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现代混凝土收缩开裂的评估方法与控制关键技术

晰数塔互联网快讯
2021-06-30 14:48

本文来自微信公众号：Engineering（ID：engineering2015），作者：刘加平等，题图来自：视觉中国

现代混凝土具有普遍采用化学外加剂和工业废渣的特征，降低了资源及环境消耗，提高了材料耐久性，满足了现代土木工程设计和施工的性能要求。然而，组成日趋复杂、流动度加大、早期强度发展加快的材料特性，导致混凝土收缩加大；长跨径、大体积、强约束的结构形态，以及高温、干燥等严酷环境，导致混凝土收缩开裂问题突出。

工程实践和研究表明，80%以上的开裂起因于混凝土的收缩。混凝土一旦开裂，抵抗渗透的能力大幅降低，引起渗漏，严重影响构筑物的服役性能。裂缝的存在加速了有害介质的传输速率，加剧了材料自身性能劣化和钢筋锈蚀，尤其在高温、高盐等严酷腐蚀环境下，大大缩短结构的服役寿命。Mehta和Burrows在《在21世纪建造耐久的结构物》（Building Durable Structures in the 21st Century）一文中指出，为建造在环境中可持久的混凝土结构，21世纪的混凝土工程必须以耐久性，而不是强度来驱动。要想在实际工程中真正提高混凝土结构的耐久性，从根本上解决早期收缩裂缝问题意义重大。

混凝土早期收缩包括硬化前的塑性收缩，以及硬化阶段的自收缩、干燥收缩和温降收缩。在塑性阶段，混凝土的体积变化主要表现为竖直方向的凝缩以及水平方向的塑性收缩。基于水分蒸发和毛细管负压的理论模型可用于塑性收缩的预测。

近期也有研究将体积模量的演化作为塑性收缩的主要参数，并建立了更为复杂的预测模型。在硬化阶段，收缩的测试方法比较成熟，例如，ASTM C1698-09推荐使用波纹管法以实现自浇筑成型开始的自收缩的测量。

然而，实际的工程混凝土内部温湿度及性能的发展变化，不仅受自身水化的影响，还强烈依赖于结构尺寸以及外部环境等条件。因而，恒温恒湿的标准环境下的实验室测试结果不能直接反映实际工程的收缩开裂行为。考虑不同因素的耦合影响以及不同类型收缩的交互作用，建立相应的预测模型已成为混凝土收缩开裂研究的必然趋势。

收缩开裂的表征和评估方法是研究现代混凝土早期开裂行为的关键。基于平板法、圆环法等的开裂试验，可以表征混凝土材料的开裂参数，如初裂时间、裂缝宽度、开裂面积等，但无法直接反应结构层次的开裂行为。朱伯芳院士建立了混凝土温度应力计算的理论体系，提出了水工大体积混凝土温度裂缝控制安全系数阈值，以及混凝土“半熟龄期”（semi-mature age）控制和长期保温的水工混凝土裂缝控制方法；王铁梦教授建立了温度应力简化计算公式，提出“抗与放”（prevent and lay out）的设计原则，以及“跳仓法”等裂缝控制的方法和理念。上述成果已成功地应用于实际工程，解决了普通强度等级大体积混凝土的温度裂缝控制难题。

荷兰代尔夫特理工大学建立了基于混凝土成熟度的抗裂性评估模型，并开发了二维模拟软件，同时考虑了材料种类对结构应力的影响。然而，混凝土的早期开裂行为强烈地依赖于包括强度、弹性模量和体积变形等在内的早期性能的迅速演变，而如何定量描述早龄期混凝土（特别是大体积混凝土）在温湿度变化条件下的性能演变历程，仍然是一项具有挑战性的任务。

原材料品质控制和混凝土配合比的优化设计，是减少现代混凝土收缩裂缝的有效途径。水工大体积混凝土常采用中、低热水泥以降低混凝土的温升。膨胀剂、减缩剂和高吸水性树脂等功能材料可以降低收缩，对于减少一般结构和中低强度等级混凝土的裂缝，起到了积极作用。但是，实际应用也发现，即使采用上述材料，也难以解决现代混凝土的收缩开裂问题。而鉴于实际工程的复杂性，对功能材料在实际使用过程中的性能敏感性（如温度、湿度敏感性）考虑不足，也大大影响其实际应用效果。

本文针对现代混凝土复杂的胶凝材料体系，考虑了粉煤灰和矿粉对体系水化反应活化能的影响，并以水化程度作为基本状态参数，量化描述了混凝土的早期性能演变，以及材料与环境温湿度之间复杂的交互作用，实现温湿度变化条件下多种收缩的耦合计算；建立了水化-温度-湿度-约束耦合作用下的结构混凝土收缩开裂风险评估的方法，提出了基于可靠度的开裂风险系数控制阈值。同时，针对现代混凝土收缩开裂的特点，介绍了水化温升抑制、全过程补偿收缩和化学减缩三项关键技术的作用机理及效果。在此基础之上，开发了抗裂性仿真计算软件与设计方法，根据实际工程的结构形式、环境特征和材料组成进行抗裂性计算分析。最后，介绍了上述方法和技术在地铁车站和桥梁桥塔两个典型工程中的应用。

本文旨在提出可用于实际工程混凝土收缩开裂评估与控制的理论方法和关键技术，主要结论如下：

（1）针对现代混凝土复杂的胶凝材料体系，提出考虑粉煤灰和矿粉影响的水化反应活化能的计算方法。以水化程度作为基本状态参数，基于水化-温度-湿度-约束耦合作用模型，实现变温变湿条件下自收缩、干燥收缩和温降收缩的耦合计算，以及结构混凝土收缩开裂风险的量化评估。

（2）水化温升抑制、全过程补偿收缩和化学减缩三项关键技术，能够有效降低硬化混凝土最大温升、温降收缩、自收缩和干燥收缩，减小收缩应力，降低开裂风险。

（3）基于理论模型和控制技术，开发抗裂性设计方法和系统平台；根据收缩类型、应力大小和开裂风险出现的时间点，采用对应的抗裂技术，全过程控制开裂风险，使风险系数小于阈值。工程应用结果表明，采用提出的方法和技术，混凝土结构的收缩开裂能够得到有效控制。

桥塔混凝土温度（a）、变形监测结果（b）和开裂风险计算结果（c）

以上内容来自：Jiaping Liu, Qian Tian, Yujiang Wang, Hua Li, Wen Xu.Evaluation Method and Mitigation Strategies for Shrinkage Cracking of Modern Concrete [J]. Engineering, 2021, 7(3):348-357.

本文来自微信公众号：Engineering（ID：engineering2015），作者：刘加平等