簡論砼收縮裂縫的原因與補償收縮砼的補償收縮機理

賀川江

【摘 要】砼在硬化過程中，由于受到理化作用使其體積發生變化，進而引發砼開裂，對建筑結構安全使用和耐久性非常不利。如果在配制砼時改用膨脹水泥或仍用普通水泥但同時加入膨脹劑，就能使其在硬化時產生膨脹，以抵消收縮應力而達到不裂或少裂的目的，這就是補償收縮砼。

【關鍵詞】收縮裂縫；膨脹水泥；補償收縮砼

當今現澆砼結構早期收縮的現象已屢見不鮮，以致由此引發出有害裂縫，對砼結構的耐久性和建筑物的安全性構成威脅。而在近代砼新技術的推廣應用中發現，某些新型砼早期裂縫發生的概率有所加大，甚至制約了新技術的推廣應用。為此，對砼的收縮開裂與提高其抗裂性的研究，已被業界廣泛重視，并已取得階段性成果。

1 砼收縮和開裂的原因剖析

在研討補償收縮砼之前，有必要先了解一下砼的固有特性：收縮和開裂。眾所周知，自砼澆筑完畢起，在其凝結硬化過程中，由于受到物理、化學等多種作用，都會使砼體積發生變化；當這些體積變形受到某種約束，從而產生拉應力時，此種拉應力極易超過其抗拉強度，此時就會使砼開裂。具體來說，是由下列三種收縮變形引發了砼開裂。

1.1 砼的收縮變形

砼凝固時發生的體積收縮主要是塑性收縮、干燥收縮和降溫收縮。

1.1.1 塑性收縮

是指砼澆筑成型后，水泥漿體尚未失去塑性的階段，由于水泥水化、固體顆粒沉淀，尤其是多余水分被分泌、蒸發的緣故，使砼體積縮減。塑性收縮極易導致表面出現細微裂紋，尤其表表面積較大或體型較大的構件，比如樓地面、厚大筏板基礎等，施工中應采取遮陽、擋風等防護措施；另一類原因則是使用了沉降量過大的砼、流動性大而保水性差的砼，以及由于施工條件欠佳或澆筑工藝不妥之故，這些需通過關注砼配合比與施工質量控制予以消除。

1.1.2 干燥收縮

是指砼進入硬化階段，尤其是停止保濕養護后，由于內部水分的散失而產生的收縮。砼中有各種孔隙，如氣孔、毛細孔、膠孔等，它們之中都多少含有水分；在硬化過程中，除氣孔中水的減少與收縮無關外，毛細孔和膠孔中含有的水分先后散失，致使凝膠體緊縮，便是砼干燥收縮的主因。因此，要減少干燥收縮，加強保濕養護是關鍵。

1.1.3 降溫收縮

是指由于砼中熱量散失或溫度下降引起的收縮，又稱冷縮。施工中必須重視砼這種冷縮變形帶來的不利影響，尤其是在大體積砼中，由于散熱降溫而引起的冷縮開裂，比干縮開裂更為普遍和嚴重；然而，在全面分析砼的溫差變形時，除重視冷縮影響外，還應關注熱膨脹和冷熱溫差條件下對砼體積穩定性造成的不利后果，這也正是大體積砼更要著重應對的技術難題。

1.2 砼收縮裂縫的原因剖析

砼收縮變形的發生，當處于約束狀態下，所產生的拉應力一旦達到自身的極限抗拉強度時就會出現裂縫；裂縫的存在不僅有礙觀瞻，更會危及砼結構物的整體性、抗滲性和耐久性，甚至降低結構的承載能力，以致危及其安全性；再有，如水或不良介質從裂縫中侵入，可造成結構物滲漏、鋼筋銹蝕和砼被腐蝕等，進而縮減建筑物的使用壽命。試驗和研究人員認為，砼收縮裂縫的形成必須具備三個條件：一是發生收縮，二是受到約束，三是產生的收縮應力超過其抗拉強度。事實上，硅酸鹽系列水泥配制的砼總是會發生收縮變形的，結構物中的砼又總是處于不同的約束狀態，而抗拉強度低和收縮率大又都是砼的突出弱點，因此，砼的收縮開裂既是必然的，又是極易發生的，可見只有分析裂縫的成因，把握住裂縫的形成條件，才能通過從材料、設計和施工等方面采取有針對性的防裂措施。

1.3 組成材料對砼收縮裂縫的影響及其應對措施

砼所用原材料的品種、粒型、用量和比例等，都會影響砼干縮和開裂。由于這眾多因素及其交互作用的影響十分復雜，可以從水泥凈漿和骨料兩方面入手分析。

1.3.1 水泥凈漿

在砼中，水泥凈漿的收縮量取決于下列因素。水泥的品種、成分和細度：需水量大的水泥，鋁酸三鈣含量高或堿含量高的水泥，顆粒越細的水泥，會加大凈漿的收縮量；水泥用量、用水量和水灰比：水泥用量越多、用水量和水灰比越大，砼的干縮量也會越大；外加劑和摻合料的品種、用量：某些品種的外加劑或當超過最佳用量時，會加大凈漿收縮的傾向，比表面積大、需水量大的摻合料也有這種加大收縮的傾向。

1.3.2 骨料

砼中的骨料，兼有抵制收縮的作用，但應由下列因素來決定。骨料的品種、性能及顆粒狀況：骨料的彈性模量越高，抵御收縮的能力越好，其粒徑大、級配好、粒型理想，都能削減砼的收縮量，而吸水率大的骨料會加大砼的收縮；骨料的絕對體積：當其他條件相近時，骨料的絕對體積適當增大，砼抵制收縮的作用越強；砂率：在骨料的絕對體積中，細骨料的占有率是很重要的因素，因為砂率加大會降低骨料的平均料徑，加大骨料的總表面積，這必然導致將加大水泥漿的用量而減小骨料的絕對體積，對減小砼收縮不利。

1.3.3 砼總體

砼是由各種組成材料復合而成的，其總體的收縮性能是上述各因素的綜合表現；除此之外，還必須考慮下面幾個問題。砼結構的形狀和尺寸：由于砼干燥是從表面開始的，單位體積的表面積越大，其收縮就越大，對給定形狀的小試件，測其初始收縮率較大，但體積大的砼的最終收縮率，與小試件的極限干縮并無差別；鋼筋的用量與分布：鋼筋砼結構由于受到鋼筋的約束比素砼收縮要小，但這種約束往往會使砼收縮應力超限而導致其開裂，這與配筋率大小和分布有關；所處環境的濕度：延長早期保濕養護時間，可降低早期砼收縮值，但對極限收縮無太大影響。

2 補償收縮砼定義及其補償收縮機理

所謂補償收縮砼，就是：配制砼時改用膨脹水泥，或仍用普通水泥、同時加入膨脹劑，都能使砼在凝結硬化時產生膨脹，利用并控制這種膨脹能量，可產生抵消收縮應力的預壓應力，達到不裂或少裂的目的，這種砼就叫補償收縮砼，現已廣泛用于工程。

2.1 補償收縮砼的補償收縮機理

要使砼產生補償收縮效能，必須同時具備兩個條件：（1）砼發生適度體積膨脹；（2）這種膨脹應受到恰當的約束。因為只有這樣才能產生預壓應力來抵御收縮開裂的形成。要使砼發生膨脹，取決于所用膨脹水泥或膨脹劑中的某種組分生成膨脹性的水化產物。當前應用較多且性能穩定的是硫鋁酸鈣類膨脹水泥和膨脹劑，它們均以水化時能生成的鈣礬石作為膨脹源，而鈣礬石的生成時間、數量和結晶形狀，以及要與水泥石強度的增長相適應等，都決定著砼的膨脹是否適度。因此在施工時要通過合理選擇膨脹水泥或膨脹劑的品種、成分、膨脹能級，并把握好它們的最佳用量和確保其保濕養護等有效措施，才能使砼膨脹適度，獲得補償收縮的預期效能。同時，還必須強調對膨脹的約束，因為不受約束的膨脹是不會產生預壓應力的；約束膨脹的方法很多，如利用結構中的配筋、鄰近部位砼及基礎對其的摩擦等。

2.2 補償收縮砼的技術性能要求

為確保補償收縮砼的質量，應規定其技術性能、提出具體項目和控制指標。因為這種砼補償收縮效能的優劣取決于限制膨脹時所產生的預壓應力，并體現在限制條件下的膨脹率；我國最新發布的《砼外加劑應用技術規范》中規定了補償收縮砼性能的試驗方法和指標，其中規定砼試件的尺寸為100mm×100mm×300mm，限制（下轉第308頁）（上接第128頁）條件為中間預埋一根兩端焊接厚鋼板的鋼筋；在上述新規范中還提出另一項技術要求，就是將該試件在水中養護14天，測完限制膨脹長度后轉至氣溫20±2℃、相對濕度（60±5）%的室內，繼續養護28天測量試件長度、計算收縮率，定名為“限制干縮率”，這個干縮率可用來表征砼膨脹穩定后，處在空氣中產生回縮的程度，即補償收縮效能的優劣程度。

[責任編輯：劉展]