3.2　防裂技术研究

从前面叙述的混凝土开裂原因可知，防止混凝土的收缩裂缝，需要从混凝土材料、施工工艺和结构设计等方面进行系统研究。其中，混凝土材料是基础，材料性能指标不仅决定其使用性能，也是设计和施工的基本参数，目前比较成熟的混凝土防裂技术主要有3项，即补偿收缩混凝土防裂技术、纤维混凝土防裂技术和低胶低热混凝土防裂技术，这3项技术已经在国内得到不同程度的推广应用，取得了预期的使用效果。现分述如下。

3.2.1　补偿收缩混凝土

补偿收缩混凝土是在水泥中掺入膨胀剂或直接用膨胀水泥拌制而成的一种特种混凝土，当膨胀受到约束产生0.2～0.7MPa预压应力，能大致地抵消混凝土中出现的拉应力。研究表明，水泥与水拌和后产生的化学减缩约为7～9m L/100g水泥，当混凝土中水泥用量为380kg/m3时，其化学减缩达26.6～34.2L/m3，内部形成了许多孔缝，每100g水泥浆可蒸发水达6m L，故水泥砂浆一般干缩值为0.1%～0.2%，混凝土为0.04%～0.06%，当混凝土内外温差为10℃时，其冷缩值约为0.01%。构筑物产生裂缝的原因是十分复杂的，就材料而言，混凝土的收缩和徐变是主要原因，水泥化学工作者的任务之一就是如何使水泥产生适度膨胀，补偿混凝土的各种收缩，使其不裂或少裂，经过几十年的研究，这一难题已得到逐步解决。膨胀混凝土补偿收缩机理是许多研究者感兴趣的问题之一，围绕这个问题各国学者提出了不同的看法。传统的补偿收缩模式认为只要混凝土的收缩不超过Sk（混凝土的极限延伸率），混凝土便不会开裂。从这个观点出发，限制膨胀时，膨胀率大，收缩后达不到Sk，因此混凝土不会出现开裂。

我们认为，单纯地把膨胀值作为衡量补偿收缩混凝土抗裂性能好坏的标准是不全面的。除膨胀值外，混凝土本身的某些性能（包括强度、徐变等）也是防止混凝土开裂的重要因素。大量试验已经证明，对补偿收缩混凝土施加限制后，强度有不同程度的增加，从而提高了混凝土的抗裂性能。日本学者指出，膨胀大并不一定是抗裂性能好，更重要的是膨胀后收缩落差小，抗裂性能才好。P.E.Halstead指出“要想充分利用自应力水泥，确定出最后应力是非常必要的，因而要考虑到一些应力的余量，以克服徐变造成的应力损失；同时还应将自应力混凝土强度的增加同样考虑在计算当中”。还有的文献指出“仅仅用膨胀量与收缩相互抵消的解释是不完全的。由于补偿收缩混凝土的硬化过程推迟了收缩的产生过程，所以抗拉强度在此期间获得较大幅度的增长，当混凝土收缩开始时，其抗拉强度已经增长到足以抵抗收缩应力的程度，从而减少了收缩裂缝的出现”。从应力角度看，由于补偿收缩混凝土在养护期间产生0.2～0.7MPa的自应力值，可大致抵抗由于干缩、冷缩等引起的拉应力，并由于在膨胀过程中推迟了混凝土收缩发生的时间，混凝土抗拉强度得以进一步增长，当混凝土开始收缩时，其抗拉强度已可以或基本可以抵抗收缩应力，从而使混凝土不裂。从变形角度讲，结构中混凝土主要变形有：冷缩（St）、干缩（Sd）和受拉徐变（CT），采用补偿收缩混凝土后，引入限制膨胀变形（ε2），这些变形中St、Sd是有害变形，而CT和ε2是有益变形。当ε2-（St＋Sd-CT）≤Sk时，混凝土不开裂。若采用普通混凝土，则总收缩为CT-St-Sd，这个量比较大，所以，规范要求约30m设伸缩缝或后浇带，用以释放收缩变形产生的拉应力，采用补偿收缩混凝土后，设伸缩缝或后浇带一般可延长至60m。

补偿收缩混凝土另一特点是抗渗能力强，这是由于水泥水化过程中形成了膨胀结晶体水化硫铝酸钙，它具有填充、堵塞毛细孔缝的作用。例如，掺入U形膨胀剂（UEA）的水泥，用高压水银测孔仪测定，其总孔隙减少40%以上。从孔分布来看，由于UEA混凝土中的大孔减少，总孔隙率下降，故抗渗能力高于普通混凝土。补偿收缩混凝土与普通混凝土主要区别在于：①由于限制膨胀的作用，改善了混凝土的应力状态；②由于钙矾石填孔的作用使水泥石中的大孔变小，总孔隙率减小，改善了混凝土的孔结构，从而提高了混凝土的抗渗性。补偿收缩混凝土与一般掺氯化铁，三乙醇胺、FS、JP-1等防水剂的混凝土有本质区别，尽管两者都可提高抗渗性，但一般防水混凝土没有补偿收缩能力，不能产生0.2～0.7MPa的自应力值，抗裂性差。我们认为抗渗的前提是抗裂，补偿收缩混凝土同时具有抗裂和防渗双重功能，这也是它适用于结构自防水工程的原因。目前，在我国混凝土防裂技术领域，补偿收缩混凝土是主要技术手段，尽管在应用过程中也存在一些问题，但是瑕不掩瑜，从技术原理看，它也是未来混凝土防裂技术的主流。2009年，颁布的国家标准《混凝土膨胀剂》（GB 23439—2009）和建设部行业标准《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T 178—2009），对提高我国混凝土膨胀剂产品的技术水平，规范补偿收缩混凝土的使用具有重要作用，也是补偿收缩混凝土发展的新契机。

3.2.2　纤维混凝土

纤维混凝土属于纤维复合材料，只是与玻璃钢等材料相比，纤维用量较少，且混凝土基体的破坏应变比纤维小很多，所以其中的纤维不是用来增强基体的刚度和强度，而是提高基体开裂后的韧性。所以纤维混凝土研究的重点在于水泥混凝土基体开裂后纤维的承载能力。研究表明，当纤维的掺加量达到临界纤维体积时，纤维将承担全部合作，有可能产生多缝开裂状态，这是人们希望的情况，因为它基本上改变了混凝土材料的单缝开裂、断裂性能低的情况，而成为一种假延性材料。这种材料能吸收暂时的、较小的过载荷重及冲击荷重，很少看得出损坏。因此材料工程师的目的往往是想让材料开裂时的裂缝间距尽量密，裂缝数量多而裂缝宽度极细（譬如说小于0.1mm），在粗糙的混凝土表面，与一般钢筋混凝土最大允许裂缝宽度0.3mm相比，这些裂缝肉眼几乎看不见，亦即通过在混凝土中掺加纤维，将裂缝控制在无害的范围。

已经用于水泥混凝土中的纤维有许多种，如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和聚丙烯纤维（杜拉纤维）等，其中碳纤维由于价格高昂，目前仅在加固修补中少量使用；玻璃纤维因为在普通混凝土中的腐蚀问题，也没有使用在承重结构方面，仅作为维护结构和装饰制品，如GRC制品；在混凝土结构工程中使用较多的还是钢纤维和聚丙烯纤维，钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用在于阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗弯、抗剪、抗扭强度等有明显的改善作用，当纤维体积率在1%～2%范围内，抗拉强度提高40%～80%，抗弯强度提高60%～120%，用直接双面剪试验所测定的抗剪强度提高50%～100%，抗压强度提高幅度较小，一般为0～25%。钢纤维混凝土中，纤维体积率、长径比、几何形状、分布和取向以及纤维与混凝土之间的黏结强度都是影响钢纤维混凝土力学性能的主要因素。当纤维含量较小时，对混凝土起不到增强作用，钢纤维混凝土仍然呈现普通混凝土的破坏特性，因此钢纤维体积率不应小于0.5%，但是，纤维体积率也不能过大，纤维过多将使施工拌和更加困难，纤维不可能均匀分布，同时，包裹在每根纤维周围的水泥胶体少，钢纤维就会因纤维与基体间黏结不足而过早破坏。长径比越大，其对混凝土的增强效果就越好，但过长过细的钢纤维在与混凝土拌和过程中容易结团弯折，使纤维难以均匀分布和配向良好。只有在适当的纤维体积率和纤维长径比内，钢纤维混凝土的力学性能才会随纤维体积率和长径比的增大而明显改善。钢纤维混凝土弹性阶段的变形性能与其他条件相同的普通混凝土没有显著差别，受压弹性模量和泊松比与普通混凝土基本相同，受拉弹性模量随纤维掺量增加有0～20%的小幅度提高，在设计中可以忽略这种差别。在通常的纤维掺量下，抗压韧性可提高2～7倍，抗弯韧性可提高几十倍到上百倍，弯曲冲击韧性可提高2～4倍。国内使用较多的聚丙烯纤维也称PP纤维，掺量约0.8～1.0kg/m3，短切乱向分布于混凝土中，与钢纤维相比具有价格低、施工性好的特点，但因弹性模量比混凝土低，且掺量太少，故对混凝土物理力学性能没有贡献，仅在混凝土凝结硬化初期对塑性裂缝有一定的抑制作用，混凝土凝结硬化之后，强度和弹性模量增加，聚丙烯纤维即不起作用。

3.2.3　低胶低热混凝土

多年来，国内外的水泥混凝土专业科技人员做了很多研究及开发工作，使混凝土技术从普通强度混凝土发展到高强度混凝土与高性能混凝土，取得了很大的发展。近年来国外已有研究人员在研究低水泥用量的混凝土；国内吴中伟院士也提出“环保高效水泥基材料”的命题。低水泥用量混凝土，就是以较大幅度节约自然矿产资源、节约能源、控制和减少污染、控制环境负荷为目的，拟通过试验研究，使大宗混凝土中的水泥用量降低30%以上。目前我国水泥混凝土配制中，普通强度混凝土每立方消耗水泥300～400kg，占拌和物总重量的12.5%～16.7%；较高强度的混凝土每立方消耗水泥500～550kg，占拌和物总重量的20.8%～23%；在低水泥用量混凝土中，水泥用量占拌和物总重量的比例应努力降低至6%～12%，争取实现在水泥熟料年产量与目前相比基本不增加的前提下，满足混凝土用量翻一番的社会需求。

近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。20世纪30年代平均为10MPa，50年代约为20MPa，60年代约为30MPa，70年代已上升到40MPa，发达国家越来越多地使用50MPa以上的高强混凝土，这是由于使用部门不断提高强度的要求所致。片面提高强度尤其是早期强度而忽视其他性能的倾向，造成水泥生产向大幅度提高磨细程度和增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥28d胶砂抗压强度从30MPa猛增到60MPa，增加了水化热，降低了抗化学侵蚀的能力，流变性能变差。提高混凝土强度的方法除采用高标号水泥外，更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比与单方用水量。因此混凝土的和易性随之下降，施工时振捣不足，易引起质量事故。直到80年代，混凝土耐久性问题愈显尖锐，因混凝土材质劣化和环境等因素的侵蚀，出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌等事故，造成巨大损失，加上施工能耗、环境保护等问题，传统的水泥混凝土已显示出不可持续发展的缺陷。

水工混凝土防裂问题是当今水电工程建设中面临的主要技术难题，解决水工混凝土的裂缝，首先应优化水工混凝土配合比，解决水工混凝土绝热温升和温控问题。贵阳院依托贵州省光照水电站、董箐水电站、石垭子水电站等工程，采用“三低一高”的混凝土配合比设计方法，通过大量的室内外试验研究，配制低热高性能混凝土（LHHPC），并成功应用在水电工程常态、碾压混凝土中。经应用研究表明：采用普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰等无特殊要求的混凝土原材料，辅以高性能减水剂配制的低热高性能混凝土，粉煤灰掺量在碾压混凝土中达70%～80%，在常态混凝土中可提高到40%～60%。混凝土的工作性能以及热学、耐久性能均有较大幅度的改善，混凝土的抗裂性能得到提高，同时具有较为明显的经济效益、环保效益和社会效益，在水电工程中具有很好的推广价值。

低热混凝土具有常规混凝土所不具备的早期低热、后期强度发展快等优点。除了经济因素外，目前制约着低热混凝土广泛使用的主要因素是其早龄期的低强度，但是低强度并不一定意味着低的抗裂性能。水工大体积混凝土开裂的主要原因是温度应力，其产生与温度梯度和混凝土的自身性质均有关，而温度断裂试验是一个可以综合考虑混凝土自身性质和外界温度条件的试验手段，值得深入进行研究探讨。