡化砂＞河砂。石子材質、最大粒徑、級配、含泥量、泥塊含量等性能要符合標準要求。

2.3 水泥水化熱和膠凝材料的種類與用量

水泥水化熱越大對混凝土各種收縮影響都顯著，水泥水化越快，水化熱越高更容易出現(xiàn)塑性裂縫。水泥的礦物組分對水化熱的影響具有明顯的加和性。Woods等人在試驗基礎上，用最小二乘法計算了單礦物對水泥總水化熱的貢獻，從而得到如下水泥水化熱的計算公式：1g水泥的水化熱（cal）=136(C3S)+62(C2S)+200(C3A)+30(C4AF)，式中括號內符號為該礦物的百分含量[1]。從控制裂縫角度來說不宜選用C3S 和C3A含量較多和早期強度過高的水泥，一般普通硅酸鹽水泥P.042.5基本能滿足各方面要求，摻合料中粒化高爐礦渣粉比表面積大于500m2/kg，等級大于S95級，在低摻量≤20%以下時易出現(xiàn)塑性收縮，粉煤灰宜為Ⅱ級以上低鈣灰，Ⅲ級及等外灰會增加膠凝材料用量，不利于塑性收縮裂縫的控制，高鈣灰游離氧化鈣含量偏高，存在體積安定性問題，摻量不宜過高，一般宜小于20%。

2.4 外加劑品質與膠凝材料適應性

目前市場上外加劑仍以萘系為主，但并不是單一的萘磺酸鹽甲醛縮合物，一般以萘系、脂肪族、氨基磺酸鹽三者復合，大部分為萘系、脂肪族復合，純萘系外加劑氣泡較多，加脂肪族后能改善其性能，聚羧酸外加劑配制混凝土其干燥收縮率最低，但塑性收縮有時卻很高。從混凝土收縮機理來說，無論哪種外加劑如果與膠凝材料不相容，特別是流動性差、凝結時間短、無泌水或少量泌水時很容易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。

2.5 混凝土坍落度影響

預拌混凝土坍落度小無論對強度、耐久性都非常有益，且能減少混凝土干燥收縮、化學收縮、碳化收縮，但預拌混凝土坍落度太小卻加劇塑性收縮開裂機率，這與傳統(tǒng)自拌混凝土不一樣，且有這樣一種現(xiàn)象，坍落度越小塑性收縮開裂越早、裂縫越多，這與塑性收縮性質有關，即表面水蒸發(fā)速率＞泌水速率，坍落度越小則混凝土越密實，混凝土毛細孔中游離水少，泌水速率較低，這種混凝土越應該盡早養(yǎng)護，混凝土坍落度大能延遲塑性收縮開裂時間，給塑性收縮裂縫控制帶來充足時間，但坍落度太大則混凝土在塑性狀態(tài)易沉降，表面浮漿偏多，混凝土局部表層砂漿過厚時容易開裂，此外在結構的梁、板、柱三者結合處或梁與板交接處產生沉降裂縫。尤其是泵送混凝土存在一個適宜坍落度范圍，宜為140mm～180mm。

2.6 混凝土凝結時間的影響

混凝土凝結時間短時塑性收縮裂縫會提前出現(xiàn)，如果初凝至終凝時間發(fā)生在中午或下午高溫段，此時太陽直射一天當中溫度最高，較易產生大量塑性收縮裂縫，而一般早上澆筑的混凝土初凝至終凝基本都會在這一時間段，下午或傍晚澆筑混凝土一般很少出現(xiàn)塑性收縮裂縫，凝結時間的長短對塑性收縮影響較大。

2.7 外界環(huán)境影響

外界環(huán)境包括溫度、濕度和風速，溫度高、濕度低、風速大則會加重混凝土塑性收縮，施工現(xiàn)場環(huán)境條件對混凝土塑性收縮影響很大，其中相對濕度對混凝土塑性收縮影響更大，在有陽光照射情況下且風速低于4級，最高溫度不超過15℃，平均溫度小于10℃時對塑性收縮影響不明顯。風速大于5m/s（4級風）時會影響塑性收縮。所以風速對混凝土塑性收縮的影響非常關鍵，相對濕度起決定性作用，溫度高、風速大則相對濕度就低，溫度、相對濕度、風速三者共同作用促進混凝土表面水分蒸發(fā)，如果混凝土表面水分的蒸發(fā)速度達到1kg/m2·h 時則必須采取適當?shù)酿B(yǎng)護措施[2]。嚴格來講相對濕度低于100%就會存在表面水分蒸發(fā)，一般當空氣中相對濕度低于80%時對塑性收縮有較明顯影響，80%～95%有輕微影響，95%以上基本不用采取養(yǎng)護措施。

3 塑性收縮的控制

根據(jù)混凝土塑性收縮的機理及其影響因素，控制塑性收縮必須從減少混凝土表面水分蒸發(fā)速率、降低混凝土毛細管壓力和提高表面抗拉強度著手。這些措施包括原材料配合比的設計技術路線、混凝土的抹面方法、施工現(xiàn)場的濕養(yǎng)護、覆蓋措施、選擇時間段澆筑等。

3.1 原材料配合比的設計技術路線

原材料配合比的設計技術路線：正常緩凝、適量泌水、大摻量礦物摻合料、摻加阻裂纖維。首先是正常緩凝，假如將早上澆筑的混凝土初凝時間延長至傍晚或夜間將在很大程度上解決早期塑性收縮問題，特別是炎熱的夏季，當然終凝時間不能超過24小時，這將有效減少夏季塑性收縮裂縫且對混凝土強度和其它性能無不利影響。其次是大摻量礦物摻合料，大摻量礦物摻合料不僅能延長混凝土的凝結時間，還能降低混凝土早期水化熱、減小彈性模量、提高徐變值、增加混凝土的延性，這對于控制混凝土塑性收縮裂縫是非常有利的，礦物摻合料中常用的是粉煤灰和粒化高爐礦渣粉，在保證強度和耐久性前提下，礦物摻合料摻量盡量大一些，普通硅酸鹽P.042.5水泥配制時復合摻量可為30%～40%，具體要視混凝土性能而定，礦物摻合料兩者同摻時如粉煤灰是低鈣灰其復合比例要大一些。再次是混凝土的適量泌水，新拌混凝土澆筑到樓板后有四種外觀表現(xiàn)形式，一是泌水、二是浮漿在表面、三是沉降、四是塑性狀態(tài)的裂紋，泌水是普通混凝土拌合物的共性，有的混凝土拌合物泌水很多，塑性裂紋很少，有的混凝土表面無任何泌水跡象，這種預拌混凝土在有風、有陽光照射條件下最容易開裂，且裂紋又深又寬又多，有的甚至大面積發(fā)生，保水性好的混凝土對干燥收縮有利，但對塑性收縮危害最大，這種混凝土塑性收縮裂縫時間會在初凝之前就會發(fā)生，混凝土泌水多能延緩塑性收縮裂縫的發(fā)生時間并可減少塑性收縮裂縫的數(shù)量。但也不是泌水越多越好，泌水太多會增加沉降收縮和毛細孔，使有害孔隙率變多，一般泌水速率大于0.5kg/m2·h且小于1.5kg/m2·h較適宜。混凝土原材料中礦渣微粉和減水劑對泌水及沉降影響較大，礦渣微粉保水性差、摻量越高泌水越大。幾種減水劑對泌水和沉降的影響大小順序為脂肪族＞萘系＞氨基磺酸鹽＞木質素磺酸鈣＞聚羧酸鹽。還有就是摻加纖維，如鋼纖維和合成纖維，鋼纖維體積摻量可為0.3%～1.0%，合成纖維體積摻量可為0.1%，摻加纖維能減少塑性收縮裂縫，但不能根治此問題。

3.2 混凝土塑性狀態(tài)的二次抹面方法

混凝土經振搗表面找平抹面后浮漿層在上面，密度輕的摻合料浮于上層，加上泌水表層混凝土氣孔多、水膠比大、水化熱小于里層，強度會低于內部，也較容易起灰、起砂。如果在初凝之后終凝之前予以人工二次抹壓，將會使混凝土面層更加密實、消除表面缺陷和微裂紋。但二次抹壓能否有效解決混凝土塑性收縮裂縫要視環(huán)境情況而定，傳統(tǒng)自拌混凝土二次抹面后可將塑性裂縫處理得很好，但預拌混凝土在高溫、風速大、有太陽的天氣二次抹面后若不立即覆蓋或灑水反而使裂縫更多、更嚴重。其最主要原因是混凝土二次抹壓將表層水泥帶上來，從而使面層水化速度加快，而氣孔又已消除，毛細孔泌水速率降低，而表面水分蒸發(fā)速度是恒定的。所以在接近傍晚、陰天、風速小或有陽光天氣最高溫度不超過15℃時采用二次抹壓對混凝土表面解決塑性收縮是有顯著效果的，二次抹壓對沉降收縮裂縫無論何種天氣都有改善作用。

3.3 混凝土“及時而充分”的濕養(yǎng)護

混凝土的養(yǎng)護對其性能有重要影響，無論是提高強度、保證耐久性還是控制收縮都需要養(yǎng)護，尤其是混凝土塑性階段的養(yǎng)護極易被人忽視，預拌混凝土由于原材料和配合比的變化及泵送施工方式的特點，如果不“及時而充分”加以養(yǎng)護其塑性收縮裂縫將比傳統(tǒng)自拌混凝土嚴重得多，且極易形成貫通性裂縫。預拌混凝土濕養(yǎng)護的三大原則[3]：1）濕養(yǎng)護開始時，混凝土表面不存在泌水缺陷；2）濕養(yǎng)護開始時，混凝土表面不存在失水缺陷；3）濕養(yǎng)護過程中，混凝土表面應始終保持濕潤。

濕養(yǎng)護最少7天，主要是前3天，最重要是澆筑當天，最關鍵是接近初凝到終凝這個時間段，不管用什么方式保養(yǎng)，都要達到表面不失水這一目的。

預拌混凝土塑性階段必須濕養(yǎng)護的前提條件：1）混凝土澆筑抹面后表面無明顯泌水；2）上午澆筑混凝土有陽光照射且最高溫度超過15℃；3）施工現(xiàn)場風速大于4級。

有上述三者之一就應采取“及時而充分”的濕養(yǎng)護，所謂“及時”即預拌混凝土表面肉眼觀察無泌水跡象或外表顏色剛開始泛白，此時必須立即采取噴霧或灑水措施，一般在混凝土初凝時間左右。可用腳踩表面有2cm～3cm腳印就應及時保濕養(yǎng)護，一旦錯過此時間段，混凝土塑性裂縫將產生。“充分”即在初凝時間至終凝時間段混凝土表面一直保持濕潤，不能缺水。混凝土濕養(yǎng)護工作要注意兩點：一是泌水嚴重混凝土不宜及時濕養(yǎng)護，宜二次抹壓后再濕養(yǎng)護；二是混凝土在初凝之前發(fā)生的沉降裂縫，個別薄弱部位如砂漿過厚表面可能存在的裂縫應予以封閉后再濕養(yǎng)護。

混凝土噴霧濕養(yǎng)護雖然很好，但對于大面積樓板很難用此方法也不現(xiàn)實，比較有操作性的還是灑水養(yǎng)護。灑水養(yǎng)護的工作要點：1）泌水較多混凝土在初凝時間一到就應立即灑水（一般混凝土表面開始泛白）；2）無泌水的混凝土由于塑性收縮裂縫大大提前，應在初凝時間之前就灑水；3）從第一次灑水開始始終保持混凝土表面濕潤有水分，直到混凝土終凝完全硬化為止，所以灑水是不間斷的，具體間隔時間視天氣和混凝土表面水分蒸發(fā)情況而定；4）灑水后混凝土表面所踩的腳印一定要用抹刀予以抹平。

灑水養(yǎng)護的缺點是表面混凝土容易起皮、起砂，面層1cm處混凝土強度偏低，內部混凝土質量不受影響，此種方法基本所有塑性收縮裂縫都能得到有效控制。

3.4 覆蓋養(yǎng)護措施

對于混凝土澆筑面，尤其是平面結構，宜邊澆筑成型邊采用塑料薄膜覆蓋保濕[4]，混凝土經振搗初次抹面后應立即覆蓋。采用塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護時，混凝土全部表面應覆蓋嚴密，相互搭接不少于10cm，并應保持膜內有凝結水。混凝土采用塑料薄膜覆蓋一年四季任何天氣都適用，使用塑料薄膜覆蓋是控制混凝土塑性收縮最好措施，但不是所有構件都適合這種方法，也不是所有澆筑部位都能取得預期效果。實際操作時薄膜覆蓋措施會受到諸方面因素制約，一是泥水工人覆蓋時很難做到位；二是覆蓋后如果風速稍大一點局部可能會被掀掉，其效果將大打折扣；三是構件長度過大過長表面系數(shù)較大時，由于覆蓋后表面混凝土溫度高、水化熱也快，當混凝土表面溫度與環(huán)境溫度差超過20℃，如果第二日揭開薄膜可能溫差過大而出現(xiàn)橫向貫通性裂縫，當樓板整體結構長度大于45m采用薄膜覆蓋時一定要綜合考慮環(huán)境溫差、混凝土里表溫差、結構鋼筋布置情況。

3.5 選擇時間段澆筑混凝土

塑性收縮與環(huán)境條件密切相關，在有陽光照射的炎熱天氣，樓板結構盡量利用下午、傍晚或夜間澆筑混凝土，這樣混凝土的初凝和終凝時間會出現(xiàn)在夜間，塑性收縮裂縫極少。有陽光天氣、最高溫度低于15℃且風速小于4級時可以隨時澆筑混凝土。如果是陰天要看施工現(xiàn)場風速是否低于4級，當高于4級風時仍然要采取濕養(yǎng)護。澆筑混凝土最好天氣是下“毛毛細雨”的陰天，這里需要著重說明，選擇時間段澆筑混凝土而不采取其它養(yǎng)護措施的前提是：新拌混凝土澆筑抹面后必須有泌水現(xiàn)象出現(xiàn)且凝結時間正常，否則仍然開裂。

4 結語

預拌混凝土塑性收縮由于受混凝土內外部因素影響，難免會出現(xiàn)一些裂縫，但只要采取適當措施控制，則可以大大減少塑性收縮裂縫的發(fā)生，尤其是貫穿性裂縫，無論是對混凝土的使用功能還是混凝土耐久性都有極其重要作用，其能有效解決預拌混凝土樓板滲水問題。本文基于這一難題，從混凝土原材料配合比配制技術路線、抹面方法、濕養(yǎng)護、濕覆蓋及利用時間段澆筑等多方面進行控制，有的單一方法就能解決問題，有的需要組合使用才有效果。這些都需要混凝土供應單位和施工單位要充分重視、相互溝通、共同把關、密切配合，盡量把預防工作做好，并落實到位，如此才能真正控制好塑性收縮裂縫。

[1]姚燕.高性能混凝土的體積變形及裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:60.

[2]張巨松.混凝土學[M].李秋義.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社，2011:129.

[3]宋功業(yè).現(xiàn)代混凝土施工技術[M].魯平.北京:中國電力出版社，2010:270-273.

[4]冷發(fā)光.GB 50164-2011，混凝土質量控制標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:20.