对高性能混凝土的认识及混凝土开裂的问题

1前言高性能混凝土(以下简称HPC)是经过漫长时间的发展，总结传统混凝土耐久性存在的问题后提出来的，已经在很多重要的工程中成功得到了应用，并因其耐久性而将在今后逐步代替普通混凝土在建筑物中的使用。但是人们对高性能混凝土的涵义有很不相同的理解。尽管“高强不一定耐久”的观点已得到共识，但仍有相当多数认为高性能混凝土必须高强。然而，近年来有些国家的论文指出“高性能混凝土”的易裂性。例如在美国，科罗拉多的丹佛及其附近，有7座高强混凝土的桥梁在开裂。3座HPC示范桥：德克萨斯的Loretta和SanAngelo，以及丹佛的1－25/Yale大桥也已经开裂。我国也有人反应他们所用的“高性能混凝土”和目前所用传统概念的混凝土一样地开裂。看来，HPC的耐久性和抗裂性正面临着越来越多的质疑。开裂而不耐久的混凝土怎么能是“高性能”的呢?实际上，例如美国，其所认为的高性能混凝土，主要是高强和坍落度较大(为保证浇筑成型均匀、密实)的混凝土。在我国，对高性能混凝土的概念更加混乱。例如只要采用掺和料、大坍落度并且高强，就自称为高性能混凝土一类的文章很多。我国著名混凝土科学家吴中伟院士将HPC定义为：在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作、以耐久性为设计指标的新型高技术混凝土。并认为高性能混凝土适用于任何强度等级的混凝土。提出HPC内部结构具有以下特点：(1)孔隙率很低，基本上不存在100nm的大孔；(2)水化物中Ca(OH)2减少，C－S－H和AFt增多；(3)未水化的颗粒多，未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质增多；(4)界面厚度小，孔隙率低、Ca(OH)2数量减少，且取向程度下降，水化物结晶颗粒尺寸减少，更接近水泥石本体水化的分布。具有这样微结构的混凝土，必然会有密实度大、干燥收缩小、抗化学腐蚀性强等性质。ACI在1998年又公布了他们新近关于高性能混凝土的定义：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，采用传统的原材料和一般的拌和、浇筑与养护方法，往往不能大量地生产出这种混凝土。所指特性为：易于浇筑、振捣不离析、早强、长期力学性能、抗渗性、密实性、水化温升、韧性、体积稳定性、恶劣环境下的较长寿命”。日本最近把过去他们称之为高性能混凝土的高流动性混凝土和自密实混凝土改称为高质量混凝土(HighQualityconcrete，缩写HQC)。这都说明，高性能混凝土不是一个混凝土的品种，而是一种对混凝土性能或质量的要求和保证。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。本文主要分析收缩引起的混凝土的早期开裂行为，以及传统混凝土和高性能混凝土对早期开裂的敏感性。2混凝土的收缩2.1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。影响混凝土干燥收缩的主要因素是：骨料、水灰比、单位水泥浆体含量。对于水灰比，40多年前，Pickett用可能较粗的水泥且没有任何减水剂的条件下，制作水灰比0.35和0.50的水泥和砂浆大试件(19.0mm×25.4mm截面)进行的试验，认为水灰比对混凝土的干燥收缩有较大的影响；其他一些在水灰比略大(0.40～0.60波动)条件下进行研究的学者也持相同观点。而最近BenotBissonnette等人通过研究提出，水灰比在0.35到0.50间变化对混凝土的干缩影响不大。有研究认为由于水灰比对毛细孔的数量和水泥浆体的微结构具有很大影响，而微结构又显著地影响混凝土的干缩，从而水灰比可能间接地影响混凝土干缩。水灰比唯一明确的影响在于与限制未水化水泥颗粒体积的计算相联系，并且依据水泥浆体实际收缩测试预测干缩。之所以产生这样一些相矛盾的观点，是因为测试方法的问题。影响混凝土收缩的因素主要是骨料的数量和弹性模量，在骨料数量一定的情况下，混凝土的总收缩量(包括干缩和自收缩)的量不会因水灰比改变而有明显的变化，但浆体的浓度(由水灰比体现)变化会使干缩和自收缩的比例变化。40年前对测定混凝土自收缩还缺少办法，所测出的收缩值显然既有干缩也包括了自收缩，如果改变水灰比为浆骨比不变，则把无明显变化总收缩值当成了干缩，就会有水灰比“影响不大”的结论，而那些改变水灰比同时又改变了浆骨比的试验，则显然会得出“影响较大”的结论。单位体积的胶凝材料用量(即浆骨比)对混凝土干缩有着显著的影响这一点是确定的。MariaC.GarciJuenger等人认为混凝土干缩的速率和程度可能还受C—S—H凝胶形貌的影响。凝胶数量也影响干缩，与传统混凝土相比，HPC因其低水胶比使凝胶数量较少，所以干缩较小。2.2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。2.3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。2.4温度收缩温度收缩主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。其大小与环境温度、混凝土浇筑温度、混凝土的热膨胀系数、混凝土最高温度和降温速率有关。降低温升、减小降温速率、提高混凝土的抗拉强度、使用热膨胀系数低的集料(石灰岩、辉长岩)，有利于减少冷缩和防止开裂。HPC中大量辅助胶凝材料的使用，使混凝土的绝热温升得到了有效降低(硅粉除外)。混凝土中温度升高主要发生浇筑以后几个小时内。在相同的胶凝材料用量条件下，与纯水泥混凝土比较，尽管硅粉混凝土总放热量较低，但温升却较高，其原因是它早期放热速度快。2.5碳化收缩空气中含CO2约为0.04%，在相对湿度合适的条件下，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应，称为碳化，伴随有体积收缩，称为碳化收缩。碳化收缩是不可逆的。碳化收缩导致混凝土中Ca(OH)2含量的减少，从而引起水泥浆体中的碱度下降，继而其他水化物也可发生碳化反应，拌有水分的损失，也引起体积收缩，并且进而可使C—S—H的钙硅比减小。高性能由于混凝土有足够的密实度，碳化就只限于表面层，很难向内部进行。而在表面层，干燥速率也是最大的。干缩和碳化收缩的叠加受到内部混凝土的约束，可能会引起严重的开裂。碳化反应伴随的收缩是相对湿度的函数，无论是单纯的碳化，还是由于干缩的同时发生的碳化，或者干燥及其后碳化产生的收缩，都在相对湿度45%～65%时最大，应当尽量避免。普通混凝土的碳化速度与水灰比近似成线性关系。掺入辅助胶凝材料部分代替水泥后，在相同的水灰比下，碳化速率增加，降低混凝土的水胶比，则可达到相近的碳化速率(见图4)。但代替骨料，碳化速率反而下降。2.6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。影响自收缩的因素主要有水胶比、水泥品种、辅助胶凝材料、集料、水泥细度、养护温度、外加剂、试件尺寸等。水胶比越低，自收缩所占比例越大；HPC由于其低的水灰比和单位体积内大的水泥用量所带来的混凝土自收缩问题正越来越引起人们的关注。但在注意到这个问题之后，存在自收缩并不必然产生开裂。3胶凝材料对混凝土早期收缩的影响3.1水泥现代水泥的组成和细度发生了很大变化，这是建筑业需求的反映；现代混凝土是70年来采用水化趋快、用量趋大的水泥的最终产物。这种趋势导致强度很高但也容易开裂的混凝土出现，造成今天115000多座桥面板的劣化。桥面板和停车库是首先出现大量损坏的混凝土应用场合，因其体积变化处于较大的约束下，又受到较剧烈的温、湿度变化。这种混凝土强度较高、弹性模量大，缺乏松弛，因温度收缩、自身收缩和干缩引起的自应力的能力。HPC采用的水泥最好是强度高且同时具有良好的流变性能，并且和目前大量使用的超塑化剂有良好的相容性；但在我国目前技术水平下，通常采用提高C3A(虽然同时也适当提高C3S含量)含量和较大比表面积的措施来提高水泥标号，其后果必然造成水泥水化热大、需水量大、水泥和高效减水剂相容性差、不易保存等问题。从而导致混凝土抗裂性能的降低。另外，高标号水泥如果出厂后不尽快使用，强度损失往往比较大。现在，国外有研究认为，根据现有的混凝土施工技术水平，水泥颗粒细度对混凝土收缩有如下两方面影响：一方面，根据方程可知由于水泥比表面积高，导致混凝土内部相对湿度降低，从而产生更大的毛细孔压应力；因此导致较大的干缩以及自收缩；另一方面，由于混凝土自收缩和干缩和微结构拉力区中水的数量成正比，而细的水泥产生更大的化学减缩和空的孔隙，充水孔隙将大为减少，从而减少混凝土的自收缩和干缩。式中：Vm——水的摩尔体积T——绝对温度RH——混凝土内部相对湿度R——气体常数另外，对于高性能混凝土，由于其水灰比一般0.42，无论水泥细度如何，必然存在未水化的水泥颗粒，这时水泥细度如何影响高性能混凝土性能也是一个疑问。3.2辅助胶凝材料现在国外一般把掺和料也称为辅助胶凝材料，所以这里把掺和料和胶凝材料放在一起。有人认为，辅助胶凝材料大量使用，改善了混凝土的硬化行为和内部结构，同时也带来早期体积稳定性差，容易开裂等问题。实际上，不同的矿物掺和料对混凝土的行为的影响会有很大的差别，不能笼统地这样下结论。此外，水泥和混凝