21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)建設(shè)進(jìn)入到高速發(fā)展階段，重大基礎(chǔ)工程規(guī)?？涨?，城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，各種超高、超長(zhǎng)、超大型結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，對(duì)混凝土的強(qiáng)度、流動(dòng)性和耐久性提出了新的更高的要求。
以普遍采用化學(xué)外加劑和工業(yè)廢渣為特征的現(xiàn)代混凝土，降低了資源消耗，提高了材料耐久性，滿足了現(xiàn)代土木工程設(shè)計(jì)和施工的性能要求，為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展提供了強(qiáng)力支撐。然而，工程實(shí)踐卻發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)的早期開裂問(wèn)題愈發(fā)凸顯，由此導(dǎo)致的混凝土性能劣化速率加快，對(duì)構(gòu)筑物的長(zhǎng)期耐久性能和服役壽命埋下了巨大隱患。
混凝土的早期收縮開裂分布更廣
現(xiàn)代混凝土技術(shù)的核心是其高耐久性，重大工程的壽命設(shè)計(jì)達(dá)到了上百年甚至更久。然而，實(shí)驗(yàn)室精心設(shè)計(jì)且經(jīng)過(guò)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證的高性能混凝土，在交付工程使用后卻因開裂問(wèn)題導(dǎo)致了更早的破壞。混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境復(fù)雜多樣，裂縫的產(chǎn)生給混凝土的耐久性和結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)了極大的隱患。
雖然存在少數(shù)可見(jiàn)裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下仍能繼續(xù)運(yùn)行，但混凝土一旦出現(xiàn)裂縫，其抵抗介質(zhì)傳輸?shù)哪芰⒋蠓档?，從而?duì)混凝土長(zhǎng)期耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。裂縫不僅會(huì)降低混凝土自身抵抗水分侵入的能力，還為氣體、離子等侵蝕性介質(zhì)侵入提供了通道，造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足。同時(shí)，裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度等形態(tài)參數(shù)均會(huì)影響介質(zhì)在其中的傳輸。
相較于荷載裂縫，收縮裂縫在數(shù)量和空間上分布的范圍更廣。工程實(shí)踐表明，在約束條件下由于收縮引起的拉應(yīng)力而誘發(fā)的開裂約占開裂總數(shù)的80%以上，因此，抑制混凝土早期收縮開裂對(duì)于保障混凝土的長(zhǎng)期耐久性能和服役壽命意義重大。
收縮開裂的抑制技術(shù)
鑒于收縮開裂影響因素多，涉及環(huán)節(jié)多，抑制現(xiàn)代混凝土的收縮開裂需要從設(shè)計(jì)、材料、施工、檢測(cè)、管理等方面建立一整套關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土抗裂性可設(shè)計(jì)、可控制、可檢驗(yàn)的目標(biāo)。
抗裂性設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的研究積累，針對(duì)現(xiàn)代混凝土復(fù)雜的膠凝材料體系，以膠凝材料水化程度作為基本狀態(tài)參數(shù)，量化描述了混凝土的早期性能演變，以及材料與環(huán)境溫濕度之間復(fù)雜的交互作用，實(shí)現(xiàn)溫濕度變化條件下多種收縮的耦合計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，建立了水化—溫度—濕度—約束耦合作用下的結(jié)構(gòu)混凝土收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提出了基于可靠度的開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)控制閾值?；谏鲜隼碚撃Ｐ停岢隽酸槍?duì)超長(zhǎng)、大體積、強(qiáng)約束、高強(qiáng)等典型結(jié)構(gòu)或工況的混凝土抗裂性設(shè)計(jì)方法，根據(jù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境條件、材料性能和施工工藝，評(píng)估混凝土收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)，量化關(guān)鍵影響因素，進(jìn)而從混凝土材料和實(shí)體結(jié)構(gòu)雙重角度提出抗裂性關(guān)鍵控制指標(biāo)，以全過(guò)程控制結(jié)構(gòu)混凝土收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)不超過(guò)閾值。
混凝土塑性階段收縮開裂抑制技術(shù)。針對(duì)混凝土凝結(jié)硬化前的塑性階段，即澆筑之后的數(shù)小時(shí)時(shí)間段，因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的塑性收縮開裂，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了混凝土塑性階段水分蒸發(fā)抑制劑，通過(guò)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(shí)現(xiàn)自組裝，并形成穩(wěn)定單分子膜。在溫度40℃、相對(duì)濕度30%和風(fēng)速5m/s的條件下，可以降低混凝土塑性階段水分蒸發(fā)75%以上，減少塑性收縮50%以上，有效地抑制了極端干燥環(huán)境下混凝土的表面結(jié)殼、起皮和塑性開裂現(xiàn)象。
裂縫控制成套技術(shù)方案
應(yīng)用于各類工程
在上述抗裂性設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上，針對(duì)工程建設(shè)的具體工況條件，從原材料品質(zhì)控制、混凝土配合比優(yōu)化、合適的抗裂功能材料選取、施工工藝優(yōu)化、抗裂性監(jiān)測(cè)等方面提出了裂縫控制措施，形成了集設(shè)計(jì)、材料、施工、監(jiān)測(cè)于一體的收縮裂縫控制成套技術(shù)方案。
大暴露面結(jié)構(gòu)混凝土。蘭新鐵路第二雙線沿線地區(qū)夏季高溫、干旱、少雨，蒸發(fā)環(huán)境惡劣。9月最高氣溫超過(guò)30℃，日光照射下混凝土表面溫度達(dá)到40℃以上，環(huán)境相對(duì)濕度低于30%，平均風(fēng)速達(dá)9～10m/s。針對(duì)這種惡劣干燥環(huán)境下，暴露的道床板混凝土存在的表面結(jié)殼甚至嚴(yán)重的塑性開裂問(wèn)題，選用了塑性階段水分蒸發(fā)抑制技術(shù)，在混凝土澆筑后立刻噴灑一次水分蒸發(fā)抑制劑，表面結(jié)殼現(xiàn)象得到明顯緩解，并有效遏制了塑性開裂，確?？蛇M(jìn)行正常收平施工。在收平工序完成后，再噴灑一次水分蒸發(fā)抑制劑塑性裂縫控制效果可更好。該技術(shù)在蘭新鐵路第二雙線新疆段全線得到了應(yīng)用，有效抑制了這種極端干燥環(huán)境下大暴露面混凝土的表面結(jié)殼、起皮和塑性開裂現(xiàn)象。同時(shí)，該技術(shù)也推廣應(yīng)用到烏東德、白鶴灘水電站等干熱河谷地區(qū)工程，很好地解決了該地區(qū)水工混凝土施工時(shí)大暴露倉(cāng)面表層早期快速失水變干、起皮及開裂問(wèn)題。
混凝土收縮裂縫控制和耐久性提升是系統(tǒng)性、整體性工程，需要“政策引導(dǎo)”和“技術(shù)支撐”，需要設(shè)計(jì)、材料、施工、檢測(cè)、管理等參與各方的共同努力，建立一整套控制技術(shù)和流程，做到設(shè)計(jì)先行、過(guò)程嚴(yán)控、效果可測(cè)。
本文原載于《中國(guó)建材報(bào)》12月4日1版《院士論壇 | 減少收縮開裂是提高混凝土耐久性的前提》
