21世纪以来，我国建设进入到高速发展阶段，重大基础工程规模空前，城镇化高速发展，各种超高、超长、超大型结构不断涌现，对混凝土的强度、流动性和耐久性提出了新的更高的要求。
以普遍采用化学外加剂和工业废渣为特征的现代混凝土，降低了资源消耗，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，为基础设施建设的蓬勃发展提供了强力支撑。然而，工程实践却发现，混凝土结构的早期开裂问题愈发凸显，由此导致的混凝土性能劣化速率加快，对构筑物的长期耐久性能和服役寿命埋下了巨大隐患。
混凝土的早期收缩开裂分布更广
现代混凝土技术的核心是其高耐久性，重大工程的寿命设计达到了上百年甚至更久。然而，实验室精心设计且经过耐久性试验验证的高性能混凝土，在交付工程使用后却因开裂问题导致了更早的破坏。混凝土结构的服役环境复杂多样，裂缝的产生给混凝土的耐久性和结构安全带来了极大的隐患。
虽然存在少数可见裂缝的混凝土结构在荷载作用下仍能继续运行，但混凝土一旦出现裂缝，其抵抗介质传输的能力将大幅降低，从而对混凝土长期耐久性产生严重损害。裂缝不仅会降低混凝土自身抵抗水分侵入的能力，还为气体、离子等侵蚀性介质侵入提供了通道，造成混凝土结构耐久性不足。同时，裂缝的长度、宽度、深度等形态参数均会影响介质在其中的传输。
相较于荷载裂缝，收缩裂缝在数量和空间上分布的范围更广。工程实践表明，在约束条件下由于收缩引起的拉应力而诱发的开裂约占开裂总数的80%以上，因此，抑制混凝土早期收缩开裂对于保障混凝土的长期耐久性能和服役寿命意义重大。
收缩开裂的抑制技术
鉴于收缩开裂影响因素多，涉及环节多，抑制现代混凝土的收缩开裂需要从设计、材料、施工、检测、管理等方面建立一整套关键技术，实现混凝土抗裂性可设计、可控制、可检验的目标。
抗裂性设计。团队经过多年的研究积累，针对现代混凝土复杂的胶凝材料体系，以胶凝材料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；在此基础上，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模型，提出了基于可靠度的开裂风险系数控制阈值。基于上述理论模型，提出了针对超长、大体积、强约束、高强等典型结构或工况的混凝土抗裂性设计方法，根据实际工程结构特征、环境条件、材料性能和施工工艺，评估混凝土收缩开裂风险，量化关键影响因素，进而从混凝土材料和实体结构双重角度提出抗裂性关键控制指标，以全过程控制结构混凝土收缩开裂风险系数不超过阈值。
混凝土塑性阶段收缩开裂抑制技术。针对混凝土凝结硬化前的塑性阶段，即浇筑之后的数小时时间段，因水分蒸发而产生的塑性收缩开裂，团队开发了混凝土塑性阶段水分蒸发抑制剂，通过引入双亲性分子结构，在高盐、高碱的混凝土表面泌水层上实现自组装，并形成稳定单分子膜。在温度40℃、相对湿度30%和风速5m/s的条件下，可以降低混凝土塑性阶段水分蒸发75%以上，减少塑性收缩50%以上，有效地抑制了极端干燥环境下混凝土的表面结壳、起皮和塑性开裂现象。
裂缝控制成套技术方案
应用于各类工程
在上述抗裂性设计和关键技术开发的基础上，针对工程建设的具体工况条件，从原材料品质控制、混凝土配合比优化、合适的抗裂功能材料选取、施工工艺优化、抗裂性监测等方面提出了裂缝控制措施，形成了集设计、材料、施工、监测于一体的收缩裂缝控制成套技术方案。
大暴露面结构混凝土。兰新铁路第二双线沿线地区夏季高温、干旱、少雨，蒸发环境恶劣。9月最高气温超过30℃，日光照射下混凝土表面温度达到40℃以上，环境相对湿度低于30%，平均风速达9～10m/s。针对这种恶劣干燥环境下，暴露的道床板混凝土存在的表面结壳甚至严重的塑性开裂问题，选用了塑性阶段水分蒸发抑制技术，在混凝土浇筑后立刻喷洒一次水分蒸发抑制剂，表面结壳现象得到明显缓解，并有效遏制了塑性开裂，确保可进行正常收平施工。在收平工序完成后，再喷洒一次水分蒸发抑制剂塑性裂缝控制效果可更好。该技术在兰新铁路第二双线新疆段全线得到了应用，有效抑制了这种极端干燥环境下大暴露面混凝土的表面结壳、起皮和塑性开裂现象。同时，该技术也推广应用到乌东德、白鹤滩水电站等干热河谷地区工程，很好地解决了该地区水工混凝土施工时大暴露仓面表层早期快速失水变干、起皮及开裂问题。
混凝土收缩裂缝控制和耐久性提升是系统性、整体性工程，需要“政策引导”和“技术支撑”，需要设计、材料、施工、检测、管理等参与各方的共同努力，建立一整套控制技术和流程，做到设计先行、过程严控、效果可测。
本文原载于《中国建材报》12月4日1版《院士论坛 | 减少收缩开裂是提高混凝土耐久性的前提》
