O引言隨著現代混凝土工程技術的不斷提高，不可避免地暴露出了一些問題，如有些大壩、橋面板在澆筑后2～3天內就出現了貫穿性裂縫，許多現澆梁、板在剛拆除模板甚至澆筑后6～12小時內就出現了不同程度的裂縫，這些現象很大程度上是由于現代混凝土早期過大的收縮造成的。早期裂縫在很大程度上將成為后期宏觀裂縫的源頭，危害結構耐久性甚至安全性。近年來，針對混凝土早期收縮裂縫開展了大量研究，分別從設計、材料、施工和管理各方面提出很多措施，如增設構造措施、摻膨脹劑和纖維等等，但裂縫問題并沒有從根本上得到有效遏制。因此，迄今關于混凝土早期收縮裂縫仍是學術界熱衷于研究的課題，更是工程界迫切期望解決的工程難題。本文將針對現代混凝土早期開裂問題展開深人研究，并提出相應控裂理念，以期對現代混凝土早期收縮裂縫的控制有所借鑒與指導。1現代混凝土早期裂縫問題日趨嚴重的客觀背景現代混凝土早期裂縫問題日趨嚴重是同混凝土材料組成的變遷、施工工藝的革新、結構體型的演變、使用環(huán)境的拓展等客觀背景密切相關的。一方面現代混凝土的早期體積穩(wěn)定性客觀上有所降低,另一方面工程實際對現代混凝土早期穩(wěn)定性的要求又在不斷提高，從而現代混凝土愈來愈多的出現早期裂縫也就不難理解了。(l)首先從材料的角度看，現代混凝土自身的組份發(fā)生了很大的變化：水灰比越來越小，單位體積水泥用量不斷增加，水泥細度不斷減小，新型早強水泥的生產應用，包括高效減水劑在內的各種化學外加劑的應用，磨細摻合料，尤其是硅灰的使用。在傳統(tǒng)混凝土不斷朝著高強、高性能方向發(fā)展的同時，卻使得混凝土早期的放熱和收縮增加，這是導致現代混凝土早期開裂趨勢日益增大的客觀因素。(2)其次從施工工藝的角度看，泵送施工增加了水泥用量、砂率、坍落度,現澆成型又提高了養(yǎng)護的難度，這些都加劇了混凝土早期裂縫的出現；而一些施工單位對現場養(yǎng)護缺乏足夠的重視，甚至片面地追求工程進度,這又為早期裂縫的出現增加了主觀因素。(3)再次從結構體型的角度看，混凝土體量越來越大，結構形式日趨復雜，這為混凝土的早期體積穩(wěn)定性增加了一些不確定因素。(4)最后從使用環(huán)境的角度看，隨著工程建設的深人，對混凝土結構本身的要求也在不斷提高，如要求結構承受更為嚴峻的環(huán)境，這更使得控制早期開裂面臨更大的挑戰(zhàn)。2早期收縮裂縫形成機理分析引起混凝土收縮的驅動力可分為兩類：溫度作用與濕度作用。溫度作用引起的早期收縮包括水化熱與晝夜溫差引起的溫降收縮，其中前者在大體積混凝土中尤為顯著。濕度作用引起的早期收縮包括塑性收縮、自收縮與干燥收縮。值得注意的是，溫度作用與濕度作用引起的收縮是同時發(fā)生，相互作用的,因此使得研究的難度增大。2.1水化熱引起的溫度收縮溫度收縮主要是混凝土在水泥水化放熱出現溫峰后的降溫過程中產生的。水泥在早期水化過程中將放出大量的熱，一般每克水泥可放出502J熱量，在絕對條件下，每45kg水泥水化將產生5～8℃絕熱溫升。在沒有緩凝劑的條件下，通常在開始的12h左右出現溫度峰值。隨后，由于水化放緩放熱減小,在與外界環(huán)境熱交換下溫度開始下降。由于混凝土內、外散熱條件的不一致，表層混凝土溫度降低得快，沿混凝土截面出現溫度梯度，使得溫降過程中出現收縮沿截面的不一致，從而導致表層混凝土受拉，當拉應力超過混凝土抗拉強度時產生溫度裂縫。這在大體積混凝土中溫升可高達60℃，是造成這類混凝土早期裂縫的主要因素。另外需要解釋的是水化溫升階段通常不會出現脹裂，因為溫升膨脹過程中混凝土尚處于流塑性狀態(tài)，且溫升過程迅速,沿截面也相對均勻。而隨后的散熱溫降過程由于較為緩慢、均勻性又較差，且混凝土已逐漸硬化，往往容易在此時出現溫度收縮裂縫。2.2晝夜溫差引起的溫度收縮晝夜溫差也會引起相應的溫度變形。如對于混凝土板,在早晨太陽的照射下，表層混凝土的溫度顯著升高，其膨脹受到底層混凝土的限制而使表層拱起(如圖la)；在白天，隨著全截面溫度趨于相同，變形表現為自由伸長(如圖lb)；而夜晚，隨著表層溫度的開始降低，又出現表層彎起的現象(如圖Ic)。因此對于新澆筑的混凝土，晝夜溫差大時極易出現早期的這類溫度裂縫。2.3塑性收縮塑性收縮發(fā)生在混凝土終凝前的塑性階段，通常在澆筑后4～15h左右出現，絕大部分發(fā)生在初凝前的流塑性階段。這一階段水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水、水分急劇蒸發(fā)以及骨料與漿體的不均勻沉降等現象。因此，塑性收縮又可以細分為失水凝縮、化學減縮、沉降收縮三類。失水凝縮是新拌混凝土水化過程中因泌水等因素水分從混凝土內部向外遷移，并在表面迅速蒸發(fā)造成的，多發(fā)生在干熱與刮風天氣中；化學減縮在此特指早期塑性階段表現出的由于水化反應前后生成物的平均密度比反應物小而產生的體系宏觀體積的收縮；沉降收縮是混凝土在澆搗后各組成材料發(fā)生不均勻沉落，出現分層離析，粗骨料下沉，水泥凈漿上浮，當受到鋼筋等阻擋時使混凝土相互分離造成開裂的現象。相對而言塑性收縮造成的早期裂縫較為容易處理，即通常在施工中振搗充分且做好養(yǎng)護是可以避免這類收縮裂縫的，一旦出現，采用二次抹壓或二次澆灌層加以平整即可，不會影響后期的結構耐久性能。2.4干燥收縮干燥收縮通常是混凝土停止養(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，隨著相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。干縮機理與水泥漿體內部孔隙有關，水泥水化的結果是生成水化硅酸鈣及在內部形成大量被水填充的微細孔(>5nm的毛細孔與0.5～2.5nm的凝膠孔)，這些微細孔中儲存有水化未消耗的多余水分。混凝土干燥的時候，混凝土表層水的蒸發(fā)速度可能超過混凝土向外泌水的速度，因此，表層的水面降低，并隨著蒸發(fā)的繼續(xù)，水分的失去從表層逐漸向混凝土內部不斷發(fā)展，毛細孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細孔內水分的失去將在孔中產生毛細管負壓，并促使氣液彎月面的形成，從而對孔壁(也即水化硅酸鈣凝膠骨架)產生拉應力，造成水泥漿體收縮。以往通常認為干縮主要發(fā)生在澆筑后3～90天齡期內，事實上，若早期不及時養(yǎng)護，加水攪拌起齡期3天內的干縮相當大，對此曾有專門研究。圖2、3是對水灰比分別為0.42、0.32的OTC3、OTC4兩組試件在初凝后敞開干燥條件下測得的齡期3d內的各種變形曲線，其中OTC3未摻減水劑，OTC4則摻了1.8%的脂肪族高效減水劑，從測試的結果看,兩者齡期3d時的干燥收縮均非常大，前者約585×10-6m/m，而后者則約1110×10-6m/m，幾乎是前者的2倍。而通?；炷恋臉O限拉應變僅有300×10-6m/m左右，可見澆筑后若早期不及時做好密封或保濕養(yǎng)護，干燥收縮足以導致早期收縮裂縫的產生。2.5自收縮混凝土的自收縮是指混凝土在沒有與周圍環(huán)境發(fā)生濕度交換的情況下由于混凝土的自干燥引起的體積變化。所謂自干燥是指在水泥水化過程中由于沒有外界水供應或外界水通過毛細孔遷移到體系內部的速度小于水化耗水的速度時，水化所需的水分將從毛細孔中吸收，于是在毛細孔中形成氣液彎月面，同時水化反應絕對體積的減小將以在內部形成微細孔的形式得到補償。而毛細孔水的降低使混凝土內部飽和蒸氣壓也隨之降低，即相對濕度將降低，但毛細孔水的減少并沒有使水泥石的質量發(fā)生損失，這一現象被稱為自干燥?？梢娮愿稍飳τ谧允湛s的作用機理與干燥收縮在本質上是一致的，即都與失水造成的毛細孔壓力有關系，所不同的是兩者的失水方式不同。值得說明的是自干燥在任何水灰比條件下都有可能發(fā)生，只是不同混凝土在表現的程度上有所不同而已。當水灰比較低時，這一微觀現象在毛細孔中的普遍發(fā)生將表現為宏觀上的自收縮；而當水灰比較高時，自干燥現象僅在局部毛細孔中發(fā)生，而在宏觀上則可以忽略。根據文獻[l]的研究,對于W/C≥0.42的不摻減水劑的普通混凝土，置于干燥環(huán)境下的收縮主要是干燥收縮，自收縮可以忽略。如圖2所示，水灰比為0.42的不摻減水劑混凝土OTC3，自變形并不表現為收縮，而是膨脹，這是泌水重吸收所致。同時指出,對于WC/≤0.34的摻減水劑低水灰比混凝土，置于干燥環(huán)境下的收縮由干燥收縮與自收縮兩者共同組成，且都占了相當的比例。如圖3所示，對于水灰比為0.32的摻減水劑混凝土OTC4，齡期3d時自收縮為251×10-6m/m，與干燥收縮的比值達到22.5%。應該注意到這類混凝土早期的這一自收縮量值已經相當大，若再加之水化熱引起的溫降收縮，單這兩個收縮量值之和便很容易超過混凝土的極限拉伸應變，由此也不難理解，當前一些高強高性能混凝土，即使在恒溫水養(yǎng)的過程中早期也出現裂縫。3高強高性能混凝土早期收縮的加劇現代混凝土工程中，以低水膠比與摻礦物細摻料(尤其是硅灰)為特征的高強高性能混凝土不斷在工程中得到推廣應用，而其早期裂縫問題亦頻頻出現，揮之不去。這類混凝土(大體積混凝土除外)早期收縮的加劇自然是其中一個主要的客觀因素，確切地講，對于早期處于良好養(yǎng)護條件下的這類混凝土,由自干燥引起的自收縮是導致早期易于開裂的主要原因；而對于早期缺乏良好養(yǎng)護時，早期較大的干燥收縮是導致開裂最直接的原因。高強高性能混凝土自干燥現象相當顯著。這主要基于以下三個原因:(1)水泥品種中C3A含量的提高、水泥細度的增加或硅灰等細摻料的使用，水化速度加快了；(2)水膠比的降低使得體系內用于水化的自由水量明顯降低了；(3)水膠比降低、水泥細度的增加與硅灰的摻人又使得混凝土中孔隙不斷被細化,結構越來越密實，水泥石的滲水管網被隔斷，造成外部養(yǎng)護水僅能滲透到混凝土的外表面，而不能補充內部因水化而消耗的水分。對于高強高性能混凝土而言，普遍地使用了高效減水劑,研究指出，干燥條件下減水劑對混凝土早期收縮有增大效應。一旦這類混凝土早期處于干燥環(huán)境下，與不摻減水劑的混凝土相比，減水劑尤其是高效減水劑的摻人將使新拌混凝土表現出兩個明顯的特征：①蒸發(fā)失水速率加快，因為混凝土內部水分在干燥的初期便已有相當部分以泌水的方式聚集于混凝土表層了，使蒸發(fā)失水更容易；②泌水儲備減小，因為通過減水劑的分散作用已提前“透支”了被包裹于水泥顆粒之間的水分，使維系蒸發(fā)作用的水分補給很快被中斷了，也即干燥過程中泌水與蒸發(fā)的這一水分傳遞的平衡很快被打破了。這是減水劑增大早期收縮的內在原因，應引起重視，而避免的方法其實只需在早期及時采取保濕或密封養(yǎng)護即可。4混凝土早期養(yǎng)護對抑制收縮的重要性近年來，越來越多的研究表明，養(yǎng)護條件與混凝土收縮開裂存在一定的聯系。早期養(yǎng)護關鍵是保證混凝土澆筑后性能發(fā)展所需的一定濕度環(huán)境。周圍環(huán)境的相對濕度對混凝土早期性能尤其是收縮性能的影響是很大的。早期若不及時采取妥善的養(yǎng)護而過早地處于干燥環(huán)境下，將極大地增加早期的干燥收縮，這從圖2，3中可見一斑。研究進一步指出對摻減水劑的混凝土，不養(yǎng)護時，初凝后8h內的收縮值在水灰比為0.50時就可達到500×10-6m/m以上，遠超過混凝土開裂極限，而早期有效的養(yǎng)護可使收縮值減小到開裂極限以內。此外，值得注意的是早期的干燥收縮在當前工程中尚未引起足夠重視，相關規(guī)范中也尚缺乏這方面的反映，如在《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82)中對收縮的關心只是齡期3天后的發(fā)展值，無法反映早期3天內養(yǎng)護與否的差異性，而早期裂縫往往在這段時間內就已經發(fā)生了，因此目前規(guī)范的方法無法顯示早期養(yǎng)護對保證混凝土早期體積穩(wěn)定性的優(yōu)勢，或者說模糊了對早期養(yǎng)護抑制早期收縮重要性的認識。5早期收縮裂縫控裂理念關于混凝土早期收縮裂縫的控制措施，眾多文獻從結構設計、材料使用、施工管理等各方面都做過相關論述，這里不再細述?；陂L期針對混凝土早期性能的研究，在此著重提出“早期養(yǎng)護為主、材料減縮為輔”的混凝土早期收縮裂縫控裂理念。即在控制混凝土早期收縮裂縫方面，加強早期養(yǎng)護應起主導作用，將其作為原則性措施加以貫徹，因為早期養(yǎng)護可以最大限度地減小甚至杜絕早期的干燥收縮，而這部分收縮正是造成早期開裂的重要因素；當水灰比較小時?；驅τ诟邚姼咝阅芑炷?，由于其自收縮較大，在養(yǎng)護抑制干燥收縮的基礎上，尚應輔以材料的減縮措施來抑制自收縮，從而共同消除造成早期開裂的主要收縮源，起到控制早期開裂的目的。加強混凝土早期養(yǎng)護體現在改變傳統(tǒng)觀念，從混凝土初凝開始即對其開始養(yǎng)護，這對摻減水劑混凝土而言尤為重要，養(yǎng)護方式可以是蓄(灑)水、噴霧、密封等保濕方法，且早期養(yǎng)護需要持續(xù)足夠的時間，文獻[15]建議這一時間至少持續(xù)8h。材料減縮可以通過減縮劑的減縮或膨脹劑的收縮補償來實現，也可通過材料的優(yōu)化設計來降低收縮，當應用膨脹劑時建議采用其與減縮劑復摻以確保變形性能的穩(wěn)定性”’。突出早期養(yǎng)護為主，不但可以直接抑制早期干縮裂縫，而且還可以間接抑制早期自收縮裂縫，這是因為早期養(yǎng)護對混凝土強度的發(fā)展很有利，可以在一定程度上延緩甚至防止自收縮裂縫的產生。因此早期養(yǎng)護為主應始終貫徹，材料減縮為輔應有的放矢。6結束語混凝土早期裂縫問題自上世紀90年代以來逐漸為人們所關注，尤其近些年來成為工程界迫切需要解決的技術難題。