高性能混凝土收縮裂縫影響因素及機理研究綜述

王丹，馬彪，秦鴻根

（1.中交一公局第二工程有限公司，江蘇　蘇州　215151；2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇　南京　211189）

高性能混凝土收縮裂縫影響因素及機理研究綜述

王丹1，馬彪2，秦鴻根2

（1.中交一公局第二工程有限公司，江蘇蘇州215151；2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇南京211189）

與傳統混凝土相比，現代商品混凝土具有大流動性和保坍性能，能滿足遠距離運輸和泵送施工要求，但由于其組成材料的變化，高砂率和大流動性造成混凝土收縮裂縫的問題比較嚴重。本文總結了國內外科研人員的研究成果，分析了高性能混凝土收縮與開裂的機理及其影響因素，并提出相關解決辦法。

混凝土；收縮裂縫；開裂機理；抗裂技術

0　前言

隨著水泥生產工藝的改進和高效減水劑的應用，混凝土強度也越來越高，高強混凝土廣泛應用于高層建筑中，但混凝土僅具有高強度并不能滿足實際要求，于是在此基礎上高性能混凝土開始發展，人們習慣將滿足強度和某些耐久性要求的大流動性混凝土稱為高性能混凝土。

內維爾[1]在對高性能混凝土進行多年的研究之后，提出高性能混凝土的“高性能”應該體現在混凝土材料具有高密度、彈性模量大、抗滲性好、耐沖擊等方面。高性能混凝土的主要特征有：水膠比0.25～0.35；膠凝材料總量400～550kg/m3；摻合料主要有粉煤灰、礦粉和硅灰；單位體積用水量低；使用高效減水劑等[2-4]。目前學術界對高性能混凝土形成較統一的看法：高性能混凝土不僅具有高強度還具有高工作性和高耐久性。實現以上三個特點的混凝土必須建立在高體積穩定性的基礎之上，但隨著現代工程建設中泵送混凝土的使用，混凝土早期開裂現象也越來越嚴重[5]。根據中商產業研究院數據庫（AskCIData）最新數據顯示：2014年中國商品混凝土累計產量達15.5億立方米，2015年全年商品混凝土累計產量約為15.8億立方米。龐大的建筑工程因為混凝土開裂而產生的維修費用也非常之高。如何控制混凝土開裂現象，并開發出成本較低且方便施工的混凝土裂縫控制技術，對提高混凝土耐久性及建筑工程質量具有很重要的意義。

1　混凝土開裂機理

現代商品混凝土具有大流動性和保坍性能，能滿足遠距離運輸和泵送施工要求，但由于其組成材料的質量不穩定、高砂率和大流動性造成了混凝土收縮裂縫的問題比較嚴重。高性能混凝土強度高使得膠凝材料用量較高，導致水化熱較大，混凝土大流動性還易出現混凝土均勻性差和易產生離析泌水現象，大流動性使得砂率較大，粗骨料用量較低，導致收縮增大和抗裂能力變差。對影響混凝土開裂的幾種收縮分析如下：

水化熱溫度收縮：水泥凝結硬化的同時也放出大量的熱，水泥水化熱主要是在硬化早期放出，隨后逐漸減小。普通硅酸鹽水泥水化前3天放熱量大約為總放熱量的50%，前7天大約為總熱量75%。混凝土凝結硬化初期，水泥水化放熱量很大，而且混凝土是熱的不良導體，水化熱儲存在混凝土內部不易散發，對于大體積混凝土，其內部溫度會上升到50～60℃，甚至更高。這就使混凝土表面和內部產生溫度差，于是內部混凝土的體積產生較大的膨脹，混凝土外表產生較大的拉應力，繼而出現裂縫[6-7]。

塑性收縮：在新拌混凝土成型后若干小時內發生塑性收縮。此時混凝土基體還處在塑性階段，沒有產生明顯的強度。引起塑性收縮的原因包括砂石沉降和毛細管應力差。高性能混凝土工作性較好，處于上層的砂石易沉到底部，從而引起收縮；另外在混凝土內部水分消失前，新拌好的混凝土顆粒間空隙被水充滿。一段時間之后，混凝土表層水分蒸發，混凝土內部漿體中水分向外遷移，因此，漿體內孔隙中水形成彎月形，產生毛細管負壓，導致漿體的體積發生緊縮。漿體中毛細管負壓不斷增加，隨后達到一個臨界壓力。在此過程中，漿體中的水不再均勻分布，而是重排成一個個不連續的微型水分區，彼此間存在空隙。塑性收縮在毛細管壓力達到臨界壓力前就已達到最大值，之后不再發生塑性收縮[16]。

環境溫度收縮：當冷空氣來臨、天降大雨、日出日落、拆除模板或撤除覆蓋物等情況會導致混凝土表面溫度突然降低，覆蓋板的時候，形成一定的溫度場，也會產生溫度應力。因其內部溫度變化相對較小而產生溫度差，從而產生較大的拉應力，形成溫度裂縫[8]。

干燥收縮：干燥收縮是指混凝土在干燥環境中由于內部水分散失而引起的收縮。混凝土內部相對濕度的變化體現了其干燥收縮變化規律[9]。影響混凝土干燥收縮的因素很多，除了自身水灰比、水泥漿體量、粗骨料級配、砂率、減水劑摻量等因素外，環境的溫濕度條件對干燥收縮影響也很大[10-11]。

自收縮：自收縮是指在與外界沒有濕度交換的條件下由水化反應引起自干燥作用導致的收縮現象[12]。膠凝材料水化消耗內部水分的自干燥作用引起自收縮。60年前，H.E.Davis和 Powers 等發現混凝土的自收縮現象[13-14]；現代高性能混凝土由于混凝土膠凝材料用量大、水膠比低等特點決定其自收縮現象非常顯著，自收縮值甚至超過干燥收縮變形的收縮值[15]。

在原材料質量不高、施工控制不到位和環境條件較差的情況下，以上各種收縮的疊加使得混凝土總體收縮變形過大，使得某些部位的混凝土拉應力超過其抗拉強度，造成混凝土基體裂縫的引發與擴展；混凝土各部位組成的不均勻性又使得其收縮不同，在混凝土強度低、收縮大和抗裂性差的部位產生裂縫，這也是造成混凝土開裂的一個重要原因。

2　混凝土開裂影響因素

影響混凝土塑性收縮與開裂的因素很多，如：原材料質量、配合比參數、添加輔助材料、外界環境條件、施工方法與養護方式等。

2.1配合比的影響

2.1.1水膠比的影響

馮浩[17]配制了水膠比為0.16及0.18的兩組超高性能混凝土（UHPC），在恒溫恒濕風速恒定的環境中得出：水膠比對 UHPC 的早期塑性收縮影響較大，UHPC 的早期塑性收縮是隨著水膠比的減小而增大。楊凱[18]配制了坍落度保持在180～220mm、水膠比從0.35增加到0.54的多組混凝土，隨水膠比提高，基準混凝土裂縫面積先增加后降低，混凝土塑性收縮增大。翟超[19]從試驗中得出：低水灰比對混凝土抗裂性能是不利的，水灰比越低，膠凝材料用量越多，混凝土內部越密實，大量連通孔被堵塞，混凝土內部水分無法通過連通孔補給表層混凝土，這加速了表層混凝土塑性收縮。對于高性能混凝土，水膠比很低時（＜0.4），增加水膠比有利于抗裂；隨著水膠比增大，抗裂性能先上升后下降。

2.1.2砂率的影響

砂率提高，界面過渡區體積分數隨之提高，混凝土整體動彈模降低，骨料的約束作用被削弱，因此收縮變大[20-21]。且在水膠比較低的情況下，對于相同配合比混凝土，由于粗砂需水量比細砂需水量大。因此砂細度模數越大，混凝土早期開裂現象越嚴重[22]。

2.1.3單位用水量的影響

混凝土用水量過多也會導致塑性開裂[23]，在水膠比不變的情況下，用水量增大，一方面，產生收縮的總量增大；另一方面，骨料用量降低，限制收縮組分含量降低，因而引起混凝土開裂。

2.1.4減水劑的影響

摻減水劑的混凝土，流動性增大，易產生離析泌水現象。摻加減水劑之后，混凝土的單位開裂面積和最大裂縫寬度都大于未摻減水劑的普通混凝土，減水劑會增大混凝土的早期塑性收縮[24]，因為摻入減水劑后由于其吸附分散作用，水泥粒子在漿體中均勻分散，與水的接觸面變大，因此加快了水泥初期水化速度，混凝土中熱量釋放加速，在溫度較低時更加大了內外溫差，產生了更大的變形，更易開裂[25-26]。不同種類減水劑對混凝土干燥收縮影響不同，聚羧酸系減水劑配制的混凝土開裂傾向低于萘系減水劑[27]，若復摻少量減縮劑，抗裂效果更好[28]。

2.2粗骨料的影響

粗骨料在混凝土中含量越高，抗裂性能越好[29]，石子本身體積穩定性好，幾乎無溫度收縮，且線膨脹系數小，產生的溫度應力也較小，而且對于水泥石收縮起作用的則是粗骨料，其含量越多，產生的混凝土收縮越小。但粗骨料本身性質也會影響抗裂性能，如：粗骨料吸水率越高，混凝土的收縮變形越大，不同種類的石子對混凝土抗裂性能影響不同，玄武巖混凝土因其粗骨料吸水率低，開裂性能低于花崗巖混凝土[30]。孫家瑛[31]認為再生細骨料混凝土塑性收縮開裂風險比同配合比普通混凝土大，因為再生細骨料除了砂還包含硬化水泥漿顆粒，因此增大了混凝土的孔隙率和孔徑，加快了其失水速率。

2.3摻合料的影響

2.3.1粉煤灰的影響

對混凝土的抗裂性能而言，粉煤灰的最優摻量因其品種的不同而不同。由于早期粉煤灰的相對惰性，參與水化反應的程度不高，微集料效應更明顯，所以對于同摻量粉煤灰，具有更多玻璃微珠的粉煤灰有更優的抗裂性[32]。翟超[33]認為：在水灰比一定時（0.34～0.4），單位面積總開裂面積隨著粉煤灰摻量的增加先減小后增大，但粉煤灰摻量對單位面積總開裂面積影響不如水灰比顯著。龐超明[37]認為煤灰摻量為10%～20% 時，粉煤灰摻量對早期抗裂性的影響不大，反而10% 略優。周小菲[34]認為：在較為溫和的環境中，粉煤灰的摻入能夠提高混凝土的抗裂能力，避免混凝土的開裂，但在炎熱干燥的嚴酷環境中，粉煤灰的摻入會使混凝土開裂的時間提前，即降低了混凝土的抗裂能力。混凝土中摻粉煤灰后，早期水化熱降低，混凝土開裂傾向降低。

2.3.2礦渣的影響

張西玲等[35]研究了在高摻量下，礦渣摻量和細度兩個參數對膠凝材料收縮性能的影響，發現礦渣可以降低水泥膠砂干縮值，且最佳摻量是75%、最佳細度是550m2/kg。在低摻量下，池遠東[36]認為：在礦物摻合料總摻量相同情況下，單摻粉煤灰混凝土比復摻礦物摻合料混凝土具有更好的抗裂性能。對于復摻礦物摻合料的混凝土，隨著摻加的礦物摻合料總量增加，混凝土開裂時間提前，開裂情況更嚴重，這表明只有適量復摻礦物摻合料才可以提高混凝土的抗裂性能。龐超明[37]也認為單摻粉煤灰略優于雙摻粉煤灰和礦渣微粉。

摻加摻合料使混凝土抗裂性能提升，因為：① 混凝土工作性增強，強度和密實性提升，有效減少裂縫的發生；② 水化熱降低，溫度應力降低，抑制堿骨料反應；③ 摻合料具有一定的顆粒充填效應以及火山灰效應，能夠有效降低水泥漿中的孔隙率，提高彈性模量和強度，提高阻裂水平[38]。

2.4環境因素的影響

在實際工程中，混凝土澆筑完成后，在周圍高溫大風環境中很容易開裂。主要是混凝土內外溫度差較大容易導致混凝土產生較高的溫度應力而開裂[39-40]；另外，環境溫度持續的保持在高溫階段，加大了混凝土早期失水速率，增大收縮，同樣會導致混凝土產生裂縫[41]。在混凝土拆模后的幾小時內，如果環境濕度較低，混凝土表層失水迅速，但在距表面幾毫米的內部，水分變化很小，這導致混凝土表面層產生很大濕度梯度，從而產生干縮開裂[42]。

3　混凝土抗裂技術

3.1控制混凝土原材料質量

混凝土原材料的質量對混凝土性能有著十分重要的影響，制備收縮抗裂混凝土所用原材料的性能必須滿足其相關標準的質量要求。水泥對混凝土收縮影響較大，應選用低堿性、比表面積較小（300～350m2/kg）、C3A含量低的水泥；選用優質活性摻合料，采用粉煤灰和礦粉雙摻；骨料的質量對混凝土抗裂性有較大影響，應控制含泥量和泥塊含量，選用級配良好的中粗砂和連續級配、空隙率小的石子；選用減水率高收縮率比小的高性能減水劑。

3.2優化混凝土配合比參數

混凝土配合比參數對混凝土的抗裂性影響很大，為提高混凝土體積穩定性，在混凝土配合比設計時應遵循抗裂混凝土的配合比設計法則：即低水泥用量、低用水量、適當水灰比、最大骨料堆積密度，還有活性摻合料和高效減水劑的雙摻等。在保證滿足設計和施工要求工作性的條件下，盡可能提高混凝土中粗骨料含量，降低砂率和減少漿體的含量，同時控制其混凝土流動性和均勻性。

3.3混凝土其他抗裂措施

3.3.1纖維的作用

目前我國研究和工程中廣泛應用的纖維主要是碳纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維。纖維在土木工程材料中有增強增韌阻裂作用，向普通混凝土中摻入纖維，可以阻礙混凝土早期體積收縮，因此也能提高混凝土抵抗內部產生微裂縫的能力，提高抗裂性能[43]。李美丹[44]在研究中對摻加不同種類纖維大摻量礦物摻合料混凝土抗裂性能進行排序：纖維增強高性能膨脹混凝土>纖維增強高性能混凝土>混雜纖維增強高性能混凝土＞混雜纖維增強高性能膨脹混凝土＞高性能膨脹混凝土。并且向混凝土中同時摻入膨脹劑與鋼纖維，混凝土抗裂性能更好。夏杰[45]在建立有限元模型后發現：聚丙烯腈纖維對混凝土早期塑性收縮開裂具有良好的阻裂效果，當纖維摻量較低時（體積分數＜2%），其阻裂效果隨著纖維摻量的增加而增強；混雜纖維的抗裂效果最佳；由試驗對比發現：混凝土中摻加0.1% 聚丙烯腈纖維和0.5% 鋼纖維時，抗裂效果最好。由于普通纖維摻量較高時易團聚，肖永新[46]使用了新型的 UF500纖維素纖維摻入混凝土來提高混凝土抗裂性能，能有效抑制由于混凝土塑性收縮、溫濕度變化等引起的裂紋的形成及發展。UF500纖維在混凝土中分散很容易，且纖維分散后不會再次團聚。

纖維的抗裂機理主要是防止裂縫的擴展以及阻止裂縫與裂縫之間的貫通而起作用的，其臨界間距值為10mm。摻加多種纖維的混凝土抗裂性能優于摻加單一品種纖維的混凝土。

3.3.2膨脹劑和減縮劑的作用

膨脹劑和減縮劑的作用不可一概而論，這是一把雙刃劍。周小菲[34]發現當粉煤灰摻量小于30%，摻適量硫鋁酸鈣—氧化鈣類膨脹劑能夠提高混凝土抗裂性能，但粉煤灰摻量較高時，同樣的措施會使混凝土抗裂性能變差。鈣礬石類膨脹劑抑制混凝土早期收縮效果很明顯，但較難控制混凝土后期收縮，因為對膨脹進行約束后干燥收縮較大，為了更好地發揮膨脹劑的補償收縮作用，可以進行早期水養護和延長水養護時間[47]。膨脹劑水化產生 Mg(OH)2和 Ca(OH)2，水化后體積膨脹，從而降低混凝土收縮。

朱耀臺[48]認為：減縮劑對水膠比不高的混凝土早期的收縮有良好的減縮效果；對于 w/c<0.32的低水膠比混凝土而言，通過它的摻用可以減小很大部分自收縮，對總收縮的降低意義比較大，并且膨脹劑在補償收縮方面的效用需要有良好的養護； 但對 w/c>0.47的高水膠比混凝土而言，如果進行良好的早期保濕養護，摻加減縮劑的效果不明顯，因為占收縮絕大部分的干縮可以通過養護得以避免。

郭江華[49]、楊恒陽[50]利用工業廢料鋰渣進行高性能混凝土抗裂試驗研究，摻加鋰渣后，混凝土顯示出了較好的抗裂性能。鋰渣具有良好的自身微膨脹性和火山灰活性，可以抵消一部分混凝土收縮。

3.3.3內養護劑的作用

為了解決高性能混凝土開裂問題，很多專家學者研究高性能混凝土早期收縮開裂的控制技術，通過添加輔助抗裂材料來提升混凝土抗裂性能。

秦鴻根[51]、王發洲[52]將 SAP 摻入高性能混凝土中，高性能混凝土早期開裂面積有顯著的降低。屬于典型功能高分子材料的高吸水樹脂 SAP，其顯微結構中的聚合物分子網狀結構內部遇水產生內外滲透壓并吸收水分，SAP 顆粒急劇膨脹，吸水率很高。SAP 摻入混凝土中，能夠較好地保存混凝土中的水分，隨著混凝土水化的持續進行，SAP 中水分慢慢向周圍擴散，并且不會對混凝土的力學強度造成較大的負面影響，并且產生的孔隙可以提高混凝土抗凍融能力。

3.4施工中的抗裂技術

進行混凝土澆筑時，振搗不當，漏振、過振或振搗棒抽插過快，這些均會對混凝土的密實性和均勻性有較大影響，進而產生裂縫。攪拌時間過長或過短，導致混凝土不均勻；以及拌合后到澆筑時間間隔過長等，也易產生裂縫。混凝土澆筑時間過長，各結構接觸部分處理不當，易產生裂縫[53]。可以采取以下措施來預防裂縫的產生：對大面積混凝土進行表面濕養護；對大體積混凝土做好拆模后的保溫或者降溫措施；現場施工的時候避免在雨雪大風天氣進行；對于地下連續墻結構，實施回填措施。

4　結論與展望

本文總結了國內外在提高混凝土限縮抗裂方面的相關研究成果，分析了高性能混凝土收縮開裂機理和影響因素。為了提高混凝土抗收縮開裂性能，應該嚴格控制原材料的質量，選用級配合格、含泥量和泥塊含量低的骨料；根據設計和施工要求設計配合比、采用低砂率、優質摻合料和高性能減水劑復摻技術，根據需要摻用一定量的纖維、膨脹劑或減縮劑；還應該采用必要的施工控制和養護措施來保證和提高混凝土抗收縮開裂性能。

上述研究均可減少混凝土開裂現象，提高抗裂性能，但是仍有進步空間。目前，在混凝土收縮開裂研究方面仍存在諸多不足，裂縫在嚴酷環境下依舊存在；在實驗室中進行試驗，混凝土體積小、面積小，而實際工程中則以大體積大面積混凝土為主，盡管有些科研人員進行相關模擬，但混凝土澆筑現場的環境變化更復雜，不僅有濕度的變化，溫度以及風速等均會影響混凝土開裂風險； 對于某些建筑結構，結構設計也會影響混凝土構件的受力情況，可能導致混凝土開裂。文中提到諸多提升抗裂性能的方法，僅僅是降低開裂傾向，尚無研究能夠用相對簡單的方法徹底消除混凝土開裂現象。在加強養護、限制收縮之外，如何提高水泥機體相互黏結能力也是值得考慮的問題。

未來對于混凝土抗裂性能的研究，應該從多因素耦合角度考慮；目前的混凝土抗裂性能評價方法依舊不太可靠，平板抗裂法偶然性較大，圓環抗裂法因為體積過小，因而代表性不強，以后的研究中應提出更可靠的混凝土抗裂評價方法。有些摻輔助抗裂材料如高吸水性樹脂，因為價格較貴，可以使用價格低廉的保水陶粒取代。除此之外，如何改善施工現場混凝土均勻性也是值得研究的課題。

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［通訊地址］江蘇省蘇州市工業園區東方之門東地鐵1號線3號口中交一公局星港街過街天橋項目經理部（215151）

A review of study on shrinkage and anti-cracking performance of high-performance concrete

Wang Dan1, Ma Biao2, Qin Honggen2
(1.Second Engineering Co., Ltd., The First Highway Bureau of China, Suzhou215151;2.School of Materials Science and Engineering Southeast University, Nanjing211189)

Compared with the traditional concrete, modern reay-mixed concrete with high fluidity and slump retention performance, it can satisfy the long-distance transport and pumping requirements, due to changes in the composition of the materials, high sand ratio and high fluidity caused the shrinkage crack of concrete become a serious problem. This paper summarizes the research achievements of domestic and foreign researchers, the mechanism and influence factors of shrinkage and cracking of high performance concrete are analyzed, and put forwards some solutions.

high-performance concrete; shrinkage; cracking mechanism; anti cracking technology

王丹，男，試驗室主任，助理工程師。