對(duì)高性能混凝土的認(rèn)識(shí)及混凝土開裂的問題

1前言高性能混凝土(以下簡稱HPC)是經(jīng)過漫長時(shí)間的發(fā)展，總結(jié)傳統(tǒng)混凝土耐久性存在的問題后提出來的，已經(jīng)在很多重要的工程中成功得到了應(yīng)用，并因其耐久性而將在今后逐步代替普通混凝土在建筑物中的使用。但是人們對(duì)高性能混凝土的涵義有很不相同的理解。盡管“高強(qiáng)不一定耐久”的觀點(diǎn)已得到共識(shí)，但仍有相當(dāng)多數(shù)認(rèn)為高性能混凝土必須高強(qiáng)。然而，近年來有些國家的論文指出“高性能混凝土”的易裂性。例如在美國，科羅拉多的丹佛及其附近，有7座高強(qiáng)混凝土的橋梁在開裂。3座HPC示范橋：德克薩斯的Loretta和SanAngelo，以及丹佛的1－25/Yale大橋也已經(jīng)開裂。我國也有人反應(yīng)他們所用的“高性能混凝土”和目前所用傳統(tǒng)概念的混凝土一樣地開裂。看來，HPC的耐久性和抗裂性正面臨著越來越多的質(zhì)疑。開裂而不耐久的混凝土怎么能是“高性能”的呢?實(shí)際上，例如美國，其所認(rèn)為的高性能混凝土，主要是高強(qiáng)和坍落度較大(為保證澆筑成型均勻、密實(shí))的混凝土。在我國，對(duì)高性能混凝土的概念更加混亂。例如只要采用摻和料、大坍落度并且高強(qiáng)，就自稱為高性能混凝土一類的文章很多。我國著名混凝土科學(xué)家吳中偉院士將HPC定義為：在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作、以耐久性為設(shè)計(jì)指標(biāo)的新型高技術(shù)混凝土。并認(rèn)為高性能混凝土適用于任何強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。提出HPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：(1)孔隙率很低，基本上不存在>100nm的大孔；(2)水化物中Ca(OH)2減少，C－S－H和AFt增多；(3)未水化的顆粒多，未水化顆粒和礦物細(xì)摻料等各級(jí)中心質(zhì)增多；(4)界面厚度小，孔隙率低、Ca(OH)2數(shù)量減少，且取向程度下降，水化物結(jié)晶顆粒尺寸減少，更接近水泥石本體水化的分布。具有這樣微結(jié)構(gòu)的混凝土，必然會(huì)有密實(shí)度大、干燥收縮小、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等性質(zhì)。ACI在1998年又公布了他們新近關(guān)于高性能混凝土的定義：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土，采用傳統(tǒng)的原材料和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護(hù)方法，往往不能大量地生產(chǎn)出這種混凝土。所指特性為：易于澆筑、振搗不離析、早強(qiáng)、長期力學(xué)性能、抗?jié)B性、密實(shí)性、水化溫升、韌性、體積穩(wěn)定性、惡劣環(huán)境下的較長壽命”。日本最近把過去他們稱之為高性能混凝土的高流動(dòng)性混凝土和自密實(shí)混凝土改稱為高質(zhì)量混凝土(HighQualityconcrete，縮寫HQC)。這都說明，高性能混凝土不是一個(gè)混凝土的品種，而是一種對(duì)混凝土性能或質(zhì)量的要求和保證。非荷載引起的混凝土開裂，主要是混凝土在約束條件下的收縮或局部的膨脹變形在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力超過抗力而造成的。早期的混凝土抗拉強(qiáng)度低，較大的變形受到約束時(shí)容易引起開裂，這取決于混凝土自身組成材料、配合比以及其所處環(huán)境和約束條件。本文主要分析收縮引起的混凝土的早期開裂行為，以及傳統(tǒng)混凝土和高性能混凝土對(duì)早期開裂的敏感性。2混凝土的收縮2.1干燥收縮干燥收縮是指混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，它不同于干濕交替引起的可逆收縮。隨著環(huán)境中相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。在大多數(shù)土木工程中，混凝土不會(huì)連續(xù)暴露在使水泥漿體中C—S—H失去結(jié)構(gòu)水的相對(duì)濕度下，故引起收縮的主要是失去毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水。計(jì)算完全干燥的純水泥漿體收縮量為10000×10－6；LeeFM實(shí)測數(shù)值達(dá)4000×10－6。混凝土的干縮是由表面逐步擴(kuò)展到內(nèi)部的，在混凝土中呈現(xiàn)濕度梯度，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，致使表面混凝土承受拉力內(nèi)部混凝土承受壓力；當(dāng)表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土便產(chǎn)生裂縫。另外，水泥石也會(huì)由于集料的限制作用而出現(xiàn)裂紋。在約束條件下，混凝土收縮時(shí)，混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果該拉應(yīng)力大于其最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生裂縫。這種現(xiàn)象在混凝土剛拆模后表現(xiàn)尤為明顯，這時(shí)混凝土的強(qiáng)度很低，干縮卻非常大，同時(shí)由于混凝土拆模后和空氣接觸使周圍空氣溫度上升，由此導(dǎo)致周圍空氣的濕度降低，進(jìn)一步加大了混凝土干縮。影響混凝土干燥收縮的主要因素是：骨料、水灰比、單位水泥漿體含量。對(duì)于水灰比，40多年前，Pickett用可能較粗的水泥且沒有任何減水劑的條件下，制作水灰比0.35和0.50的水泥和砂漿大試件(19.0mm×25.4mm截面)進(jìn)行的試驗(yàn)，認(rèn)為水灰比對(duì)混凝土的干燥收縮有較大的影響；其他一些在水灰比略大(0.40～0.60波動(dòng))條件下進(jìn)行研究的學(xué)者也持相同觀點(diǎn)。而最近BenotBissonnette等人通過研究提出，水灰比在0.35到0.50間變化對(duì)混凝土的干縮影響不大。有研究認(rèn)為由于水灰比對(duì)毛細(xì)孔的數(shù)量和水泥漿體的微結(jié)構(gòu)具有很大影響，而微結(jié)構(gòu)又顯著地影響混凝土的干縮，從而水灰比可能間接地影響混凝土干縮。水灰比唯一明確的影響在于與限制未水化水泥顆粒體積的計(jì)算相聯(lián)系，并且依據(jù)水泥漿體實(shí)際收縮測試預(yù)測干縮。之所以產(chǎn)生這樣一些相矛盾的觀點(diǎn)，是因?yàn)闇y試方法的問題。影響混凝土收縮的因素主要是骨料的數(shù)量和彈性模量，在骨料數(shù)量一定的情況下，混凝土的總收縮量(包括干縮和自收縮)的量不會(huì)因水灰比改變而有明顯的變化，但漿體的濃度(由水灰比體現(xiàn))變化會(huì)使干縮和自收縮的比例變化。40年前對(duì)測定混凝土自收縮還缺少辦法，所測出的收縮值顯然既有干縮也包括了自收縮，如果改變水灰比為漿骨比不變，則把無明顯變化總收縮值當(dāng)成了干縮，就會(huì)有水灰比“影響不大”的結(jié)論，而那些改變水灰比同時(shí)又改變了漿骨比的試驗(yàn)，則顯然會(huì)得出“影響較大”的結(jié)論。單位體積的膠凝材料用量(即漿骨比)對(duì)混凝土干縮有著顯著的影響這一點(diǎn)是確定的。MariaC.GarciJuenger等人認(rèn)為混凝土干縮的速率和程度可能還受C—S—H凝膠形貌的影響。凝膠數(shù)量也影響干縮，與傳統(tǒng)混凝土相比，HPC因其低水膠比使凝膠數(shù)量較少，所以干縮較小。2.2化學(xué)收縮水泥水化后，固相體積增加，但水泥－體系的絕對(duì)體積減小。所有的膠凝材料在水化后都有這個(gè)減縮作用，大部分硅酸鹽水泥在水化后體積總減少量為7%～9%。在硬化前，所增加的固相體積填充原來被水所占據(jù)的空間，使水泥密實(shí)，而宏觀體積減縮；在硬化后，則宏觀體積不變而水泥－水體積減縮后形成內(nèi)部孔隙。因此，這種化學(xué)減縮在硬化前不影響硬化混凝土的性質(zhì)?；瘜W(xué)減縮和水泥的組成有關(guān)?；瘜W(xué)收縮和水化程度成正比，HPC存在大量未水化水泥顆粒，盡管其單位體積膠凝材料用量較大，其化學(xué)收縮和普通混凝土相比仍然較小。但如摻用活性很高的礦物摻和料如硅灰或超細(xì)礦渣，則化學(xué)收縮會(huì)在一定范圍內(nèi)隨其摻量的增加而增加。2.3塑性收縮塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，是指塑性階段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而產(chǎn)生的收縮，多見于道路、地坪、樓板等大面積的工程，以夏季有風(fēng)的情況下施工最為普遍。混凝土在新拌的狀態(tài)下，拌和物中顆粒間充滿水，如果養(yǎng)護(hù)不足，表面失水速率超過內(nèi)部水向表面遷移的速率時(shí)，則會(huì)造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。塑性收縮常伴隨著不可見裂縫的發(fā)展。HPC的水灰比低，自由水分少，輔助膠凝材料對(duì)水有更高的敏感性，在上述工程中容易發(fā)生塑性收縮而引起的表面開裂。影響塑性收縮開裂的外部因素是風(fēng)速、環(huán)境溫度、凝結(jié)時(shí)間和相對(duì)濕度等，內(nèi)部因素是水灰比、輔助膠凝材料、漿集比、混凝土的溫度；延緩混凝土凝結(jié)速率等措施都能控制塑性收縮，最有效的方法是終凝前（開始常規(guī)養(yǎng)護(hù)）保持混凝土表面的濕潤，如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等。2.4溫度收縮溫度收縮主要是混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生的收縮。其大小與環(huán)境溫度、混凝土澆筑溫度、混凝土的熱膨脹系數(shù)、混凝土最高溫度和降溫速率有關(guān)。降低溫升、減小降溫速率、提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、使用熱膨脹系數(shù)低的集料(石灰?guī)r、輝長巖)，有利于減少冷縮和防止開裂。HPC中大量輔助膠凝材料的使用，使混凝土的絕熱溫升得到了有效降低(硅粉除外)。混凝土中溫度升高主要發(fā)生澆筑以后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。在相同的膠凝材料用量條件下，與純水泥混凝土比較，盡管硅粉混凝土總放熱量較低，但溫升卻較高，其原因是它早期放熱速度快。2.5碳化收縮空氣中含CO2約為0.04%，在相對(duì)濕度合適的條件下，CO2能和混凝土表面由于水泥水化生成的水化物很快地起反應(yīng)，稱為碳化，伴隨有體積收縮，稱為碳化收縮。碳化收縮是不可逆的。碳化收縮導(dǎo)致混凝土中Ca(OH)2含量的減少，從而引起水泥漿體中的堿度下降，繼而其他水化物也可發(fā)生碳化反應(yīng)，拌有水分的損失，也引起體積收縮，并且進(jìn)而可使C—S—H的鈣硅比減小。高性能由于混凝土有足夠的密實(shí)度，碳化就只限于表面層，很難向內(nèi)部進(jìn)行。而在表面層，干燥速率也是最大的。干縮和碳化收縮的疊加受到內(nèi)部混凝土的約束，可能會(huì)引起嚴(yán)重的開裂。碳化反應(yīng)伴隨的收縮是相對(duì)濕度的函數(shù)，無論是單純的碳化，還是由于干縮的同時(shí)發(fā)生的碳化，或者干燥及其后碳化產(chǎn)生的收縮，都在相對(duì)濕度45%～65%時(shí)最大，應(yīng)當(dāng)盡量避免。普通混凝土的碳化速度與水灰比近似成線性關(guān)系。摻入輔助膠凝材料部分代替水泥后，在相同的水灰比下，碳化速率增加，降低混凝土的水膠比，則可達(dá)到相近的碳化速率(見圖4)。但代替骨料，碳化速率反而下降。2.6自收縮自收縮是由于混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低進(jìn)而造成毛細(xì)孔中水分不飽和并由此產(chǎn)生的負(fù)壓引起的混凝土收縮?；炷磷允湛s是在混凝土與外界無水分交換的條件下發(fā)生的。低水灰比的HPC和HSC的自收縮比普通混凝土的自收縮大得多。HPC和高強(qiáng)混凝土(以下簡稱HSC)的水膠比很低，能提供水泥水化的自由水分少，近年來由于對(duì)早期強(qiáng)度片面的追求，混凝土趨向于使用低的水灰比，較高早期強(qiáng)度發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快。HPC和HSC由于自干燥產(chǎn)生的原始裂縫，影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。影響自收縮的因素主要有水膠比、水泥品種、輔助膠凝材料、集料、水泥細(xì)度、養(yǎng)護(hù)溫度、外加劑、試件尺寸等。水膠比越低，自收縮所占比例越大；HPC由于其低的水灰比和單位體積內(nèi)大的水泥用量所帶來的混凝土自收縮問題正越來越引起人們的關(guān)注。但在注意到這個(gè)問題之后，存在自收縮并不必然產(chǎn)生開裂。3膠凝材料對(duì)混凝土早期收縮的影響3.1水泥現(xiàn)代水泥的組成和細(xì)度發(fā)生了很大變化，這是建筑業(yè)需求的反映；現(xiàn)代混凝土是70年來采用水化趨快、用量趨大的水泥的最終產(chǎn)物。這種趨勢導(dǎo)致強(qiáng)度很高但也容易開裂的混凝土出現(xiàn)，造成今天115000多座橋面板的劣化。橋面板和停車庫是首先出現(xiàn)大量損壞的混凝土應(yīng)用場合，因其體積變化處于較大的約束下，又受到較劇烈的溫、濕度變化。這種混凝土強(qiáng)度較高、彈性模量大，缺乏松弛，因溫度收縮、自身收縮和干縮引起的自應(yīng)力的能力。HPC采用的水泥最好是強(qiáng)度高且同時(shí)具有良好的流變性能，并且和目前大量使用的超塑化劑有良好的相容性；但在我國目前技術(shù)水平下，通常采用提高C3A(雖然同時(shí)也適當(dāng)提高C3S含量)含量和較大比表面積的措施來提高水泥標(biāo)號(hào)，其后果必然造成水泥水化熱大、需水量大、水泥和高效減水劑相容性差、不易保存等問題。從而導(dǎo)致混凝土抗裂性能的降低。另外，高標(biāo)號(hào)水泥如果出廠后不盡快使用，強(qiáng)度損失往往比較大?，F(xiàn)在，國外有研究認(rèn)為，根據(jù)現(xiàn)有的混凝土施工技術(shù)水平，水泥顆粒細(xì)度對(duì)混凝土收縮有如下兩方面影響：一方面，根據(jù)方程可知由于水泥比表面積高，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低，從而產(chǎn)生更大的毛細(xì)孔壓應(yīng)力；因此導(dǎo)致較大的干縮以及自收縮；另一方面，由于混凝土自收縮和干縮和微結(jié)構(gòu)拉力區(qū)中水的數(shù)量成正比，而細(xì)的水泥產(chǎn)生更大的化學(xué)減縮和空的孔隙，充水孔隙將大為減少，從而減少混凝土的自收縮和干縮。式中：Vm——水的摩爾體積T——絕對(duì)溫度RH——混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度R——?dú)怏w常數(shù)另外，對(duì)于高性能混凝土，由于其水灰比一般<0.42，無論水泥細(xì)度如何，必然存在未水化的水泥顆粒，這時(shí)水泥細(xì)度如何影響高性能混凝土性能也是一個(gè)疑問。3.2輔助膠凝材料現(xiàn)在國外一般把摻和料也稱為輔助膠凝材料，所以這里把摻和料和膠凝材料放在一起。有人認(rèn)為，輔助膠凝材料大量使用，改善了混凝土的硬化行為和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也帶來早期體積穩(wěn)定性差，容易開裂等問題。實(shí)際上，不同的礦物摻和料對(duì)混凝土的行為的影響會(huì)有很大的差別，不能籠統(tǒng)地這樣下結(jié)論。此外，水泥和混凝土的研究者因針對(duì)了不同的對(duì)象(即選取了不同層次的體系)，會(huì)得出不同的結(jié)論。U.Guse和H.K.Hilsdorfr通過研究認(rèn)為，盡管在使用中，HPC表面出現(xiàn)裂縫時(shí)的荷載比普通混凝土的大2～3倍，但裂紋隨著水灰比的降低而增加。關(guān)于輔助膠凝材料對(duì)混凝土收縮開裂的影響，有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為：(1)摻4%～8%的硅粉使早期水化放熱增加15%，并且顯著增大開裂趨勢。(2)使用粉煤灰和石灰石水泥可減少開裂的趨勢。(3)摻50%礦渣的礦渣水泥的水化熱僅為硅酸鹽水泥水化熱的一半，但二者開裂溫度幾乎一樣。事實(shí)上，就目前所使用的輔助膠凝材料而言，如硅粉、磨細(xì)礦渣和粉煤灰等，對(duì)改善混凝土的性能，特別是提高混凝土的抗裂性、抗蝕性，以至全面提高混凝土的耐久性的確起到了重要的作用；但是，