1 前言

混凝土是土木、水利等建筑工程的基礎(chǔ)材料,，混凝土開裂現(xiàn)已成為土木建設(shè)工程的通病,。在相對濕度（RH）＜65%時裂縫寬度小于0.5mm，在RH＞65%時裂縫寬度小于0.3mm,，盡管這對混凝土結(jié)構(gòu)不會帶來大的危害,，但混凝土結(jié)構(gòu)受到載荷作用后，裂縫將會變寬,，無害或少害裂縫將會變成有害裂縫,。有害裂縫不僅影響到混凝土結(jié)構(gòu)的使用安全，同時也會縮短混凝土構(gòu)筑物的服役壽命,，帶來巨大的經(jīng)濟損失,。

2 混凝土開裂的危害性

混凝土在未開裂前是一個不透水，但存在不連續(xù)微裂縫且多孔的結(jié)構(gòu),。雖然隨著齡期的增長,，水泥水化強度增大，但水泥水化產(chǎn)物大多是自然界中原先不存在的,，因而必然會受到環(huán)境介質(zhì)對它的侵蝕作用,，并導(dǎo)致其損傷劣化。其中,，最常見的現(xiàn)象是混凝土開裂、表面剝落,，甚至整體服役性能的喪失,。

2.1 混凝土開裂，結(jié)構(gòu)承載能力下降

1）混凝土開裂將改變結(jié)構(gòu)的受力條件,，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部甚至整體發(fā)生破壞（見圖1^[1]）,。

2）裂縫隨著環(huán)境載荷作用的不斷變化將削弱混凝土建筑物的剛度（見圖2）。

   3）混凝土開裂會降低結(jié)構(gòu)的抗震能力,，威脅結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性,。

2.2 混凝土開裂，結(jié)構(gòu)耐久性能劣化

混凝土劣化過程大致可分為3個階段（見圖3^[2]）,。

      1）階段I：混凝土的損傷及開裂增大了滲透性,，降低了結(jié)構(gòu)保護(hù)層的有效厚度；

2）階段II：滲透性的增加加速了環(huán)境中侵蝕性介質(zhì),、空氣及水分在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳輸,；

3）階段III：混凝土性能劣化，內(nèi)部鋼筋銹蝕,，結(jié)構(gòu)服役壽命縮短,。

3 混凝土開裂的深層原因

導(dǎo)致混凝土開裂的因素很多,，從受力角度分析，主要來自如下3個方面：a.直接應(yīng)力的作用,；b.間接應(yīng)力的作用,；c.混凝土早期變形產(chǎn)生的應(yīng)力作用?；炷恋脑缙陂_裂大多是由混凝土的變形引起的,。混凝土的早期變形主要來自于其膠凝材料水化過程中的體積變形,，包括膨脹和收縮,。鋼筋混凝土產(chǎn)生的膨脹和收縮為限制膨脹和限制收縮。早期限制膨脹對混凝土不僅無害反而有益,，它可使混凝土產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力,，提高其抗裂能力。而混凝土的限制收縮則是一種背向變形,，當(dāng)收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度時,，混凝土便會開裂。

1）塑性收縮,?；炷撂幱谒苄誀顟B(tài)時，由于水分蒸發(fā)過快,，泌水率小于表面水蒸發(fā)率,，引起表面水分蒸發(fā)過快，表面變干之后,，進(jìn)一步水分蒸發(fā)將產(chǎn)生彎液面,，引起孔隙負(fù)壓并產(chǎn)生收縮，其開裂機理如圖4^[3]所示,，圖中△p 為收縮應(yīng)力,；R為半徑；γ為液體表面張力,；θ為液體和水泥基材料間的化學(xué)接觸角,。

2）自收縮。自收縮是指澆筑成型以后的混凝土在密封條件下表觀體積的減小,。自收縮的根本原因是水泥在水化過程中,，體系總體積減小?；炷磷允湛s的發(fā)展大體可以分為以下3個階段（見圖5^[4]）：a. 第Ⅰ階段：自收縮等于化學(xué)收縮,，且與水化程度成線性關(guān)系；b. 第Ⅱ階段：混凝土的骨架初步形成（凝結(jié)）,，自收縮受到限制,，自收縮小于化學(xué)收縮,；c. 第Ⅲ階段：混凝土硬化，自收縮與化學(xué)收縮相比越來越小,。

      混凝土強度等級小于C30時,，混凝土的自收縮很小，隨著混凝土強度等級的提高,，混凝土自收縮增大,，占混凝土總收縮量的比例也隨之增大。

3）溫度收縮,。溫度收縮是由混凝土中熱量的散失或溫度下降引起的,。水泥等水化時將會產(chǎn)生放熱反應(yīng)，水泥的水化放熱量越大,、放熱速率越快,，混凝土的內(nèi)外溫差越大，產(chǎn)生的收縮量也越大,。溫度收縮是混凝土開裂的主要誘因之一,。

4）沉降收縮。沉降收縮指的是混凝土成型后,，顆粒沉降產(chǎn)生的體積收縮,。這種收縮在骨料級配較差、加水量過多,、混凝土結(jié)構(gòu)厚度較大,、硬化較慢以及振搗不足的情況下容易產(chǎn)生。

5）碳化收縮,。由混凝土碳化引起的收縮僅限于表層,，易導(dǎo)致混凝土表層開裂。

4 混凝土裂縫控制新技術(shù)

4.1 水分蒸發(fā)抑制技術(shù)

以抑制混凝土水分蒸發(fā)為目的的養(yǎng)護(hù)措施是降低混凝土早期開裂風(fēng)險并實現(xiàn)其設(shè)計性能的關(guān)鍵工序,。按照混凝土力學(xué)性能的發(fā)展，養(yǎng)護(hù)可以劃分為塑性階段養(yǎng)護(hù)和硬化階段養(yǎng)護(hù),。在塑性階段,，混凝土強度較低，傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法（灑水,、覆膜等）會對混凝土表層造成負(fù)面影響^[5],，而普通養(yǎng)護(hù)劑則不能在存在泌水的混凝土表面成膜。針對上述問題,，通過引入雙親性分子結(jié)構(gòu),，在高鹽、高堿的混凝土表面泌水層上實現(xiàn)自組裝,，并形成穩(wěn)定單分子膜（見圖6）,。所形成的單分子膜在溫度為40℃,、濕度為30%、風(fēng)速為5m/s的條件下,，可抑制水泥基材料水分蒸發(fā)達(dá)75%（見圖7）,。

      塑性階段水分蒸發(fā)速率的降低大大推遲了該階段收縮驅(qū)動力（孔隙負(fù)壓）的出現(xiàn)時間，如圖8所示,，可以推遲1倍時間以上,，并降低橫向塑性收縮一半左右（見圖9）。此外,，由于該技術(shù)基于單分子膜技術(shù),，因此并不會對塑性階段較為脆弱的水泥基材料表面造成負(fù)面影響，可有效減少混凝土表面起皮和結(jié)殼等現(xiàn)象（見圖10）,。

      4.2 減縮抗裂技術(shù)

摻加減縮劑以降低混凝土的收縮是抑制混凝土殼體,、薄壁結(jié)構(gòu)等大面積暴露結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)措施，但傳統(tǒng)縮聚型減縮劑存在成本高且降低混凝土強度等缺點,。利用分子裁剪技術(shù)將具有減縮功能和提供空間位阻效應(yīng)的烷基聚醚接枝到共聚物主鏈中,，結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，由此實現(xiàn)了減縮與減水功能的統(tǒng)一,。

       減縮型減水劑對早期收縮及后期收縮的影響如圖12和圖13所示,。試驗研究表明，相對于摻萘系減水劑,，摻加減縮型減水劑的試件,，早期凝縮降低了43%；1d前自收縮降低了52%,；28d干燥收縮降低了42%,；28d的自收縮則降低了53%。此外,，減縮型減水劑的減縮效果接近傳統(tǒng)萘系減水劑加減縮劑體系的減縮效果,。減縮型減水劑對混凝土塑性開裂及干燥開裂的影響如表1和表2所示。結(jié)果表明,，摻加減縮型減水劑混凝土的塑性開裂面積僅為摻萘系減水劑混凝土的13%,，而混凝土干燥開裂的裂縫寬度相比摻萘系減水劑混凝土則降低了45%以上。

    4.3 水泥水化放熱過程的調(diào)控

大體積混凝土溫度開裂原因除了由于其尺寸較大,、溫控較難等因素外,，現(xiàn)代混凝土材料自身的特點也是不可忽視的重要因素。現(xiàn)代水泥的細(xì)度越來越高,，造成水泥早期水化速率越來越快,，水泥水化放熱過程越來越集中，使得混凝土的溫控問題變得更為突出。水泥早期快速放熱過程主要是由水泥中鋁酸三鈣（C₃A）和硅酸三鈣（C₃S）快速水化所引起,。針對該問題,，在外加劑分子中引入含多羥基的功能材料，一方面通過分子中羥基的鈣離子螯合作用抑制Ca（OH）₂結(jié)晶,，以此調(diào)節(jié)水泥基材料的凝結(jié)時間,；另一方面，通過羥基在水泥顆粒表面的吸附作用,，降低水分向水泥顆粒表面的遷移速率,，以此抑制C₃A相和C₃S相快速水化過程，降低水泥加速期的水化速率,，調(diào)控水泥的水化放熱進(jìn)程,。

水化熱調(diào)控材料對水泥放熱進(jìn)程的影響如圖14所示。從圖中可以看出,，水化熱調(diào)控材料可以降低水化速率峰值50%以上,，且隨著摻量的增加，誘導(dǎo)期顯著延長,，有效實現(xiàn)了放熱速率和凝結(jié)過程的雙重調(diào)控,。

       水泥早期放熱速率的降低顯著降低了水泥早期的放熱總量，有效優(yōu)化了水泥的放熱歷程,，可以使混凝土結(jié)構(gòu)充分利用結(jié)構(gòu)的散熱條件（自身散熱,、外部冷卻設(shè)施等）為結(jié)構(gòu)散熱贏得時間，實現(xiàn)放熱過程和散熱過程的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,，進(jìn)而達(dá)到大幅度緩解水化集中放熱程度,、削弱溫峰和溫降過程的目的。如圖15模擬結(jié)果所示（圖中所選取的混凝土單元的厚度為6m,，且在混凝土內(nèi)部埋設(shè)有間距為1m的冷卻水管）,，采取水化熱調(diào)控材料可以降低結(jié)構(gòu)溫升9.6%～15.6%，大大提高大體積混凝土的溫控效能,。

      4.4 遙爪聚合型增韌技術(shù)

現(xiàn)代工程對作為承重結(jié)構(gòu)的混凝土性能要求越來越高,。然而，在追求高強度的同時,，由于混凝土脆性所導(dǎo)致的開裂破壞也越發(fā)突出,。傳統(tǒng)的如摻加聚合物乳液和添加纖維的技術(shù)，由于材料成本高,，且摻入材料與混凝土自身屬性差異較大，雖然改善了韌性,，但也會損害混凝土的其他性能,，如工作性和強度等。已有的增韌技術(shù)多基于毫米層次,，不能從根本上改善水泥基材料的韌性,。從微納米層次出發(fā),，設(shè)計新型遙爪聚合型增韌材料，可通過改善C—S—H凝膠韌性來改善混凝土的韌性,。

遙爪聚合型增韌材料分子設(shè)計思路如圖16所示,。分子中部的嵌段結(jié)構(gòu)吸收變形過程中的能量，并提供強度及韌性,，分子兩端則是為含有強電荷極性的遙爪官能團(tuán),。增韌材料加入水泥基材料內(nèi)，遙爪官能團(tuán)中的Si—O鍵和C—S—H凝膠Si—O鍵反應(yīng)形成有機和無機雜化結(jié)構(gòu),，并以此提高C—S—H的韌性,。摻加增韌材料的混凝土斷裂能試驗結(jié)果（按DL/T 5332—2005^[6]中的楔入劈拉法進(jìn)行）如圖17和表3所示。

         實驗結(jié)果表明,，增韌材料摻量為0.5%時,，混凝土7d和28d的斷裂能分別提高86%與101%，而摻量為1.0%時,，混凝土7d和28d的斷裂能則分別提高了122%和85%,。因此，遙爪聚合型增韌材料在較低摻量下即對混凝土韌性有明顯的提升作用,。增韌材料對塑性開裂及沖擊性能的影響如表4和表5所示,。結(jié)果表明，增韌材料的摻加減小了砂漿最大裂縫寬度,、平均裂紋寬度以及總裂紋面積,，增強了材料的抗塑性開裂性能。此外,，增韌材料對砂漿抗沖擊性能的提高較為顯著,，可以達(dá)到聚丙烯纖維的效果。

5 結(jié)語

1）雙親性單分子膜水分蒸發(fā)抑制技術(shù)可減少水分蒸發(fā)達(dá)75%,，降低塑性收縮達(dá)50%,，顯著提高混凝土抗塑性開裂能力；

2）新一代接枝共聚物可進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計,，實現(xiàn)減水和減縮功能的統(tǒng)一,，控制混凝土殼體及薄壁結(jié)構(gòu)的早期開裂；

3）水化熱調(diào)控型外加劑可顯著降低水泥加速期的水化速率,，調(diào)控水化放熱歷程,，提高大體積混凝土的溫控能力；

4）混凝土抗壓強度提高,，拉壓強度比下降,，可采用原位增韌技術(shù)，提高混凝土的斷裂能，降低開裂風(fēng)險,。

參考文獻(xiàn)

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