混凝土早期收缩、开裂对结构耐久性的影响

浅谈混凝土早期收缩、开裂对结构耐久性的影响

摘要：由于早强水泥和高效减水剂广泛应用，混凝土凝固和硬化强度发展迅速，初期收缩变形受约束产生很大的弹性拉应力得不到松弛则产生开裂，严重地影响处于侵蚀性环境混凝土结构的耐久性和安全性，迫切需要提高对这一问题的认识，并落实到设计、施工、材料各方面，使混凝土结构基础设施建设在新世纪能够可持续地发展。

关键词：早强混凝土自收缩开裂性能耐久性

1 混凝土的收缩与开裂

混凝土的收缩现象比较常见的是干燥收缩和温度收缩，还有自身收缩和塑性收缩。在这里我们着重介绍自生收缩。自生收缩与干缩一样，也是由于水的迁移而引起。但这时水分并非向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，产生所谓的自干燥作用，混凝土内的相对湿度降低，体积减小。水灰比变化对两种收缩的影响正相反，即当水灰比降低时干缩减小，而自生收缩增大。如当水灰比大于0.5时,混凝土自干燥作用不明显，其自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自生收缩与干缩接近各占一半。自身收缩在混凝土体内均匀发生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收缩集中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分

已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩。初凝后混凝土体系逐步失去塑性，水泥石的骨架作用使水分消耗引起绝对体积的减少，以形成孔隙的形式得以补偿。此时大部分毛细孔相互连通，而且毛细孔半径很大，因此水的表面张力可以克服毛细管壁的阻力向内部迁移，使混凝土内部的水分保持连续性。故在表面形成毛细孔弯液面。水分的进一步消耗使临界半径不断减小，同时胶凝材料的水化使毛细孔不断细化和隔断。毛细管壁的阻力超过水的表面张力，使毛细管水间断，混凝土内部也开始产生弯月面。此时水分不能从表面向内部迁移，故即使表面进行养护，水仍对内部无法起到养护作用。毛细管负压在混凝土内部产生应力场使混凝土收缩。毛由于混凝土表面处于受拉状态，而此时混凝土的抗拉强度又非常低，极易产生表面裂缝和管壁裂缝。

还有塑性收缩，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以混凝土浇注后需要及早覆盖。

2 混凝土的耐久性

现今的实践表明：采用适宜材料与良好操作制备的c30混凝土，

能在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和良好的耐久性；反之，混凝土的强度等级虽然高，由于稳定性、均匀性不良（沉降、离析、泌水造成），在界面形成大量孔隙和微裂缝，就会使渗透性变大，影响混凝土结构在侵蚀性环境里的耐久性。这说明现今大多数混凝土初始的渗透性可以足够低，问题出在实际结构工程中的混凝土是否能够稳定达到和长期维持低渗透性。

1994年mehta提出混凝土受外界环境影响而劣化的整体模型与以往通过简化方式建立的模型不同，整体性模型不具体指某一个原因，而是强调了微裂缝和孔隙是引起混凝土劣化的初因，并考虑环境与荷载的作用对孔隙、裂缝扩展与连通的影响。由于混凝土温度收缩和自收缩对裂缝的产生有着致关重要的作用，所以我们要尽量抑制混凝土的收缩来提高混凝土的耐久性和安全性。

3 防止收缩的措施

3.1掺入粉煤灰

混凝土的自收缩大小主要取决于水泥石内部自干燥程度，水泥石的弹性模量及徐变系数。混凝土的早期（初凝至1d）弹性模量低、徐变系数大，因此自干燥速度是决定早期自收缩的主要因素。粉煤灰在水泥浆体系中的水化非常缓慢因此在相同的水胶比条件下，用粉煤灰替代部分水泥相当于增大早期有效水灰比。因此粉煤灰可降低混凝土内部的早期自干燥速度，显著降低早期自收缩。而且由于减少了水泥的用量，也在相当大的程度上降低了混凝土的水化热，减小了温度收缩。后期粉煤灰的继续水化使水泥石内部自干燥程度

提高，但是此时混凝土已有较高的弹性模量和很低的自徐变系数，因此在相同自干燥程度下产生的自收缩同早期相比小得多。

3.2掺入外加剂

其方法归纳起来有以下几种：（1）通过掺加减水剂降低单位用水量的方法减小收缩；（2）掺加有机收缩低减剂的方法减少收缩；（3）通过掺加具有膨胀性的外加剂导入化学预应力的方法补偿收缩。3.3骨料与纤维对混凝土收缩的抑制作用

高性能混凝土中引起自收缩的组分是水泥石，因此混凝土中存在的骨料，约束水泥石的变形，降低体系的自收缩，其作用机理和干燥收缩相同。一方面骨料的掺入相对来说降低了水泥浆用量，另一方面自收缩引起的骨料弹性变形反过来抑制水泥浆的自收缩，因此混凝土的自收缩小于同尺寸水泥浆的自收缩。由此可知骨料的体积含量与弹性模量对自收缩的影响很大。一般情况下高性能混凝土的自收缩均随骨料体积含量的增加而减小，并且同配比的混凝土其自收缩随骨料弹性模量的增加而减少。tazawa等将混凝土视作由水泥浆与骨料两相组成，用下式对混凝土的自收缩进行了计算，结果表明预测值与实测值吻合较好。

3.4实际工程中早期养护对收缩的抑制作用

根据前面提到的自收缩的原理，如果开始养护的时间越晚，表面形成的弯液面临界半径越小，故需要外加的压力越大，养护也就越困难。当混凝土内部毛细管壁的阻力超过水的表面张力时，水分无法向内部迁移，表面水分就对混凝土内部无法起到养护作用了。所

以实际施工过程早期养护对高性能混凝土自收缩的影响很大。初凝后立即养护可有效地抑制高性能混凝土的早期自收缩。高性能混凝土的施工过程宜采用内衬憎水塑料绒钢模板或透水模板。

参考文献：

[1]安明吉.高性能混凝土自收缩的研究.清华大学博士学位论文，1999.

[2]覃维祖.混凝土性能对结构耐久性及安全性的影响[j].混凝土，2002.3-5.