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高性能混凝土开裂问题研究

　　非荷载引起的混凝土开裂,主要是混凝土在约束条件下的收缩或局部的膨胀变形在内部产生应力超过抗力而造成的。早期的混凝土抗拉强度低,较大的变形受到约束时容易引起开裂,这取决于混凝土自身组成材料、配合比以及其所处环境和约束条件。下文主要分析收缩引起的混凝土的早期开裂问题。

　　3.1干燥收缩

　　干燥收缩是指混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩,它不同于干湿交替引起的可逆收缩。随着环境中相对湿度的降低,水泥浆体的干缩增大。在大多数土木工程中,混凝土不会连续暴露在使水泥浆体中C—S—H失去结构水的相对湿度下,故引起收缩的主要原因是失去毛细孔和凝胶孔的吸附水。计算完全干燥的纯水泥浆体收缩量为10000×10-6;LeeFM实测数值达4000×10-6。混凝土的干缩是由表面逐步扩展到内部的,在混凝土中呈现湿度梯度,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,致使表面混凝土承受拉力内部混凝土承受压力;当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时,混凝土便产生裂缝。另外,水泥石也会由于集料的限制作用而出现裂纹。在约束条件下,混凝土收缩时,混凝土中产生拉应力,如果该拉应力大于其最大抗拉强度时,便产生裂缝。这种现象在混凝土刚拆模后表现尤为明显,这时混凝土的强度很低,干缩却非常大,同时由于混凝土拆模后和空气接触使周围空气温度上升,由此导致周围空气的湿度降低,进一步加大了混凝土干缩。

　　3.2化学收缩

　　水泥水化后,固相体积增加,但水泥体系的绝对体积减小。所有的胶凝材料在水化后都有这个减缩作用,大部分硅酸盐水泥在水化后体积总减少量为7%～9%。在硬化前,所增加的固相体积填充原来被水所占据的空间,使水泥密实,而宏观体积减缩;在硬化后,则宏观体积不变而水泥——水体积减缩后形成内部孔隙。因此,这种化学减缩在硬化前不影响硬化混凝土的性质。化学减缩和水泥的组成有关。化学收缩和水化程度成正比,HPC存在大量未水化水泥颗粒,尽管其单位体积胶凝材料用量较大,其化学收缩和普通混凝土相比仍然较小。但如掺用活性很高的矿物掺和料如硅灰或超细矿渣,则化学收缩会在一定范围内随其掺量的增加而增加。

　　3.3塑性收缩

　　塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段,是指塑性阶段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而产生的收缩,多见于道路、地坪、楼板等大面积的工程,以夏季有风的情况下施工最为普遍。混凝土在新拌的状态下,拌和物中颗粒间充满水,如果养护不足,表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时,则会造成毛细管中产生负压,使浆体产生塑性收缩。塑性收缩常伴随着不可见裂缝的发展。

　　HPC的水灰比低,自由水分少,辅助胶凝材料对水有更高的敏感性,在上述工程中容易发生塑性收缩而引起的表面开裂。影响塑性收缩开裂的外部因素是风速、环境温度、凝结时间和相对湿度等,内部因素是水灰比、辅助胶凝材料、浆集比、混凝土的温度;延缓混凝土凝结速率等措施都能控制塑性收缩,最有效的方法是终凝前(开始常规养护)保持混凝土表面的湿润,如在表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等。

　　3.4自收缩

　　自收缩是由于混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低进而造成毛细孔中水分不饱和并由此产生的负压引起的混凝土收缩。混凝土自收缩是在混凝土与外界无水分交换的条件下发生的。低水灰比的HPC和HSC的自收缩比普通混凝土的自收缩大得多。HPC和高强混凝土(以下简称HSC)的水胶比很低,能提供水泥水化的自由水分少,近年来由于对早期强度片面的追求,混凝土趋向于使用低的水灰比,较高早期强度发展率会使自由水消耗较快。HPC和HSC由于自干燥产生的原始裂缝,影响混凝土的强度和耐久性。