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摘要：大量研究發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂均會(huì)對土木工程結(jié)構(gòu)的使用性能產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致更為嚴(yán)重的安全事故。本文筆者根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，試圖對混凝土早齡期性能與裂縫控制進(jìn)行研究討論，以期改善混凝土工程的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：混凝土；早期水化放熱；裂縫控制

引言

當(dāng)下，土木工程界對混凝土的使用頻度相當(dāng)高，而面對頻發(fā)的質(zhì)量安全事故，如何保障混凝土工程質(zhì)量逐漸受到社會(huì)的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土早齡期性能會(huì)對混凝固結(jié)構(gòu)的服役壽命、耐久性產(chǎn)生影響，而混凝土結(jié)構(gòu)早齡期性能并非穩(wěn)定不變，且會(huì)影響到混凝土結(jié)構(gòu)的開裂敏感性，因此難以準(zhǔn)確預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的早期裂縫，此乃結(jié)構(gòu)工程界的研究難題。據(jù)此研究背景，本文試圖從混凝土早齡期性能出發(fā)，淺析如何有效控制混凝土早期裂縫。

一、混凝土早齡期性能研究

混凝土早齡期性能的研究點(diǎn)主要集中在初期水化、電特性、早期水化放熱及收縮與徐變等。為此，本文僅就上述研究點(diǎn)進(jìn)行討論。

（一）混凝土初期水化與電特性

混凝土攪拌之初，外界環(huán)境、重力作用均會(huì)對混凝土的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其中骨料體積、水膠比會(huì)對混凝土初期性能產(chǎn)生決定性的影響。在此期間，水泥的水化作用會(huì)促使混凝土直接從液態(tài)材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泻奢d能力的剛性固體材料。對于混凝土的水化程度，主要采取測試電阻率法來進(jìn)行監(jiān)測。有研究人員分別對不同摻合料、不同水灰比的混凝土電參數(shù)及曲線變化規(guī)律進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：早齡期混凝土的強(qiáng)度、電阻率與時(shí)間之間的關(guān)系曲線非常相似，且彼此關(guān)聯(lián)?；炷恋乃M(jìn)程可采取直觀與量化的方法劃分成水泥水解Ⅰ、誘導(dǎo)期Ⅱ、凝結(jié)Ⅲ、硬化Ⅳ、硬化后期Ⅴ，并用曲線的0點(diǎn)、拐點(diǎn)、峰值點(diǎn)來表征水泥的水化全程，以準(zhǔn)確判定混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

（二）混凝土早期水化放熱

有研究人員通過對混凝土早期水化反應(yīng)建立單元立方體、微觀表達(dá)式及混凝土水化放熱模型來準(zhǔn)確描述混凝土的放熱行為。借鑒外國研究人員的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，利用水泥水化模型便可對水泥水化進(jìn)程進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測及對水泥早期水化的水化度進(jìn)行準(zhǔn)確分析，同時(shí)還能對混凝土微觀結(jié)構(gòu)與齡期之間的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行模擬，詳見圖1。

圖1

（三）混凝土早齡期收縮與徐變

混凝土收縮的種類有干燥收縮、塑性收縮、自收縮等?；炷猎缙谑湛s作為多種收縮行為的結(jié)果，且不同齡期同時(shí)存在多種相互影響的收縮行為，因此難以準(zhǔn)確劃分或區(qū)分出特定齡期的收縮類型。對此，有研究人員利用自制測量裝置對3種混凝土早期收縮與后期干燥進(jìn)行分析。研究表明，密封養(yǎng)護(hù)時(shí)，混凝土3d的變化呈先膨脹后收縮的趨勢，而混凝土出現(xiàn)微膨脹現(xiàn)場的成因有二：混凝土早期水化放熱引起體積膨脹；密封條件下，水泥的水化作用使混凝土表面泌水被混凝土再次吸收，從而引起體積膨脹。但在干燥條件下，摻入聚丙烯腈纖維混凝土能緩解早期收縮，而選用強(qiáng)度等級更高的水泥會(huì)加重后期收縮。此外，若養(yǎng)護(hù)條件相同，則不同混凝土最終的收縮值差距較小。

二、混凝土早齡期裂縫控制分析

（一）混凝土早期開裂機(jī)理概述

混凝土早期裂縫多由收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力比相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度高所致。彈性力學(xué)認(rèn)為，在完全約束的條件下，混凝土收縮應(yīng)變所產(chǎn)生的拉應(yīng)力等于收縮應(yīng)變與彈性模量的乘積，與收縮應(yīng)變反方向的力為抗拉強(qiáng)度，當(dāng)前者比后者大時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。在實(shí)際應(yīng)用中，混凝土收縮開裂的成因并非只有收縮應(yīng)變，比如混凝土的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、溫度等均會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生收縮裂縫。

（二）混凝土結(jié)構(gòu)開裂綜合分析

據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，非貫穿類表面裂縫占混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的60-70%，此類裂縫多由收縮應(yīng)力、溫度變形與約束力共同作用所致，且當(dāng)墻體或梁類結(jié)構(gòu)的壁厚≧500mm時(shí)，不均勻收縮、不均勻溫度分布便可能會(huì)產(chǎn)生明顯的約束應(yīng)力，從而使混凝土表面開裂。在約束力及收縮變形、溫度變形、徐變與約束度綜合作用下，混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的增量滿足下列函數(shù)式：

式中，——混凝土的泊松比；滿足下列函數(shù)式：

式中，——混凝土的熱膨脹系數(shù)；——第i時(shí)段增量之內(nèi)混凝土的溫度增量；——第i時(shí)段增量之內(nèi)混凝土的收縮應(yīng)變增量。

有研究人員提出采用混凝土結(jié)構(gòu)開裂分析法來對混凝土早期性能進(jìn)行綜合分析。研究表明，利用此方法可計(jì)算出C35復(fù)摻礦物摻合料混凝土在180d的理論拉應(yīng)變、極限拉應(yīng)變，詳見圖2。

圖2

根據(jù)圖2可知，混凝土的理論拉應(yīng)變曲線表現(xiàn)出“下降→上升→下降”的現(xiàn)象，即：混凝土初期的內(nèi)部溫度較高，導(dǎo)致其理論拉應(yīng)變降低；3-30d在干燥收縮的作用下，理論拉應(yīng)變逐漸上升；混凝土在30d之后受到徐變作用的影響，導(dǎo)致理論拉應(yīng)力及理論拉應(yīng)變均下降。此外，C35混凝土的極限拉應(yīng)變總是比理論拉應(yīng)變大，可見試驗(yàn)所用C35混凝土的抗裂性能較好。根據(jù)最大應(yīng)變法的原理可知，混凝土最容易開裂的時(shí)間點(diǎn)是30d，因此應(yīng)做好相應(yīng)的監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)工作，以免混凝土產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。

（三）混凝土早齡期裂縫控制方法

有研究人員指出，采用“優(yōu)化混凝土配合比+ 摻入礦物摻合料、聚丙烯纖維”的方法可有效控制混凝土工程早期開裂現(xiàn)象。另有研究人員提出，可采取下列辦法來控制混凝土早齡期開裂：1.混凝土澆筑結(jié)束之后馬上開展養(yǎng)護(hù)工作，即將塑料布、麻布等覆蓋物鋪在混凝土表面，以減緩混凝土水分的流失速度；2.將化學(xué)物質(zhì)噴灑在混凝土表面，以防水分流失；3.混凝土拆模之后繼續(xù)開展養(yǎng)護(hù)工作；4.增加混凝土作業(yè)環(huán)境的濕度，減緩混凝土表面自然風(fēng)的流速；5.高溫環(huán)境下，降低混凝土的溫度，以使水在混凝土表面冷凝；6.增加混凝土養(yǎng)護(hù)溫度，以縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間；7.規(guī)范超塑性減水劑的使用，選用粒徑大的水泥及C3S/C3A含量低的水泥；8.優(yōu)化骨料摻入比例，以控制骨料之間水泥漿的收縮。

除此之外，水灰（膠）比會(huì)影響到高性能混凝土膠凝材料體系的開裂敏感性，即膠凝材料體系抗裂性能與水膠比呈負(fù)相關(guān)，且當(dāng)水膠比相當(dāng)時(shí)，摻入粉煤灰可明顯改善膠凝材料體系的抗裂敏感性，但此改善效果受到粉煤灰摻量、水泥的組合類型及膠凝材料水膠比等的影響。由此可見，對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)按比例摻入粉煤灰可切實(shí)改善混凝土早齡期的抗裂性能。

三、結(jié)束語

混凝土早齡期開裂是多種因素共同作用的結(jié)果，比如彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、徐變、收縮及溫度等。對于此，利用動(dòng)態(tài)分析方法科準(zhǔn)確預(yù)測混凝土開裂的大致時(shí)間，從而為控制混凝土早齡期開裂提供可靠依據(jù)。此外，礦物摻合料會(huì)影響到混凝土早齡期的性能，因此在混凝土中摻入比例適當(dāng)?shù)姆勖夯业炔牧夏芮袑?shí)改變混凝土早齡期的抗裂性能。

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