[摘要]長期以來，混凝土的收縮開裂使建筑結構壽命大大降低，維修費用大大增加。自補償收縮理論建立以來，采用混凝土膨脹劑抑制混凝土的收縮開裂是行之有效的控制方法。然而現(xiàn)代混凝土的物性因施工技術的要求以及膠凝材料和外加劑種類性能的影響，溫度收縮和自收縮日益成為引起混凝土結構開裂的主要表現(xiàn)。同時由于水泥生產中熟料礦物的改變，水泥成品細度的降低，水泥早期強度的提高，致使混凝土早期強度增長加快，彈性模量、徐變松弛等參數(shù)隨之變化，造成開裂趨勢明顯加大，因此提高混凝土的抗裂性能，已經十分必要和緊迫。

  [關鍵詞]補償收縮 限制膨脹率 防治措施 配合比

  1前言

  影響混凝土開裂的原因是多方面的，也是很復雜的，混凝土裂縫問題是水泥混凝土百余年來都未能很好地解決的技術難題，它一直困擾著工程界。為解決混凝土裂縫問題，設計、施工、材料等各個方面都采取了種種技術措施，但混凝土裂縫還是經常產生。雖然細小的裂縫不會對結構的安全性帶來嚴重影響，而且規(guī)范中也允許構筑物帶裂縫工作，但是，從工程的耐久性和滲漏水或腐蝕性介質對鋼筋的銹蝕角度考慮，如能控制混凝土不產生裂縫，無疑會提高混凝土工程的耐久性和使用壽命。因此，對混凝土的裂縫進行控制日益受到工程界的重視。筆者認為，綜觀國內目前比較成熟的控制混凝土裂縫的方法中，利用膨脹劑配制的補償收縮混凝土控制混凝土裂縫的方法在近十余年來得到了很快的發(fā)展，除按傳統(tǒng)的方法用于防水混凝土外，還成功地解決了許多超長鋼筋混凝土結構施工的裂縫控制問題^[1]。

  如今，用膨脹劑配制的補償收縮混凝土主要用于地下防水工程、超長結構工程、大體積混凝土工程等。在已應用的工程中，有的工程采用膨脹劑有效地控制了混凝土的裂縫，但由于種種原因，也有一些失敗的工程實例。在實際應用中，筆者不斷總結，積累了一些補償收縮混凝土控制裂縫的經驗和體會。到2004年底，我國混凝土膨脹劑生產銷售總量達400多萬噸，折合補償收縮混凝土方量1.2億多立方米。目前全國膨脹劑年銷量達到80多萬噸。混凝土膨脹劑生產企業(yè)100多個廠家，主要品牌有7~8個。實踐證明，采用混凝土膨脹劑抑制混凝土的收縮開裂是行之有效的控制方法^[2]。

  摻加膨脹劑配制的補償收縮混凝土同普通混凝土一樣，必須遵循設計、施工、材料三者緊密結合的方式來解決混凝土的裂縫問題。認為只要摻加了膨脹劑，就能控制混凝土不產生裂縫的"概念"是錯誤的。這是因為，在設計配筋和施工合理的條件下，衡量補償收縮混凝土補償收縮能力的最重要的指標是混凝土的限制膨脹率。在實際應用中，必須根據(jù)混凝土設計的標號、所用的水泥、外加劑等原材料情況，以及設計上的配筋分布和配筋率情況、工程部位的約束狀態(tài)、構件的尺寸(長、寬、厚度等)、施工組織、混凝土的坍落度、是否摻加粉煤灰、膨脹劑的質量等進行合理的抗裂混凝土配合比的設計。在設計和試配補償收縮混凝土配合比時，除對混凝土的強度、抗?jié)B等指標進行檢驗外，最重要的是進行混凝土限制膨脹率的設計，根據(jù)工程不同部位約束的大小，來設計混凝土的限制膨脹率的大小，從而確定膨脹劑的合理摻量。凡是限制膨脹率較小的混凝土，大多數(shù)物理力學性能均與普通混凝土相近或略有改善，對控制混凝土的裂縫的作用很小或者說裂縫比用普通混凝土少一些而已，在易裂的部位自然還會產生裂縫。

  2 對收縮與開裂的認識問題

  正確地認識與評價混凝土的收縮與開裂，是采取措施有效地減少或避免開裂的前提?；炷两Y構由于溫升高而在早期易于開裂的問題，在于當溫度開始上升時混凝土的彈性模量還非常小，因此只有一小部分熱膨脹轉化為壓應力，這一階段還很大的松弛能力則進一步使預壓力減小，而隨后的冷卻過程中，彈性模量增大和松弛作用減小導致大得多的拉應力產生。

  工程界對混凝土的收縮問題給予了很大的關注，但引人關注的并不是收縮本身，而是由于它會引起開裂?；炷恋氖湛s現(xiàn)象有好幾種，比較常見的是干燥收縮和溫度收縮，另外還有就是混凝土的自收縮，還有塑性收縮的問題。

  自收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的水分減少，產生所謂的自干燥作用，混凝土內部的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對干燥收縮和自收縮的影響正相反，即當混凝土的水灰比降低時干燥收縮減小，而自收縮增大。如當水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自收縮與干縮相比小得可以忽略不計;但是當水灰比小于0.35時，體內相對濕度會很快降低到80%以下，自收縮與干縮則接近各占總收縮的一半^[3]。

  水泥是混凝土組成中必不可少的膠凝材料。當水泥水化后成為硬化體，其絕對體積減少，同時有少量游離水蒸發(fā)，使混凝土產生毛細收縮，這種收縮稱干燥收縮。同時水泥水化時有放熱過程，其水化熱約為165~450J/g，對大體積混凝土來說，當混凝土中心溫度與外部環(huán)境溫度存在溫度梯度時，就會出現(xiàn)溫差效應。研究表明，當混凝土內外溫差10℃時，其冷縮值達0.01%。當上述二項干縮與冷縮應力大于混凝土極限拉伸強度時，混凝土即產生開裂。

  在大體積混凝土中，即使水灰比并不低，自收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，應力就會增大，所以在大體積混凝土施工時就應把自收縮作為一項性能指標進行測定和考慮。對于塑性收縮，在水泥活性高和混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內的水分蒸發(fā)進一步加快，于是裂縫迅速擴展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。

  3 水泥的性能及其對收縮與開裂影響

  3.1關于水泥的影響

  我國水泥ISO標準的實施，加劇了混凝土的溫度收縮和干燥收縮。由于新標準為滿足混凝土早期高強度的需求，促使了水泥生產控制向高C₃S和高C₃A、高比表面積發(fā)展。水泥是制備混凝土的主要原料，水泥質量的優(yōu)劣直接影響混凝土的質量。再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量造成在約束狀態(tài)下的混凝土因溫度收縮、水化自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產生較大的內部應力。致使混凝土產生早期裂縫，內部不可見的微裂縫，在使用過程中的干燥環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因^[4]。

  近年來，采用普通混凝土建造的基礎、墻板、橋梁、隧道襯砌以及其他構件尺寸并不大的混凝土結構開裂的現(xiàn)象增多。因此水化熱以及溫度變化已經成為引起混凝土與鋼筋混凝土約束應力和開裂的主導原因。受混凝土早期強度發(fā)展快可以給施工單位提早工期和加快施工進度的影響，水泥生產廠家將水泥礦物中的硅酸三鈣(C₃S)含量提得越來越提高、粉磨細度越來越加大。我國水泥的性能主要是為了滿足加快施工速度，縮短工期并加快模板周轉而考慮，C₃S含量高、粉磨細度大、混合材摻量少的高早強度水泥倍受市場歡迎。與此同時，混凝土結構的設計等級也在不斷提高，促使混凝土單位水泥用量迅速增長，高強混凝土(主要是高早期強度)的推廣應用，則助長了這一趨勢的發(fā)展。

  但是隨著低水灰比(或水膠比)高強混凝土的應用，結構物早期開裂的現(xiàn)象日益突出，引起了人們的關注。有事實證明，高強混凝土的早期開裂較為突出，這不僅僅是水化熱的結果，由于自干燥作用產生的自收縮和高C₃S的水化反應，也是重要的原因。結構混凝土或大體積混凝土意外地出現(xiàn)開裂，問題不能全部歸因于施工單位，應該說與混凝土的各種原材料以及材料性能、混凝土設計、配合比等諸多因素有關，混凝土的高強度與高耐久性能以及裂縫控制問題有待人們進一步開展深入的研究^[5]。

  3.2關于水泥品質的影響

  不同水泥廠生產的同一品種水泥，只要是技術指標符合國家標準，通常就認為品質是一樣的，其實不同品種的水泥對開裂的敏感性可能差別很懸殊，德國的Springenschmid教授根據(jù)在開裂試驗架進行大量的試驗結果，對不同因素降低混凝土開裂溫度的作用進行了比較^[6]，見下表數(shù)據(jù)。

  Springenschmid估計應力的1/3來自溫度收縮，2/3來自干燥收縮?；炷猎诟鞣N不同情況下的開裂有著相當復雜的、多方面的原因。例如，因為自身收縮的特點，所以高強混凝土在澆注后需要及早開始濕養(yǎng)護，尤其當混凝土內部溫度、環(huán)境溫度較高時更要注意?，F(xiàn)行規(guī)范中對普通混凝土加強養(yǎng)護的措施，對高強混凝土就要理解為及早，而不是延長養(yǎng)護時間問題。開始濕養(yǎng)護時就需要拆除模板，至少要松動，而這在工程中往往難以實現(xiàn)，于是剛一拆模就發(fā)現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象已經屢見不鮮了。

  由上述結果可以看出，水泥品質的影響十分顯著。根據(jù)工程實踐和混凝土抗裂要求，一般含堿(Na₂O、K₂O)量低、硫酸鹽含量(相對于鋁酸鹽而言)多、粉磨細度較適中的水泥抗裂性能較好。有些人認為水泥的細度、C₃S礦物含量高的早強水泥不會對混凝土開裂有太大的影響是錯誤的，水泥細度過細也是導致混凝土開裂非常重要的原因之一。

  4 減少或防止混凝土開裂的幾點措施^[7]

  4.1利用膨脹劑來改善混凝土的抗裂性能是行之有效的方法

  在具體工程中的使用要考慮很多實際應用問題，因為膨脹劑的使用效果受到許多外界條件因素的影響，包括混凝土的配合比設計、膨脹劑的品質與摻量、養(yǎng)護條件、澆注溫度等。正確地使用膨脹劑，不失為一個避免或減少裂縫的有效措施，如果采用上述措施應該能獲得良好的使用效果。質量較好的膨脹劑的技術性能，14d濕養(yǎng)條件下可發(fā)揮80%以上的膨脹能，在鋼筋和鄰位的限制作用下，膨脹能轉化成予壓應力，它可抵消混凝土收縮所產生的拉應力，從而防止和減少混凝土因收縮產生的裂縫。

  4.2 配筋和配筋率的影響

  應用補償收縮混凝土控制混凝土的裂縫，宜采用小直徑、小間距的配筋形式。底板的配筋率及鋼筋的分布基本都滿足補償收縮混凝土配筋率的要求，從整體上講，混凝土底板受到的外約束也比較小，因此，底板混凝土的裂縫容易控制。墻體的水平配筋對控制墻體混凝土的豎向裂縫至關重要，墻體的水平配筋間距不宜超過150mm，直徑宜為Φ12~16的螺紋鋼筋。

  適當提高膨脹劑的摻量，使混凝土的限制膨脹率達到2。0×10-4以上，配合適當?shù)酿B(yǎng)護措施，在混凝土標號不超過C40的情況下，墻體混凝土的豎向裂縫能得到較好的控制，甚至在進行超長施工的情況下，也能有效的控制混凝土不產生豎向裂縫。

  梁上最好配Φ14~16@150~200的腰筋。這對控制梁上產生的收縮裂縫能起到良好的作用。

  另外，同普通混凝土一樣，在一些變截面處應適當增加一些構造筋。

  4.3補償收縮混凝土配合比設計原則

  一般膨脹劑生產廠的實驗室只按照JC476-2001標準中的檢測方法對膨脹劑的質量進行控制，但尚無建立起混凝土的限制膨脹率的檢測手段，在進行補償收縮混凝土配合比設計、試配時，僅進行混凝土的和易性、坍落度、坍落度損失、抗壓強度等指標的試驗。有防水要求的，再增加抗?jié)B試驗內容，對于混凝土是否確實具有膨脹性能，怎樣控制混凝土的限制膨脹率，還無法進行檢驗，也沒有具體數(shù)據(jù)。設計補償收縮混凝土配合比時，除進行常規(guī)的設計、試驗外，還應增加對混凝土的限制膨脹率的設計，這是保證補償收縮混凝土能否達到抗裂技術要求的重要措施。

  4.4 關于膨脹劑的質量問題

  現(xiàn)今市場上的膨脹劑的質量參差不齊，存在不合格的產品，甚至有偽劣產品和假冒產品。在合格的膨脹劑中，產品的性能也不穩(wěn)定，有的膨脹率高一些，有的膨脹率低一些。有的膨脹劑雖然膨脹率不低，但干空中的收縮率很大，存在膨脹和收縮"落差"

  太大的現(xiàn)象?？傊?，膨脹劑的質量及其穩(wěn)定性問題有待于進一步提高。設計混凝土配合比時，對產品的質量應充分了解。

  4.5 膨脹劑的膨脹理論與摻量問題

  目前，存在對膨脹劑的抗裂原理認識不夠的現(xiàn)象，其中一種錯誤的觀點認為只要摻加了膨脹劑，配制的混凝土就是膨脹混凝土。從各種膨脹劑的抗裂原理上講，基本上都是在水泥的水化、硬化過程中產生大量的鈣礬石晶體，使混凝土產生體積膨脹，從而使混凝土產生微膨脹性。其實，當摻量不足或膨脹劑的膨脹率偏低時，所產生的少量的鈣礬石晶體僅僅起填充混凝土的毛細孔的作用，即提高了混凝土的抗?jié)B性，所產生的膨脹率非常小，補償混凝土收縮的能力遠遠不夠，混凝土剩余的收縮變形遠大于混凝土的極限延伸率。只有生成較多的鈣礬石晶體等產物時，混凝土才會產生良好的膨脹性能。因此，應根據(jù)所配制的混凝土的限制膨脹率的大小來確定膨脹劑的摻量，在GB50119《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》中，根據(jù)不同的使用部位，對補償收縮混凝土應達到的限制膨脹率作了明確的規(guī)定，即水中14d的限制膨脹率應達到1。5×10-4~2.5×10^-4。

  研究表明，在固定膨脹劑摻量的情況下，混凝土的限制膨脹率對比砂漿的限制膨脹率，一般只有1/2左右，而砂漿的限制膨脹率又小于凈漿的限制膨脹率。這是因為影響混凝土的限制膨脹率的因素遠多于砂漿和凈漿。除砂、石、水泥品種、水灰比、砂率等對混凝土的膨脹率有影響外，下述因素對混凝土的限制膨脹率有顯著的影響，如膨脹劑的摻量、化學外加劑、混凝土的用水量、凝結時間、混凝土標號及單方混凝土的水泥用量、摻合料的品種與摻量等問題。

  (1)膨脹劑的摻量：提高膨脹劑的摻量能顯著

  提高混凝土的膨脹率，摻量越低，混凝土的限制膨脹率越小。

  (2)化學外加劑:總的來說，化學外加劑是增大混凝土收縮的。這在混凝土外加劑標準中也明顯地反映出來。標準中規(guī)定，一等品28d的混凝土收縮率比不大于125%，合格品28d的混凝土收縮率比不大于135%。一般在推薦摻量下，28d摻化學外加劑的混凝土與空白混凝土的收縮率比在115~129%的范圍內?；瘜W外加劑的摻量越大，混凝土的收縮率越大。目前大多數(shù)工程采用泵送混凝土施工，化學外加劑已成為混凝土的第五組分。其對補償收縮混凝土限制膨脹率的影響必須考慮。配制泵送的補償收縮混凝土時，膨脹劑應適當提高摻量。

  (3)混凝土單位用水量:一般混凝土的坍落度

  隨用水量增大成正比，在同一膨脹劑摻量下，混凝土的限制膨脹率越小。故采用泵送混凝土時，要配制抗裂性好的補償收縮混凝土，必須提高膨脹劑的摻量。

(4)混凝土凝結時間:混凝土的凝結時間太短，水泥的早期水化速率較快，混凝土的早期收縮也大?；炷恋哪Y時間太長，膨脹劑的膨脹能大部分消耗在塑性階段。摻膨脹劑的混凝土的凝結時間宜控制在8~20小時的范圍內，一般厚度的構件采用下限，大體積混凝土采用上限為好。

  (5)混凝土標號和單方混凝土中的水泥用量:縱觀混凝土的裂縫情況，低標號的混凝土開裂較輕，高標號的混凝土開裂較重?；炷翗颂栐礁撸瑔畏交炷林械乃嘤昧吭酱?，混凝土的收縮越大，因此，膨脹劑的摻量必須相應提高。

  (6)混凝土的摻合料:在混凝土中摻加適量的摻合料，可明顯改善混凝土的和易性，降低大體積混凝土的水化熱，控制混凝土的溫差收縮應力。但摻合料對混凝土干縮率的影響目前還沒有統(tǒng)一的結果，有的人認為粉煤灰增大混凝土的干縮率，有的人認為基本無影響。不管摻合料是增大還是不影響混凝土的干縮率，它對摻膨脹劑的混凝土的膨脹率是有影響的。在配制補償收縮混凝土時，必須把摻合料的量計入到膠凝材料中。即計算膨脹劑摻加的比例時，應把摻合料的量一并加到水泥中計算。否則，混凝土的限制膨脹率明顯偏低。

  綜上所述，在配制補償收縮混凝土配合比時，應增加混凝土限制膨脹率的檢測項目，對混凝土是否確實具有膨脹性能進行實際檢測，只有這樣才能更好地應用膨脹劑來控制混凝土的裂縫。

  4.6 不同部位混凝土限制膨脹率的設計

  縱觀工程的裂縫情況，底板混凝土是不易開裂的，墻體混凝土產生豎向裂縫現(xiàn)象比較普遍，樓板和梁的開裂現(xiàn)象比墻體略輕一些。在實際工程中，補償收縮混凝土的限制膨脹率多大為宜，目前還沒有有關的資料可查，筆者在工程應用實踐中，對現(xiàn)場留樣的混凝土進行了限制膨脹率的測試，積累了一些經驗數(shù)據(jù)，僅供業(yè)內同行參考。根據(jù)GB50119《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》中的試驗方法，測試用的試件尺寸為100×100×300，試件中間埋入限制器具:!10@A3鋼筋，兩頭焊厚度為12mmA3鋼板，配筋率為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脹率應達到1.5×10^-4以上，1m厚以上的大體積混凝土，限制膨脹率應在1.8×10^-4以上，這一限制膨脹率不可能完全抵銷混凝土的干縮和溫差收縮，但由于底板混凝土受到的外約束較小，收縮應力能得到部分釋放，在徐變等因素的作用下，混凝土的收縮值不會超過混凝土的極限延伸率，混凝土不易開裂。 墻體、樓板等混凝土構件受到的外約束較大，整體的收縮性受到鄰位的限制，其收縮應力無法自由釋放，因此墻體易產生豎向裂縫。宜采用限制膨脹率在2×10^-4以上的補償收縮混凝土。 試配時，膨脹劑的摻量應根據(jù)以上不同結構部位對混凝土的限制膨脹率進行設計確定。

  4.7混凝土的養(yǎng)護問題

補償收縮混凝土的養(yǎng)護工作是很重要的。養(yǎng)護不好，混凝土照樣與普通混凝土一樣，會產生裂縫。水平的混凝土構件灑水、蓄水或覆蓋養(yǎng)護均可，但墻體灑水養(yǎng)護不易做好，也不好覆蓋，為此，我們采用延長模板的留置時間、在水平施工縫上澆水的養(yǎng)護方式進行混凝土的養(yǎng)護工作，起到了顯著的效果，模板的留置時間一般要求不得低于7d。采用這種養(yǎng)護方式，既能減少混凝土本身的水分的散失速度，又保證了墻體混凝土在早期處于一個相對地較穩(wěn)定的溫度、濕度環(huán)境，避免了風速、太陽暴曬等引起混凝土急劇干縮的因素。有效地控制了長墻結構混凝土易產生豎向裂縫的現(xiàn)象。 在施工過程中，應嚴格控制混凝土的原材料質量和用量，嚴格按混凝土的配合比拌制混凝土?；炷恋奶涠纫刂坪茫盟突炷恋娜肽Ｌ涠炔灰顺^20cm。為防止或減少混凝土表面的龜裂現(xiàn)象，必須重視混凝土表面的二次抹壓工作。抹壓的次數(shù)和時間要掌握好，可有效地減少混凝土表面的龜裂現(xiàn)象。

  5 結語

建筑結構裂縫控制是個系統(tǒng)工程，近十多年來，我國工民建向長大化、復雜化發(fā)展，商品混凝土普及應用，混凝土強度等級從C50向C80或更高的強度等級發(fā)展，這些因素導致鋼筋混凝土結構開裂的機率增多。摻膨脹劑的補償收縮混凝土在防止和大大減輕混凝土開裂作出了積極貢獻，但在膨脹劑使用過程中發(fā)現(xiàn)存在一些誤區(qū)和不盡人意地方。本文總結十多年來之經驗教訓，結合工程實踐以引導正確使用膨脹劑，將有利于提高我國補償收縮混凝土的應用技術水平，促進混凝土膨脹劑行業(yè)的新發(fā)展。

  [參考文獻]

  [1]游寶坤等，如何正確使用混凝土膨脹劑[J]，混凝土，2002，3

  [2]江云安，混凝土膨脹劑行業(yè)呼喚規(guī)范[J]，混凝土，2003

  [3]吳中偉等，高性能混凝土[M]，中國鐵道出版社，1999

  [4]星光，水泥與水泥基材料高性能化的化學與物理[J]，浙江水泥2000，4P21~23

  [5]游寶坤，我國混凝土膨脹劑的發(fā)展近況和展望[J]，混凝土2003，4P3~6

  [6]廉慧珍等，混凝土的可見與不可見裂縫[M]，中國建筑工業(yè)出版社，2003年

  [7]張利俊等，建筑物的裂縫控制技術[M]，中國建筑工業(yè)出版社，2002