采用膨胀剂抑制混凝土的收缩与开裂

  [摘要]长期以来，混凝土的收缩开裂使建筑结构寿命大大降低，维修费用大大增加。自补偿收缩理论建立以来，采用混凝土膨胀剂抑制混凝土的收缩开裂是行之有效的控制方法。然而现代混凝土的物性因施工技术的要求以及胶凝材料和外加剂种类性能的影响，温度收缩和自收缩日益成为引起混凝土结构开裂的主要表现。同时由于水泥生产中熟料矿物的改变，水泥成品细度的降低，水泥早期强度的提高，致使混凝土早期强度增长加快，弹性模量、徐变松弛等参数随之变化，造成开裂趋势明显加大，因此提高混凝土的抗裂性能，已经十分必要和紧迫。

  [关键词]补偿收缩 限制膨胀率 防治措施 配合比

  1前言

  影响混凝土开裂的原因是多方面的，也是很复杂的，混凝土裂缝问题是水泥混凝土百余年来都未能很好地解决的技术难题，它一直困扰着工程界。为解决混凝土裂缝问题，设计、施工、材料等各个方面都采取了种种技术措施，但混凝土裂缝还是经常产生。虽然细小的裂缝不会对结构的安全性带来严重影响，而且规范中也允许构筑物带裂缝工作，但是，从工程的耐久性和渗漏水或腐蚀性介质对钢筋的锈蚀角度考虑，如能控制混凝土不产生裂缝，无疑会提高混凝土工程的耐久性和使用寿命。因此，对混凝土的裂缝进行控制日益受到工程界的重视。笔者认为，综观国内目前比较成熟的控制混凝土裂缝的方法中，利用膨胀剂配制的补偿收缩混凝土控制混凝土裂缝的方法在近十余年来得到了很快的发展，除按传统的方法用于防水混凝土外，还成功地解决了许多超长钢筋混凝土结构施工的裂缝控制问题^[1]。

  如今，用膨胀剂配制的补偿收缩混凝土主要用于地下防水工程、超长结构工程、大体积混凝土工程等。在已应用的工程中，有的工程采用膨胀剂有效地控制了混凝土的裂缝，但由于种种原因，也有一些失败的工程实例。在实际应用中，笔者不断总结，积累了一些补偿收缩混凝土控制裂缝的经验和体会。到2004年底，我国混凝土膨胀剂生产销售总量达400多万吨，折合补偿收缩混凝土方量1.2亿多立方米。目前全国膨胀剂年销量达到80多万吨。混凝土膨胀剂生产企业100多个厂家，主要品牌有7~8个。实践证明，采用混凝土膨胀剂抑制混凝土的收缩开裂是行之有效的控制方法^[2]。

  掺加膨胀剂配制的补偿收缩混凝土同普通混凝土一样，必须遵循设计、施工、材料三者紧密结合的方式来解决混凝土的裂缝问题。认为只要掺加了膨胀剂，就能控制混凝土不产生裂缝的"概念"是错误的。这是因为，在设计配筋和施工合理的条件下，衡量补偿收缩混凝土补偿收缩能力的最重要的指标是混凝土的限制膨胀率。在实际应用中，必须根据混凝土设计的标号、所用的水泥、外加剂等原材料情况，以及设计上的配筋分布和配筋率情况、工程部位的约束状态、构件的尺寸(长、宽、厚度等)、施工组织、混凝土的坍落度、是否掺加粉煤灰、膨胀剂的质量等进行合理的抗裂混凝土配合比的设计。在设计和试配补偿收缩混凝土配合比时，除对混凝土的强度、抗渗等指标进行检验外，最重要的是进行混凝土限制膨胀率的设计，根据工程不同部位约束的大小，来设计混凝土的限制膨胀率的大小，从而确定膨胀剂的合理掺量。凡是限制膨胀率较小的混凝土，大多数物理力学性能均与普通混凝土相近或略有改善，对控制混凝土的裂缝的作用很小或者说裂缝比用普通混凝土少一些而已，在易裂的部位自然还会产生裂缝。

  2 对收缩与开裂的认识问题

  正确地认识与评价混凝土的收缩与开裂，是采取措施有效地减少或避免开裂的前提。混凝土结构由于温升高而在早期易于开裂的问题，在于当温度开始上升时混凝土的弹性模量还非常小，因此只有一小部分热膨胀转化为压应力，这一阶段还很大的松弛能力则进一步使预压力减小，而随后的冷却过程中，弹性模量增大和松弛作用减小导致大得多的拉应力产生。

  工程界对混凝土的收缩问题给予了很大的关注，但引人关注的并不是收缩本身，而是由于它会引起开裂。混凝土的收缩现象有好几种，比较常见的是干燥收缩和温度收缩，另外还有就是混凝土的自收缩，还有塑性收缩的问题。

  自收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的水分减少，产生所谓的自干燥作用，混凝土内部的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自收缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自收缩增大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自收缩与干缩相比小得可以忽略不计;但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自收缩与干缩则接近各占总收缩的一半^[3]。

  水泥是混凝土组成中必不可少的胶凝材料。当水泥水化后成为硬化体，其绝对体积减少，同时有少量游离水蒸发，使混凝土产生毛细收缩，这种收缩称干燥收缩。同时水泥水化时有放热过程，其水化热约为165~450J/g，对大体积混凝土来说，当混凝土中心温度与外部环境温度存在温度梯度时，就会出现温差效应。研究表明，当混凝土内外温差10℃时，其冷缩值达0.01%。当上述二项干缩与冷缩应力大于混凝土极限拉伸强度时，混凝土即产生开裂。

  在大体积混凝土中，即使水灰比并不低，自收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，应力就会增大，所以在大体积混凝土施工时就应把自收缩作为一项性能指标进行测定和考虑。对于塑性收缩，在水泥活性高和混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以在上述情况下混凝土浇注后需要及早覆盖。

  3 水泥的性能及其对收缩与开裂影响

  3.1关于水泥的影响

  我国水泥ISO标准的实施，加剧了混凝土的温度收缩和干燥收缩。由于新标准为满足混凝土早期高强度的需求，促使了水泥生产控制向高C₃S和高C₃A、高比表面积发展。水泥是制备混凝土的主要原料，水泥质量的优劣直接影响混凝土的质量。再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量造成在约束状态下的混凝土因温度收缩、水化自收缩、干燥收缩和较高的早期弹性模量而产生较大的内部应力。致使混凝土产生早期裂缝，内部不可见的微裂缝，在使用过程中的干燥环境中继续发展，是混凝土提早劣化的主要原因^[4]。

  近年来，采用普通混凝土建造的基础、墙板、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不大的混凝土结构开裂的现象增多。因此水化热以及温度变化已经成为引起混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。受混凝土早期强度发展快可以给施工单位提早工期和加快施工进度的影响，水泥生产厂家将水泥矿物中的硅酸三钙(C₃S)含量提得越来越提高、粉磨细度越来越加大。我国水泥的性能主要是为了满足加快施工速度，缩短工期并加快模板周转而考虑，C₃S含量高、粉磨细度大、混合材掺量少的高早强度水泥倍受市场欢迎。与此同时，混凝土结构的设计等级也在不断提高，促使混凝土单位水泥用量迅速增长，高强混凝土(主要是高早期强度)的推广应用，则助长了这一趋势的发展。

  但是随着低水灰比(或水胶比)高强混凝土的应用，结构物早期开裂的现象日益突出，引起了人们的关注。有事实证明，高强混凝土的早期开裂较为突出，这不仅仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自收缩和高C₃S的水化反应，也是重要的原因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，问题不能全部归因于施工单位，应该说与混凝土的各种原材料以及材料性能、混凝土设计、配合比等诸多因素有关，混凝土的高强度与高耐久性能以及裂缝控制问题有待人们进一步开展深入的研究^[5]。

  3.2关于水泥品质的影响

  不同水泥厂生产的同一品种水泥，只要是技术指标符合国家标准，通常就认为品质是一样的，其实不同品种的水泥对开裂的敏感性可能差别很悬殊，德国的Springenschmid教授根据在开裂试验架进行大量的试验结果，对不同因素降低混凝土开裂温度的作用进行了比较^[6]，见下表数据。

  Springenschmid估计应力的1/3来自温度收缩，2/3来自干燥收缩。混凝土在各种不同情况下的开裂有着相当复杂的、多方面的原因。例如，因为自身收缩的特点，所以高强混凝土在浇注后需要及早开始湿养护，尤其当混凝土内部温度、环境温度较高时更要注意。现行规范中对普通混凝土加强养护的措施，对高强混凝土就要理解为及早，而不是延长养护时间问题。开始湿养护时就需要拆除模板，至少要松动，而这在工程中往往难以实现，于是刚一拆模就发现裂缝的现象已经屡见不鲜了。

  由上述结果可以看出，水泥品质的影响十分显著。根据工程实践和混凝土抗裂要求，一般含碱(Na₂O、K₂O)量低、硫酸盐含量(相对于铝酸盐而言)多、粉磨细度较适中的水泥抗裂性能较好。有些人认为水泥的细度、C₃S矿物含量高的早强水泥不会对混凝土开裂有太大的影响是错误的，水泥细度过细也是导致混凝土开裂非常重要的原因之一。

  4 减少或防止混凝土开裂的几点措施^[7]

  4.1利用膨胀剂来改善混凝土的抗裂性能是行之有效的方法

  在具体工程中的使用要考虑很多实际应用问题，因为膨胀剂的使用效果受到许多外界条件因素的影响，包括混凝土的配合比设计、膨胀剂的品质与掺量、养护条件、浇注温度等。正确地使用膨胀剂，不失为一个避免或减少裂缝的有效措施，如果采用上述措施应该能获得良好的使用效果。质量较好的膨胀剂的技术性能，14d湿养条件下可发挥80%以上的膨胀能，在钢筋和邻位的限制作用下，膨胀能转化成予压应力，它可抵消混凝土收缩所产生的拉应力，从而防止和减少混凝土因收缩产生的裂缝。

  4.2 配筋和配筋率的影响

  应用补偿收缩混凝土控制混凝土的裂缝，宜采用小直径、小间距的配筋形式。底板的配筋率及钢筋的分布基本都满足补偿收缩混凝土配筋率的要求，从整体上讲，混凝土底板受到的外约束也比较小，因此，底板混凝土的裂缝容易控制。墙体的水平配筋对控制墙体混凝土的竖向裂缝至关重要，墙体的水平配筋间距不宜超过150mm，直径宜为Φ12~16的螺纹钢筋。

  适当提高膨胀剂的掺量，使混凝土的限制膨胀率达到2。0×10-4以上，配合适当的养护措施，在混凝土标号不超过C40的情况下，墙体混凝土的竖向裂缝能得到较好的控制，甚至在进行超长施工的情况下，也能有效的控制混凝土不产生竖向裂缝。

  梁上最好配Φ14~16@150~200的腰筋。这对控制梁上产生的收缩裂缝能起到良好的作用。

  另外，同普通混凝土一样，在一些变截面处应适当增加一些构造筋。

  4.3补偿收缩混凝土配合比设计原则

  一般膨胀剂生产厂的实验室只按照JC476-2001标准中的检测方法对膨胀剂的质量进行控制，但尚无建立起混凝土的限制膨胀率的检测手段，在进行补偿收缩混凝土配合比设计、试配时，仅进行混凝土的和易性、坍落度、坍落度损失、抗压强度等指标的试验。有防水要求的，再增加抗渗试验内容，对于混凝土是否确实具有膨胀性能，怎样控制混凝土的限制膨胀率，还无法进行检验，也没有具体数据。设计补偿收缩混凝土配合比时，除进行常规的设计、试验外，还应增加对混凝土的限制膨胀率的设计，这是保证补偿收缩混凝土能否达到抗裂技术要求的重要措施。

  4.4 关于膨胀剂的质量问题

  现今市场上的膨胀剂的质量参差不齐，存在不合格的产品，甚至有伪劣产品和假冒产品。在合格的膨胀剂中，产品的性能也不稳定，有的膨胀率高一些，有的膨胀率低一些。有的膨胀剂虽然膨胀率不低，但干空中的收缩率很大，存在膨胀和收缩"落差"

  太大的现象。总之，膨胀剂的质量及其稳定性问题有待于进一步提高。设计混凝土配合比时，对产品的质量应充分了解。

  4.5 膨胀剂的膨胀理论与掺量问题

  目前，存在对膨胀剂的抗裂原理认识不够的现象，其中一种错误的观点认为只要掺加了膨胀剂，配制的混凝土就是膨胀混凝土。从各种膨胀剂的抗裂原理上讲，基本上都是在水泥的水化、硬化过程中产生大量的钙矾石晶体，使混凝土产生体积膨胀，从而使混凝土产生微膨胀性。其实，当掺量不足或膨胀剂的膨胀率偏低时，所产生的少量的钙矾石晶体仅仅起填充混凝土的毛细孔的作用，即提高了混凝土的抗渗性，所产生的膨胀率非常小，补偿混凝土收缩的能力远远不够，混凝土剩余的收缩变形远大于混凝土的极限延伸率。只有生成较多的钙矾石晶体等产物时，混凝土才会产生良好的膨胀性能。因此，应根据所配制的混凝土的限制膨胀率的大小来确定膨胀剂的掺量，在GB50119《混凝土外加剂应用技术规范》中，根据不同的使用部位，对补偿收缩混凝土应达到的限制膨胀率作了明确的规定，即水中14d的限制膨胀率应达到1。5×10-4~2.5×10^-4。

  研究表明，在固定膨胀剂掺量的情况下，混凝土的限制膨胀率对比砂浆的限制膨胀率，一般只有1/2左右，而砂浆的限制膨胀率又小于净浆的限制膨胀率。这是因为影响混凝土的限制膨胀率的因素远多于砂浆和净浆。除砂、石、水泥品种、水灰比、砂率等对混凝土的膨胀率有影响外，下述因素对混凝土的限制膨胀率有显著的影响，如膨胀剂的掺量、化学外加剂、混凝土的用水量、凝结时间、混凝土标号及单方混凝土的水泥用量、掺合料的品种与掺量等问题。

  (1)膨胀剂的掺量：提高膨胀剂的掺量能显著

  提高混凝土的膨胀率，掺量越低，混凝土的限制膨胀率越小。

  (2)化学外加剂:总的来说，化学外加剂是增大混凝土收缩的。这在混凝土外加剂标准中也明显地反映出来。标准中规定，一等品28d的混凝土收缩率比不大于125%，合格品28d的混凝土收缩率比不大于135%。一般在推荐掺量下，28d掺化学外加剂的混凝土与空白混凝土的收缩率比在115~129%的范围内。化学外加剂的掺量越大，混凝土的收缩率越大。目前大多数工程采用泵送混凝土施工，化学外加剂已成为混凝土的第五组分。其对补偿收缩混凝土限制膨胀率的影响必须考虑。配制泵送的补偿收缩混凝土时，膨胀剂应适当提高掺量。

  (3)混凝土单位用水量:一般混凝土的坍落度

  随用水量增大成正比，在同一膨胀剂掺量下，混凝土的限制膨胀率越小。故采用泵送混凝土时，要配制抗裂性好的补偿收缩混凝土，必须提高膨胀剂的掺量。

(4)混凝土凝结时间:混凝土的凝结时间太短，水泥的早期水化速率较快，混凝土的早期收缩也大。混凝土的凝结时间太长，膨胀剂的膨胀能大部分消耗在塑性阶段。掺膨胀剂的混凝土的凝结时间宜控制在8~20小时的范围内，一般厚度的构件采用下限，大体积混凝土采用上限为好。

  (5)混凝土标号和单方混凝土中的水泥用量:纵观混凝土的裂缝情况，低标号的混凝土开裂较轻，高标号的混凝土开裂较重。混凝土标号越高，单方混凝土中的水泥用量越大，混凝土的收缩越大，因此，膨胀剂的掺量必须相应提高。

  (6)混凝土的掺合料:在混凝土中掺加适量的掺合料，可明显改善混凝土的和易性，降低大体积混凝土的水化热，控制混凝土的温差收缩应力。但掺合料对混凝土干缩率的影响目前还没有统一的结果，有的人认为粉煤灰增大混凝土的干缩率，有的人认为基本无影响。不管掺合料是增大还是不影响混凝土的干缩率，它对掺膨胀剂的混凝土的膨胀率是有影响的。在配制补偿收缩混凝土时，必须把掺合料的量计入到胶凝材料中。即计算膨胀剂掺加的比例时，应把掺合料的量一并加到水泥中计算。否则，混凝土的限制膨胀率明显偏低。

  综上所述，在配制补偿收缩混凝土配合比时，应增加混凝土限制膨胀率的检测项目，对混凝土是否确实具有膨胀性能进行实际检测，只有这样才能更好地应用膨胀剂来控制混凝土的裂缝。

  4.6 不同部位混凝土限制膨胀率的设计

  纵观工程的裂缝情况，底板混凝土是不易开裂的，墙体混凝土产生竖向裂缝现象比较普遍，楼板和梁的开裂现象比墙体略轻一些。在实际工程中，补偿收缩混凝土的限制膨胀率多大为宜，目前还没有有关的资料可查，笔者在工程应用实践中，对现场留样的混凝土进行了限制膨胀率的测试，积累了一些经验数据，仅供业内同行参考。根据GB50119《混凝土外加剂应用技术规范》中的试验方法，测试用的试件尺寸为100×100×300，试件中间埋入限制器具:!10@A3钢筋，两头焊厚度为12mmA3钢板，配筋率为0.79%底板混凝土的厚度在1m以下的，配制的混凝土的限制膨胀率应达到1.5×10^-4以上，1m厚以上的大体积混凝土，限制膨胀率应在1.8×10^-4以上，这一限制膨胀率不可能完全抵销混凝土的干缩和温差收缩，但由于底板混凝土受到的外约束较小，收缩应力能得到部分释放，在徐变等因素的作用下，混凝土的收缩值不会超过混凝土的极限延伸率，混凝土不易开裂。 墙体、楼板等混凝土构件受到的外约束较大，整体的收缩性受到邻位的限制，其收缩应力无法自由释放，因此墙体易产生竖向裂缝。宜采用限制膨胀率在2×10^-4以上的补偿收缩混凝土。 试配时，膨胀剂的掺量应根据以上不同结构部位对混凝土的限制膨胀率进行设计确定。

  4.7混凝土的养护问题

补偿收缩混凝土的养护工作是很重要的。养护不好，混凝土照样与普通混凝土一样，会产生裂缝。水平的混凝土构件洒水、蓄水或覆盖养护均可，但墙体洒水养护不易做好，也不好覆盖，为此，我们采用延长模板的留置时间、在水平施工缝上浇水的养护方式进行混凝土的养护工作，起到了显著的效果，模板的留置时间一般要求不得低于7d。采用这种养护方式，既能减少混凝土本身的水分的散失速度，又保证了墙体混凝土在早期处于一个相对地较稳定的温度、湿度环境，避免了风速、太阳暴晒等引起混凝土急剧干缩的因素。有效地控制了长墙结构混凝土易产生竖向裂缝的现象。 在施工过程中，应严格控制混凝土的原材料质量和用量，严格按混凝土的配合比拌制混凝土。混凝土的坍落度要控制好，泵送混凝土的入模坍落度不宜超过20cm。为防止或减少混凝土表面的龟裂现象，必须重视混凝土表面的二次抹压工作。抹压的次数和时间要掌握好，可有效地减少混凝土表面的龟裂现象。

  5 结语

建筑结构裂缝控制是个系统工程，近十多年来，我国工民建向长大化、复杂化发展，商品混凝土普及应用，混凝土强度等级从C50向C80或更高的强度等级发展，这些因素导致钢筋混凝土结构开裂的机率增多。掺膨胀剂的补偿收缩混凝土在防止和大大减轻混凝土开裂作出了积极贡献，但在膨胀剂使用过程中发现存在一些误区和不尽人意地方。本文总结十多年来之经验教训，结合工程实践以引导正确使用膨胀剂，将有利于提高我国补偿收缩混凝土的应用技术水平，促进混凝土膨胀剂行业的新发展。

  [参考文献]

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  [2]江云安，混凝土膨胀剂行业呼唤规范[J]，混凝土，2003

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  [4]星光，水泥与水泥基材料高性能化的化学与物理[J]，浙江水泥2000，4P21~23

  [5]游宝坤，我国混凝土膨胀剂的发展近况和展望[J]，混凝土2003，4P3~6

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  [7]张利俊等，建筑物的裂缝控制技术[M]，中国建筑工业出版社，2002