0　引言

随着混凝土技術的發展，在擺脫對水泥強度的依賴後，可以生産100 MPa以上的混凝土，C60混凝土應用越來越多。但在水泥混凝土施工中，混凝土開裂成為一項質量通病，甚至影響工程的驗收。對混凝土的早期收縮開裂趨勢的研究已被列為美國ACBM（Advanced Cement based Materials）新千年水泥混凝土的研究計劃。可見混凝土收縮和抗開裂性能的研究已成為世界混凝土科學的關注點。

然而，對于導緻現代混凝土開裂的原因，學界無一例外地将矛頭指向混凝土的主要材料——水泥。如Mehta、Neville和Aitein等從水泥工業的曆史變遷反複探讨了近代混凝土開裂破壞的原因，一緻認為是由于追求施工高速度從而力求發展早強高的水泥，這種水泥的主要特點是C3S含量高和細度細，同時為了滿足混凝土的高強要求增加了單位體積的水泥用量。雖然我國的科技工作者客觀地分析了混凝土開裂的原因，包括設計、用水量、水泥用量、硬化期間的養護、外加劑、溫度變化等，但選用低C3A、低C3S、低水化熱水泥成為首選的控制條件，并對水泥的技術指标、性能提出了要求以适應現代混凝土的需求。

誠然，水泥作為混凝土的主要材料，由于其礦物組成、粉磨細度、混合材料品質等因素影響了混凝土的抗裂性，但其僅是混凝土工程——材料、工藝、管理三部曲中的一環。對于材料、施工管理方面影響混凝土抗裂性的文獻很多，本文僅就現代混凝土技術對混凝土抗裂性的影響進行分析，望對減少混凝土工程的開裂有所裨益。管窺之見，僅供參考。

1　現代混凝土技術的主要特點

廉慧珍和韓素芳兩位混凝土界前輩在文獻中詳細闡述了現代混凝土技術的三個主要特征：使用外加劑、較低的水膠比和使用礦物摻和料。

（1）高效減水劑的出現改變了水泥本身的流變性能，可以大幅降低混凝土的水膠比，在降低水泥用量的情況下可以不依靠水泥的品種而實現混凝土的改性。因此，外加劑已成為當代混凝土的重要組成部分。

（2）由于礦物摻和料對混凝土強度的貢獻顯著依賴于水膠比，則當混凝土水膠比≥0.5 時，摻和料的作用不能得以發揮。因此除了不考慮耐久性的結構，常用的C30、C40混凝土水膠比一般都低于0.5。

（3）基于現代工程施工的泵送工藝，因此需要現代混凝土具有較大的坍落度。而在較低水膠比條件下和較大坍落度需求下，導緻現代混凝土具有較大的膠凝材料用量。

（4）為了降低現代高強度水泥及其較大用量造成的混凝土内部較高溫升，也由于可持續發展戰略的需要，礦物摻和料已逐漸成為現代混凝土必需的組分，而且有加大摻量的趨勢，尤其是用于混凝土結構耐久性的設計，礦物摻和料是必需的組分。

2　現代混凝土技術對混凝土抗裂性的影響

2.1　混凝土外加劑的使用對混凝土抗裂性的影響

對于減水劑本身對混凝土開裂的影響，王超利用受限圓環法研究了不同外加劑（減水劑、減縮劑、膨脹劑）對混凝土開裂性能的影響。結果表明：從首條上表面裂縫産生的時間順序來講，摻減水劑的混凝土最早于第6 d即在上表面産生裂縫；不摻任何外加劑的基準混凝土于第19 d産生首條表面裂縫；摻膨脹劑的混凝土于第20 d産生首條表面裂縫；摻減縮劑的混凝土于29 d産生首條表面裂縫。由此可以看出，在混凝土配合比不變的情況下，減水劑的摻入使裂縫産生的時間大大提前。

鄭建岚等開展了兩個方面的研究：一是減水劑類型和摻量對混凝土抗裂性的影響，二是減水劑品種對混凝土抗裂性的影響對比。

對于方面一的研究，鄭建岚等利用四種減水劑分别按照工程中配制高性能混凝土常用摻量的0.5倍以及常用摻量加入到膠凝材料體系中。結果表明，随着外加劑摻量從0.5倍的常用摻量增加到1.0倍的常用摻量，膠凝材料體系環形試件開裂齡期縮短；此外，不同類型的減水劑對膠凝材料體系抗裂性能影響不同，見圖1。其中，“AP1”是聚羧酸型高效減水劑，“SNF1”為聚羧酸型外加劑，其他兩種為萘系高效減水劑。

對于第二方面的研究，鄭建岚等對三聚氰胺型減水劑、聚羧酸型減水劑和萘系減水劑進行了研究。結果表明（見圖2），雖然外加劑品種對混凝土的開裂時間影響很小，但使用三聚氰胺型減水劑（MEL）的混凝土開裂面積及最大裂縫寬度相對較小，其開裂面積分别是使用聚羧酸型減水劑（PCA）和萘系減水劑（FDN）的72%和55%，最大裂縫寬度是使用聚羧酸型減水劑和萘系減水劑的52%左右。

從上述文獻研究結果可以看出，減水劑本身就對混凝土的抗裂性造成不利影響。對于減水劑惡化混凝土抗裂性的機理，沒發現有文獻對此進行解釋，不同減水劑品種混凝土抗裂性能的差别是由于外加劑的組分對混凝土收縮和凝結過程影響的不同而導緻的。

對于減水劑惡化混凝土抗裂性的機理，筆者認為主要是減水劑中堿的存在提高了混凝土中的堿含量。從減水劑的作用機理（固體顆粒表面吸附減水劑後形成雙電層，增加表面電位，由此産生的靜電斥力使固體顆粒分散；減水劑吸附層的相互作用産生的立體斥力使固體顆粒分散；攪拌水的表面張力的減小引起固體顆粒分散；溶入到水中的鈣離子被捕捉後，降低了鈣離子的濃度，從而抑制了阿利特的水化）來看，由于減水劑與水泥顆粒之間并不存在鍵合作用，因此減水劑的主要成分、聚合程度、支鍊多少與長短等都不會影響混凝土的抗裂性。但在各種減水劑的生産過程中都存在用堿中和剩餘酸的工藝，導緻減水劑中堿的存在（見表1），在配制混凝土時導緻混凝土中的堿含量提高，并成為現代混凝土抗裂性變差的原因之一。

Burrows認為堿是影響混凝土抗裂性能的最重要因素。堿使水泥快凝，标準稠度用水量增大，雖然能提高1d、3d強度，但降低28d強度。它還能與活性集料起堿集料反應，引起混凝土開裂。這些大家都很熟悉，但對堿使混凝土幹燥收縮大和易開裂的影響認識不足。堿不但增大混凝土的收縮率，即使水泥的水化速率和自由收縮值相同，堿也使混凝土的抗裂性能明顯下降。低堿水泥有良好的抗開裂性能，特别是當堿當量低于0.6%時，抗裂性大幅度提高。王善拔等認為，堿使水泥水化加快，化學減縮增大，早期收縮增大，水泥水化的加快使水化熱釋放速率加快，早期水化熱增大從而增加早期的溫度應變。此外堿使水泥水化産物變粗也可能是水泥抗裂性下降的重要原因。

Springenschmid也認為，堿使高速公路出現表面開裂。他在給Burrows的信中寫道：“我們因5%高速公路出現表面開裂而遇到很大的困難，這隻限于那些含堿當量[w（Na2O） 0.658w（K2O）]超過1.0%水泥的路段，有時堿當量達1.3%，…”。據喬齡山報道，德國“道路建築通函”18/1998（ARS18/1998）規定，用于高速公路的混凝土路面的水泥“總堿含量[w（Na2O） 0.658 w（K2O）]≤0.84%”，“最近又将使用CEMⅠ和CEMⅡ/A類水泥時的總堿含量[w（Na2O） 0.658w（K2O）]降為≤0.80%”。

為改善混凝土的抗裂性，我國的CCES01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中也指出，水泥的堿含量不宜超過水泥質量的0.6%。

2.2現代混凝土技術下的混凝土配合比及對混凝土抗裂性的影響

2.2.1現代混凝土技術對混凝土配合比的影響

現代混凝土技術以及施工技術的發展，勢必影響混凝土的配合比。表2對比分析了無減水劑、礦物摻和料混凝土和含減水劑、礦物摻和料混凝土的配合比。從表2的對比可以發現：

（1）以C30 混凝土為分析對象，可見基于現代混凝土技術的混凝土在水膠比、骨膠比兩個參數上發生了顯著的變化。現代混凝土技術降低了混凝土的水膠比，由無減水劑時的0.58降低為使用減水劑後的0.45，使用水量減少了13%，常用的C30、C40混凝土水膠比一般都低于0.5；現代混凝土技術降低了混凝土的骨膠比，由無減水劑時的5.4降低為使用減水劑後的4.5，在較低水膠比條件下和較大坍落度需求下，導緻現代混凝土具有較大的膠凝材料用量。

（2）以使用減水劑、礦物摻和料之後的不同強度等級混凝土為分析對象，可見配制混凝土強度越高，混凝土的水膠比和骨膠比越低，且與混凝土強度成對數關系（見圖3 和圖4）。

2.2.2　骨膠比降低對混凝土早期抗裂性的影響

據F.M.李介紹，由于自收縮的原因，普通矽酸鹽水泥100d的減縮值為6.3%～6.9%；又據内維爾介紹，混凝土的自身收縮的數值在0.04～0.10mm/m之間。由于幹燥的原因，淨漿的幹燥收縮可達4.0 mm/m，一般混凝土的幹燥收縮在0.3～0.6 mm/m之間。巨大的收縮量會導緻約束條件下淨漿硬化結構的破壞。

為了解決此問題，混凝土應運而生，利用骨料的骨架作用限制水泥漿體的收縮。吳中偉、廉慧珍在其《高性能混凝土》一書中進行了詳細的介紹，并指出：集料因其彈性模量大于水泥漿體的彈性模量，故在混凝土中起限制變形的作用。

集料用量對混凝土自收縮的影響見圖5 和圖6。從圖中結果可見集料用量或骨膠比顯著影響着混凝土的自收縮，并進而影響混凝土的抗裂性。因此，基于現代混凝土技術的混凝土骨膠比的降低，也是現代混凝土抗裂性變差的原因之一。

2.2.3　水膠比降低對混凝土早期抗裂性的影響

減水劑的使用，在保持混凝土具有較高流動性的情況下，大幅度降低了混凝土的水膠比，從而使混凝土具有較高的強度以發揮礦物摻和料的作用。但較低的水膠比卻帶來了混凝土自收縮的增加，大大增加了混凝土早期開裂的風險，此為現代混凝土抗裂性差的另一原因。

表3為筆者等在制定JC/T 2234—2014《水泥早期抗裂性試驗方法》标準時進行的不同用水量下的淨漿抗裂性的試驗結果。從表3的結果可以看出，水泥淨漿的用水量顯著影響水泥的抗裂性，随着水灰比的降低，水泥的抗裂性呈線性降低，見圖7。

對不同水膠比的高強度混凝土的早期開裂行為進行了研究，得出了水膠比在0.30～0.40 之間時水膠比越低混凝土開裂趨勢越大的結論，見圖8。

之所以混凝土的水膠比顯著影響其抗裂性，原因是低水膠比增大了水泥漿體的自收縮。“在與外界無交換的情況下，水泥漿體試件内部含水率随水灰比的降低而下降。因無水分的補充，故随着水泥水化的進行，試件表面的水分向内部遷移。水灰比越小，這種遷移越困難，内外含水差别越小，内部含水率越小（見圖9）。在混凝土硬化後，水泥的化學減縮會使混凝土的内部形成毛細孔。當孔隙水的遷移速率低于毛細孔形成速率時，則内部含水率自發地降低，使毛細孔趨于不飽和狀态，發生自幹燥現象，引起毛細孔壓力增大而産生自收縮。水泥漿體内部相對濕度由100%降低到80%時，毛細孔壓力從0 增加到30 MPa”。

從圖10 的結果可見，降低混凝土的水膠比，會導緻混凝土早期收縮大大增加（7 d齡期前）；而從圖11的結果可以看出，降低水泥漿體的水膠比除了增大漿體的自收縮外，還影響自收縮出現的時間：當水膠比低于0.30 時終凝後就開始産生自收縮。

根據宮澤伸君等的試驗結果，水灰比為0.4時，自收縮占總收縮的40%；水灰比為0.3時，自收縮占總收縮的50%；水灰比為0.17時，自收縮占總收縮的100%。

另外，現代混凝土的低水膠比也是導緻塑性開裂的主要原因。混凝土的塑性開裂是指在混凝土塑性階段，在高溫或風速較大的季節，大面積暴露的新鮮混凝土表面，在混凝土終凝之前産生收縮裂紋。塑性開裂産生的直接原因就是：水蒸發速度大于混凝土表面的泌水速度。因此，要避免混凝土的塑性開裂，必須保證混凝土有一定的泌水率和泌水時間（即穩定時間）。圖12為筆者等制定JC/T 2153—2012《水泥泌水性試驗方法》标準時的試驗結果，此結果表明，為降低塑性開裂風險，混凝土應具有一定時間的泌水和泌水量。文獻也介紹了Wittmann的研究結果，即水灰比減小增大了塑性開裂的風險。而現代混凝土的低水膠比趨勢則明顯降低了混凝土的泌水或根本無水可泌（見圖9），加劇了現代混凝土的塑性開裂。

以上研究結果表明，混凝土配合比——水膠比和骨膠比顯著影響混凝土的抗裂性。而基于現代混凝土技術的低水膠比、低骨膠比，則惡化了混凝土的抗裂性，無論是塑性開裂還是早期開裂、甚至後期開裂。因此，如何在控制原材料的情況下，調整現代混凝土的配合比來提高混凝土的抗裂性，值得業界考慮。

2011年12月1日新版的JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》正式實施。此次修訂是繼2000年後、相隔11年的重大修訂。但本規程出台後引來一些意見。指出：雖在《規程》條文說明第3.0.1表明該《規程》修訂的目的：“……強調混凝土配合比設計應滿足耐久性能要求，這是本次修訂的重點之一……”，但是除了在前言中說明本次修訂的主要技術内容的第2點是：“增加并突出了混凝土的耐久性的規定”和強制性條文第6.2.5條“對耐久性有設計要求的混凝土應進行相關耐久性試驗驗證”，此外基本上未見有關耐久性的規定。指出：由于鋼筋混凝土結構的配筋率越來越高、混凝土強度等級越來越大，混凝土結構開裂，特别是早期開裂的現象已經非常普遍，嚴重威脅到了鋼筋混凝土結構的服役壽命。開裂雖然算不上直接意義的耐久問題，但“一旦開裂，則在僅有不到一個月的濕熱氣候下，就有可能引起鋼筋的鏽蝕。對于在一年中的大部分季節處于濕熱氣候的深圳，則鋼筋鏽蝕就成為主要問題，但是一年中大約有2 個月相對濕度在50%以下，碳化收縮與幹燥收縮聯合作用而發生的開裂傾向也是需要重視的”。但遺憾的是該規程限定的是膠凝材料的最少用量，而非最大用量（見JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》）。

2.3　礦物摻和料的使用對現代混凝土抗裂性的影響

為了降低現代高強度水泥及其較大用量造成的混凝土内部較高溫升，也由于可持續發展戰略的需要，礦物摻和料已逐漸成為現代混凝土必需的組分，而且有加大摻量的趨勢，估計目前國内混凝土中的礦物摻和料占到膠凝材料的20%～40%。但礦物摻和料的使用，帶來另一個問題，即“大摻量礦物摻和料使膠凝材料中SO3不足”，并導緻“混凝土早期強度低、凝結緩慢、收縮大”，由此提高混凝土開裂的風險，惡化混凝土的抗裂性。

另外，膠凝材料中SO3不足還會導緻其他的不良影響：在SO3不足的情況下隻能生成單硫型水化硫鋁酸鹽。單硫型水化硫鋁酸鹽在混凝土中是不穩定的，易向三硫型水化硫鋁酸鹽轉化，同時發生體積膨脹，擴大到原來的2.2倍。單硫型水化硫鋁酸鹽在低溫冰凍條件下不穩定，有CO2和氯鹽侵入易分解為單氯化物、碳酸鹽和石膏，進而轉化為鈣礬石，由此導緻二次鈣礬石結晶膨脹的風險，應引起相關業界的重視。

3　結束語

混凝土工程的開裂現象是多因素的綜合結果，涉及混凝土所用的材料、混凝土的配合比、混凝土的生産以及施工管理等諸多因素。

單就基于現代混凝土技術的混凝土特點而言，減水劑、礦物摻和料的使用以及現代混凝土的低水膠比、低骨膠比增加了混凝土開裂的風險，惡化了混凝土的抗裂性，且随混凝土強度等級的提高混凝土開裂的風險增大。

在控制混凝土生産用原材料品質的同時，如何通過混凝土配合比的合理設計并采取相應的措施避免混凝土的開裂應是業界關注的問題。（來源：《水泥》2019.02）

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