第3章　常态混凝土防裂技术

3.1　概述

贵阳院在20世纪80年代开展了大坝常态混凝土防裂技术的系统研究，并取得了丰硕的成果。依托贵州省乌江流域东风水电站开展的“高混凝土拱坝防裂技术研究”被列入国家“七五”科技攻关项目，“高混凝土拱坝防裂技术及其在东风工程中的应用”科技成果荣获1992年度国家科技进步二等奖；依托贵州省乌江流域洪家渡水电站开展的“峡谷地区高混凝土面板堆石坝关键技术应用研究”科技成果荣获2005年度中国电力科学技术二等奖、2007年度国家科技进步二等奖；“一种高性能面板混凝土及其制备方法”获国家发明专利授权（ZL200710201930.3），为贵阳院获国家授权的首件发明专利；另外，依托防裂技术研究开展了断裂评价方法的试验探索，并参编电力行业标准《水工混凝土断裂试验规程》（DL/T 5332—2005）。

混凝土是当今工程中用量最大的建筑材料，随着混凝土科学研究的不断进步，尤其是各种化学外加剂和矿物掺合料的广泛应用，使得混凝土的性能得到了极大提高。但是，不论是普通混凝土，还是高性能混凝土，混凝土的开裂始终是困扰工程界的一大难题。裂缝一旦产生，一方面，降低混凝土结构的承载力；另一方面，大大加速各种侵蚀介质进入混凝土内部，最终导致混凝土开裂破坏，极大降低了混凝土结构的耐久性。现代混凝土研究证实：在尚未受荷的混凝土中存在着肉眼看不见的微观裂缝，据此并考虑混凝土的实际结构，建立了混凝土的合理构造模型，如骨料和水泥石组成的“层构模型”“壳核模型”和“组合盘体模型”，并通过弹性模型理论计算，从理论上证明变形约束应力可以引起微裂缝。

图3.1-1所示为混凝土的微裂缝。微裂缝主要有3种：①黏着裂缝，是指骨料与水泥石的黏结面上的裂缝，主要沿骨料周围出现；②水泥石裂缝，是指水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间；③骨料裂缝，是指骨料本身的裂缝。在这3种裂缝中，前两种较多，骨料裂缝较少。混凝土的微裂缝主要是指黏着裂缝和水泥石裂缝。混凝土中微裂缝的存在，对于混凝土的基本物理力学性质：如弹塑性、徐变、强度、变形、泊松比、结构刚度等有重要的影响。

因为微裂缝的分布是不规则的，沿截面是非贯穿的，所以具有微裂缝的混凝土可以承受一定拉力。但是，在结构的某些受拉力较大的薄弱环节，微裂缝在拉力作用下很容易扩展到整个截面，从而较早地导致断裂。另一方面，混凝土材料的非均匀性使混凝土对抗拉甚为敏感，即抗拉强度的离散程度远较抗压强度大。实际工程结构的裂缝，绝大多数由于抗拉强度和抗拉变形不足而引起。在混凝土微裂缝扩展串联之前，混凝土截面有良好的抗剪能力，即使微裂缝扩展并串联横贯全截面，仍可靠摩擦力及交错面的咬合而维持工作。但进一步扩展将会使混凝土失去抗剪能力，这时欲维持其继续工作必须依靠配置钢筋。实际上混凝土结构纯剪破坏是很少的，而剪拉破坏则是常见的。

微裂缝的原因可按混凝土的构造理论加以解释，即认为混凝土为集料、水泥石、气体、水分等组成的非均质材料。混凝土水化和硬化的同时，产生不均匀的体积变形：水泥石收缩较大，集料收缩小；水泥石的热膨胀系数大，集料较小。它们之间的非自由变形产生了相互约束应力。按照构造理论简单的计算模型，假定圆形集料不变形且均匀地分布于均质弹性水泥石中，水泥石产生收缩变形引起内应力就会导致黏着微裂缝出现。

混凝土微裂缝是肉眼不可见的。肉眼可见裂缝范围一般以0.05mm为界，大于或等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝，宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般工业及民用建筑中，宽度小于0.05mm的裂缝对使用功能不影响，因此可以假定小于0.05mm裂缝的结构为无裂缝结构。总的来说，混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，裂缝控制的目的就是将混凝土控制在无大于0.05mm裂缝的状态。近代混凝土亚微观结构的研究也充分证明了微裂缝的存在是材料本身固有的物理性质。

如何提高混凝土结构的抗裂能力，是亟须解决的问题之一。裂缝是混凝土结构中容易产生且难以防止的一种病害现象。其类型众多，形成的因素复杂，尤其是在温差较大的季节和地区，很容易使混凝土结构产生裂缝。混凝土裂缝主要有塑性收缩裂缝、自收缩裂缝、干燥收缩裂缝、温度收缩裂缝、沉降裂缝、冻胀裂缝、施工裂缝等。有统计资料表明，由外部荷载引起的裂缝约占20%，而由收缩变形荷载引起的裂缝约占80%，以研究和解决由收缩变形荷载引起的裂缝问题是解决混凝土开裂的主要手段。抑制混凝土收缩开裂的途径主要有两类：一是减少收缩，如减少水泥用量降低水化热温升从而降低温度收缩或使用膨胀剂来补偿收缩；二是提高混凝土的极限拉伸值，从而提高混凝土的抗裂能力，如在混凝土中掺入纤维或各种外加剂等。

3.1.1　裂缝产生的原因

1.化学收缩

化学收缩又称水化收缩。硅酸盐水泥与水发生反应，会产生明显的体积变化，这种由水泥水化和凝结硬化而产生的自身体积缩减，称为化学收缩。其收缩值随混凝土龄期的增加而增大，大致与时间的对数成正比，早期收缩大，后期收缩小。收缩量与水泥用量和水泥品种有关，水泥用量越大，化学收缩值越大。初凝以前化学收缩表现为宏观的体积缩减，初凝以后则表现为内部孔隙和自收缩。严吴南教授等人沿用了英国Gessner的方法，研究了不同品种水泥及不同硅灰取代量的水泥净浆的化学缩减。具体方法为把胶凝材料和水装入长颈玻璃瓶中，置于恒温恒湿（20℃，相对湿度60%）条件下，按预定水化龄期测读玻璃瓶中的流体高度，获得体积缩减值，即水泥浆体的化学收缩。

2.塑性收缩

混凝土塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段，即在终凝前比较明显。塑性收缩是造成早期裂缝的重要原因之一，当混凝土中的水分蒸发速度超过其泌水速度时，新拌混凝土迅速干燥。如果近表面的混凝土已经稠硬，不能流动，但其强度又不足以抵抗因收缩受到限制所引起的应力时，就会产生开裂。其产生的裂缝一般杂乱、细小，并布满整个表面。目前已经有许多学者对塑性收缩产生裂缝的情况进行了试验研究，总体上可以认为塑性收缩的过程受自身的性质和环境因素的影响。塑性收缩最早的测试方法是机械仪表（千分表）法，目前通常用平板法测量，平板法试验方法操作比较简单，能迅速有效地研究混凝土的塑性变形，但是它也存在缺陷和不足，即只能部分不均匀地约束混凝土的塑性收缩变形。因此研究一种测量准确且易于操作的塑性收缩试验方法对混凝土的收缩研究具有重要意义。

3.自收缩

自收缩主要是由自干燥作用引起的宏观体积收缩，一般在初凝以后开始产生，随着水化的进行，毛细孔中的水逐渐减少，形成弯月面，引起毛细压力，导致收缩。混凝土自收缩的原因主要有2个，即低的水胶比和掺加较大量的活性细掺合料。自收缩裂缝也是早期裂缝之一，以前人们通常忽略自收缩引起的变形，但是现在随着越来越多的使用高强混凝土，水胶比越来越低，自收缩引起的变形也越来越大。有文献指出，当W/C＞0.4时，可不考虑自收缩，但当W/C＜0.3时，自收缩很大，几乎占总收缩的一半。自收缩的测量，目前尚无统一的标准可依，各国的研究者根据实际条件采用不同的研究方法。所选取的基准长度有的是从初凝（或终凝）时开始测量，而国内大多数研究者是从混凝土成型后1d时开始测量。但是养护1d后测量初长会忽略水泥浆体早期很大一部分的自收缩，因此有人研究了用波纹管法测量自收缩，该法在初凝后10min开始测初长，能直接反映自收缩的早期变化。

4.干燥收缩

干燥收缩指的是混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔水、凝胶水及吸附水而发生的长度或体积的减少，是一种不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。干燥收缩主要是由于半径小于100nm的毛细孔失去水分而产生毛细孔压力产生的收缩。影响干燥收缩的主要因素有：水灰比、骨料、构件的尺寸以及外部的温湿度环境等。对于普通混凝土，由于水灰比比较高，混凝土初凝后内部还有大量的水分，当环境相对湿度低于100%时，内部水分就会向周围环境散发而引起混凝土的收缩。一直以来，国内外对干燥收缩的研究比较多，对于一般强度的混凝土水灰比都大于0.45，一般认为，混凝土的水灰比越高，干燥收缩就会越大，因为这意味着会有更多的自由水。但对于高性能混凝土，水灰比很小，随着水泥水化反应不断进行，可蒸发水量减少，从而在一定程度上抑制了干燥收缩的发展，而且高性能混凝土比普通混凝土更致密，这在一定程度上也减少了干燥收缩所占的比例。

5.温度收缩

温度收缩又称冷缩。主要是指混凝土内部温度由于水泥水化反应而升高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。其大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。混凝土硬化初期，水泥水化释放出热量，致使混凝土中心温度高，表面温度低，内外形成温度梯度，造成温度变形和温度应力，内部膨胀和外部收缩相互制约，在外表混凝土中将产生很大拉应力导致混凝土出现裂缝。混凝土的温度收缩是产生早期裂缝的主要原因，采取措施降低水泥水化热，控制混凝土温度变形，是保证早期不产生裂缝的关键所在。混凝土的温度膨胀系数大约为10×10-6m/（m·℃），即温度每升高或降低1℃，长1m的混凝土将产生0.01mm的膨胀或收缩变形。如纵长100m的混凝土，温度升高或降低30℃，则将产生30mm的膨胀或收缩量，在完全约束条件下，混凝土内部将产生7.5MPa的拉应力，足以导致混凝土开裂。

3.1.2　防裂措施

混凝土在各种不同情况下的开裂有着多方面的原因，并且通常是多方面共同作用的结果。目前，工程界在防止和控制裂缝方面主要从材料、温控、施工方法与工艺、养护等方面考虑，常用控制裂缝的措施如下。

1.防裂混凝土配合比设计

混凝土内部的温度上升是由于水泥水化反应释放热量造成的，由于混凝土的导热性差，使得热量蓄积。因此，在防裂混凝土配合比设计时可以从以下几个方面入手控制混凝土内部的温度上升：

（1）选用中低热水泥。

（2）降低水泥用量。经验认为，单方混凝土水泥用量每减少10kg，混凝土温升值就会降低1℃。根据不同部位温度场的实际计算结果也可以看出：水化热温升与水泥用量确实具有一定的线性关系，降低水泥用量可以作为控制温度应力的另一种主要手段，且越是厚大体积混凝土其效果越明显。

（3）采用掺加粉煤灰和减水剂来降低水泥用量。

1）掺加粉煤灰。粉煤灰作为胶凝材料，采用内掺法可以取代部分水泥，显著降低水泥用量。虽然粉煤灰作为活性材料也释放水化热，但水化热较低，且升温历时长，最终能起到降低水化热温升和削减温升峰值的作用。

2）使用高性能减水剂，降低水灰比，以达到减少水泥用量，降低水化热的目的，并考虑适当的缓凝。膨胀剂可以产生预压应力，补偿混凝土的自生收缩；优化混凝土配合比，在满足施工性能的情况下尽可能采用大级配骨料及更低的坍落度，以减少混凝土胶凝材料的用量。添加聚丙烯纤维，依靠纤维与水泥浆之间的界面黏结力、机械齿合力等，提高混凝土的极限拉伸值，增强混凝土的抗裂能力。

2.选择合理的结构型式

经验表明，结构型式对温度应力及裂缝的出现具有重要影响。在设计阶段应该充分重视结构型式，如在寒冷地区，应尽量少用容易出现裂缝的薄壁结构；应充分重视宽缝重力坝比实体重力坝暴露面积大、易出现裂缝的特点；应尽量选用能避免或减缓应力集中的结构型式等。

3.温度控制

首先要降低混凝土的入仓温度，通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大浇筑强度、仓面保冷等办法减少浇筑过程中的温度回升；其次要降低内外温差，可以在混凝土内部埋设冷却水管，用地下水或人工冷却水进行人工导热，对于外部混凝土要进行隔热保护以调节表面温度下降的速度，达到降低温度梯度的目的。

4.施工方法和工艺

提高混凝土施工质量，在混凝土浇筑进度安排上，尽量做到薄层、短间隙（5～10d）、均匀上升、分层浇筑，避免突击浇筑后长期停歇；避免相邻坝块间过大的高差及侧面的长期暴露；尤其应该避免薄块、长间隙。尽量利用低温季节浇筑基础部分混凝土，或者设置后浇带，分段浇筑完成后，在后浇带中浇筑膨胀型混凝土，起到缓冲作用。

5.养护

当温度高的时候，混凝土水化反应快，强度发展迅速，导致变形速度也快；空气湿度小时，水分蒸发快，变形速度也快。对混凝土进行养护是为了减慢其变形速度。早期养护可以在模板未拆时，尽可能减小环境风速；拆模后浇水养护，保证混凝土表面湿润；模板起隔热和保湿的作用，可推迟拆除；拆模后立即在混凝土表面涂防裂剂，也能起到保湿效果。