對高性能混凝土的認識及混凝土開裂的問題

1前言高性能混凝土(以下簡稱HPC)是經過漫長時間的發(fā)展，總結傳統混凝土耐久性存在的問題后提出來的，已經在很多重要的工程中成功得到了應用，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。但是人們對高性能混凝土的涵義有很不相同的理解。盡管“高強不一定耐久”的觀點已得到共識，但仍有相當多數認為高性能混凝土必須高強。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大橋也已經開裂。我國也有人反應他們所用的“高性能混凝土”和目前所用傳統概念的混凝土一樣地開裂?？磥恚琀PC的耐久性和抗裂性正面臨著越來越多的質疑。開裂而不耐久的混凝土怎么能是“高性能”的呢?實際上，例如美國，其所認為的高性能混凝土，主要是高強和坍落度較大(為保證澆筑成型均勻、密實)的混凝土。在我國，對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，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上采用現代混凝土技術制作、以耐久性為設計指標的新型高技術混凝土。并認為高性能混凝土適用于任何強度等級的混凝土。提出HPC內部結構具有以下特點：(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摻料等各級中心質增多；(4)界面厚度小，孔隙率低、Ca(OH)2數量減少，且取向程度下降，水化物結晶顆粒尺寸減少，更接近水泥石本體水化的分布。具有這樣微結構的混凝土，必然會有密實度大、干燥收縮小、抗化學腐蝕性強等性質。ACI在1998年又公布了他們新近關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性要求的混凝土，采用傳統的原材料和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護方法，往往不能大量地生產出這種混凝土。所指特性為：易于澆筑、振搗不離析、早強、長期力學性能、抗?jié)B性、密實性、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性混凝土和自密實混凝土改稱為高質量混凝土(HighQualityconcrete，縮寫HQC)。這都說明，高性能混凝土不是一個混凝土的品種，而是一種對混凝土性能或質量的要求和保證。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部產生應力超過抗力而造成的。早期的混凝土抗拉強度低，較大的變形受到約束時容易引起開裂，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，以及傳統混凝土和高性能混凝土對早期開裂的敏感性。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)護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細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)境中相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。在大多數土木工程中，混凝土不會連續(xù)暴露在使水泥漿體中C—S—H失去結構水的相對濕度下，故引起收縮的主要是失去毛細孔和凝膠孔的吸附水。計算完全干燥的純水泥漿體收縮量為10000×10－6；LeeFM實測數值達4000×10－6?；炷恋母煽s是由表面逐步擴展到內部的，在混凝土中呈現濕度梯度，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，致使表面混凝土承受拉力內部混凝土承受壓力；當表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強度時，混凝土便產生裂縫。另外，水泥石也會由于集料的限制作用而出現裂紋。在約束條件下，混凝土收縮時，混凝土中產生拉應力，如果該拉應力大于其最大抗拉強度時，便產生裂縫。這種現象在混凝土剛拆模后表現尤為明顯，這時混凝土的強度很低，干縮卻非常大，同時由于混凝土拆模后和空氣接觸使周圍空氣溫度上升，由此導致周圍空氣的濕度降低，進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)進行的試驗，認為水灰比對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)條件下進行研究的學者也持相同觀點。而最近BenotBissonnette等人通過研究提出，水灰比在0.35到0.50間變化對混凝土的干縮影響不大。有研究認為由于水灰比對毛細孔的數量和水泥漿體的微結構具有很大影響，而微結構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算相聯系，并且依據水泥漿體實際收縮測試預測干縮。之所以產生這樣一些相矛盾的觀點，是因為測試方法的問題。影響混凝土收縮的因素主要是骨料的數量和彈性模量，在骨料數量一定的情況下，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)變化會使干縮和自收縮的比例變化。40年前對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成了干縮，就會有水灰比“影響不大”的結論，而那些改變水灰比同時又改變了漿骨比的試驗，則顯然會得出“影響較大”的結論。單位體積的膠凝材料用量(即漿骨比)對混凝土干縮有著顯著的影響這一點是確定的。MariaC.GarciJuenger等人認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。凝膠數量也影響干縮，與傳統混凝土相比，HPC因其低水膠比使凝膠數量較少，所以干縮較小。2.2化學收縮水泥水化后，固相體積增加，但水泥－體系的絕對體積減小。所有的膠凝材料在水化后都有這個減縮作用，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的空間，使水泥密實，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部孔隙。因此，這種化學減縮在硬化前不影響硬化混凝土的性質。化學減縮和水泥的組成有關。化學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礦渣，則化學收縮會在一定范圍內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，以夏季有風的情況下施工最為普遍?；炷猎谛掳璧臓顟B(tài)下，拌和物中顆粒間充滿水，如果養(yǎng)護不足，表面失水速率超過內部水向表面遷移的速率時，則會造成毛細管中產生負壓，使?jié){體產生塑性收縮。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速、環(huán)境溫度、凝結時間和相對濕度等，內部因素是水灰比、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）保持混凝土表面的濕潤，如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養(yǎng)護劑等。2.4溫度收縮溫度收縮主要是混凝土內部溫度由于水泥水化而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時產生的收縮。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、混凝土最高溫度和降溫速率有關。降低溫升、減小降溫速率、提高混凝土的抗拉強度、使用熱膨脹系數低的集料(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)?；炷林袦囟壬咧饕l(fā)生澆筑以后幾個小時內。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，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，拌有水分的損失，也引起體積收縮，并且進而可使C—S—H的鈣硅比減小。高性能由于混凝土有足夠的密實度，碳化就只限于表面層，很難向內部進行。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部混凝土的約束，可能會引起嚴重的開裂。碳化反應伴隨的收縮是相對濕度的函數，無論是單純的碳化，還是由于干縮的同時發(fā)生的碳化，或者干燥及其后碳化產生的收縮，都在相對濕度45%～65%時最大，應當盡量避免。普通混凝土的碳化速度與水灰比近似成線性關系。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部相對濕度隨水泥水化的進展而降低進而造成毛細孔中水分不飽和并由此產生的負壓引起的混凝土收縮。混凝土自收縮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，近年來由于對早期強度片面的追求，混凝土趨向于使用低的水灰比，較高早期強度發(fā)展率會使自由水消耗較快。HPC和HSC由于自干燥產生的原始裂縫，影響混凝土的強度和耐久性。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、水泥細度、養(yǎng)護溫度、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注。但在注意到這個問題之后，存在自收縮并不必然產生開裂。3膠凝材料對混凝土早期收縮的影響3.1水泥現代水泥的組成和細度發(fā)生了很大變化，這是建筑業(yè)需求的反映；現代混凝土是70年來采用水化趨快、用量趨大的水泥的最終產物。這種趨勢導致強度很高但也容易開裂的混凝土出現，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大量損壞的混凝土應用場合，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力的能力。HPC采用的水泥最好是強度高且同時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；但在我國目前技術水平下，通常采用提高C3A(雖然同時也適當提高C3S含量)含量和較大比表面積的措施來提高水泥標號，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。從而導致混凝土抗裂性能的降低。另外，高標號水泥如果出廠后不盡快使用，強度損失往往比較大?，F在，國外有研究認為，根據現有的混凝土施工技術水平，水泥顆粒細度對混凝土收縮有如下兩方面影響：一方面，根據方程可知由于水泥比表面積高，導致混凝土內部相對濕度降低，從而產生更大的毛細孔壓應力；因此導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構拉力區(qū)中水的數量成正比，而細的水泥產生更大的化學減縮和空的孔隙，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——絕對溫度RH——混凝土內部相對濕度R——氣體常數另外，對于高性能混凝土，由于其水灰比一般<0.42，無論水泥細度如何，必然存在未水化的水泥顆粒，這時水泥細度如何影響高性能混凝土性能也是一個疑問。3.2輔助膠凝材料現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。有人認為，輔助膠凝材料大量使用，改善了混凝土的硬化行為和內部結構，同時也帶來早期體積穩(wěn)定性差，容易開裂等問題。實際上，不同的礦物摻和料對混凝土的行為的影響會有很大的差別，不能籠統地這樣下結論。此外，水泥和混凝土的研究者因針對了不同的對象(即選取了不同層次的體系)，會得出不同的結論。U.Guse和H.K.Hilsdorfr通過研究認為，盡管在使用中，HPC表面出現裂縫時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。關于輔助膠凝材料對混凝土收縮開裂的影響，有關文獻認為：(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。事實上，就目前所使用的輔助膠凝材料而言，如硅粉、磨細礦渣和粉煤灰等，對改善混凝土的性能，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，