21世紀以來，我國建設(shè)進入到高速發(fā)展階段，重大基礎(chǔ)工程規(guī)?？涨埃擎?zhèn)化高速發(fā)展，各種超高、超長、超大型結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，對混凝土的強度、流動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)展提供了強力支撐。然而，工程實踐卻發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)的早期開裂問題愈發(fā)凸顯，由此導(dǎo)致的混凝土性能劣化速率加快，對構(gòu)筑物的長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)計達到了上百年甚至更久。然而，實驗室精心設(shè)計且經(jīng)過耐久性試驗驗證的高性能混凝土，在交付工程使用后卻因開裂問題導(dǎo)致了更早的破壞?；炷两Y(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)安全帶來了極大的隱患。
雖然存在少數(shù)可見裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下仍能繼續(xù)運行，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?，從而對混凝土長期耐久性產(chǎn)生嚴重損害。裂縫不僅會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，裂縫的長度、寬度、深度等形態(tài)參數(shù)均會影響介質(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于保障混凝土的長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、材料、施工、檢測、管理等方面建立一整套關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)混凝土抗裂性可設(shè)計、可控制、可檢驗的目標。
抗裂性設(shè)計。團隊經(jīng)過多年的研究積累，針對現(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，實現(xiàn)溫濕度變化條件下多種收縮的耦合計算；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)混凝土收縮開裂風險評估模型，提出了基于可靠度的開裂風險系數(shù)控制閾值?；谏鲜隼碚撃Ｐ停岢隽酸槍ΤL、大體積、強約束、高強等典型結(jié)構(gòu)或工況的混凝土抗裂性設(shè)計方法，根據(jù)實際工程結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境條件、材料性能和施工工藝，評估混凝土收縮開裂風險，量化關(guān)鍵影響因素，進而從混凝土材料和實體結(jié)構(gòu)雙重角度提出抗裂性關(guān)鍵控制指標，以全過程控制結(jié)構(gòu)混凝土收縮開裂風險系數(shù)不超過閾值。
混凝土塑性階段收縮開裂抑制技術(shù)。針對混凝土凝結(jié)硬化前的塑性階段，即澆筑之后的數(shù)小時時間段，因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的塑性收縮開裂，團隊開發(fā)了混凝土塑性階段水分蒸發(fā)抑制劑，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。在溫度40℃、相對濕度30%和風速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)計和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上，針對工程建設(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)測等方面提出了裂縫控制措施，形成了集設(shè)計、材料、施工、監(jiān)測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30℃，日光照射下混凝土表面溫度達到40℃以上，環(huán)境相對濕度低于30%，平均風速達9～10m/s。針對這種惡劣干燥環(huán)境下，暴露的道床板混凝土存在的表面結(jié)殼甚至嚴重的塑性開裂問題，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，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)水工混凝土施工時大暴露倉面表層早期快速失水變干、起皮及開裂問題。
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、材料、施工、檢測、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)計先行、過程嚴控、效果可測。
本文原載于《中國建材報》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》
