1、 前 言
　　水泥和混凝土的關系，前者是后者產品質量的賴以生存的根基。水泥的強度，尤其是早期強度越來越高，雖然也是生產技術進步的一種表現，但也是一種盲目地追求市場結果的商業(yè)性行為——即滿足混凝土早期強度不斷提高的要求。從過去的習慣性思維來講，由于人們對工程質量所注重的就是混凝土的強度表征，自然對水泥的要求也主要注重強度。盡管由于混凝土的耐久性問題開始顯現，人們開始重視混凝土結構物的耐久性，但在實踐中仍然把強度作為混凝土質量要求和驗收的標準。尤其近兩年來，混凝土施工中高效減水劑與水泥相容性不好的問題發(fā)生得比過去更多，地下連續(xù)墻和樓板甚至大梁開裂問題頻頻發(fā)生。其原因很復雜，涉及多方面因素，包括開發(fā)商、業(yè)主、建筑結構設計商、材料供應商、施工管理商等等。即使這些問題避開不談，就材料本身來說，混凝土的質量不只是配合比的問題。設計的混凝土配合比只要是與原材料性質相匹配，質量差的原材料也很難做出高質量的混凝土商品，因此，有必要追溯原材料方面的原因。
　　只要混凝土骨料的質量品質滿足設計的配合比要求，在原材料中，影響混凝土抗裂性的主要因素是水泥。購進水泥時只檢驗強度(當然有時還可能復驗一下凝結時間)是不能判斷水泥對混凝土抗裂性影響的。例如，兩個不同廠家生產的相同品種水泥，B廠水泥的混凝土在約束條件下由于自收縮而產生較大的拉應力，使其對開裂敏感；A廠的水泥則稍有膨脹而有較小的約束應力，抗裂性較好。因此水泥、混凝土工作者應當除了關心按現行水泥標準規(guī)定的水泥性質外，更加關心水泥在混凝土中的行為，即對混凝土抗裂性能的影響。
　　隨著商品混凝土的普及，混凝土的早期開裂現象普遍增多，一般情況無外乎以下兩種現象：
1.1塑性開裂
由于塑性階段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表層混凝土的失水收縮，受內部混凝土與鋼筋的約束造成受拉開裂?，F今水泥的早強特性及外加劑的摻加使用不適當，使得混凝土較快或者過于緩慢凝結。凝結較快時易造成塑性開裂；當混凝土長時間處于塑性狀態(tài)，將增加其塑性開裂的可能性，塑性開裂時對鋼筋硅耐久性，特別是砼碳化導致的鋼筋銹蝕有很大危害。
1.2早期硬化開裂
　　瑞典水泥和混凝土研究所研究人員1980年發(fā)現，混凝土成型后水化塑性減小，彈性模量E增加，成型后4—8小時，E值從不起10MPa～102MPa迅速增大到104MPa—105MPa，增加了3個數量級。而此時抗壓和抗拉強度只以正常的速度增長，因此極限應變由2h的4．0×10—3急劇下降，6h～8h的應變降到最低值0．04×10—3左右，隨后又逐步增大到硬化后混凝土的正常極限拉應變0.1×10—3。早期硬化混凝土有一個極限拉應變最低的時段，而現在水泥高早期產生的水化熱，水泥膠凝材料的高細度和低水膠比，因高效減水劑造成的濕潤角和毛細孔水力半徑的降低，使得毛細孔壓力增加，早期收縮(包括自收縮)可能在混凝土凝固初期就超過它的極限應變值而造成開裂。研究表明：24h抗壓強度值越小，則早期收縮值、彈性模量E也越低，而徐變則較大，有利于減小早期開裂風險。有研究表明24h混凝土抗壓強度值為12MPa時是拐點。因此，為保障混凝土的后期性能，選擇合適的早期性能水泥、摻合料(品種、摻量)、外加劑對混凝土的凝結影響是極其重要的。
　　出現這種現象主要是隨著水泥強度不斷提高后才發(fā)生的，不同水泥廠家采用不同的方法滿足強度(尤其足早期強度)的要求，例如提高比表面積，增加C3S、C3A的含量等，我國有的水泥廠甚至還采用一些什么“增強劑”之類的措施(注意正像—些食品添加劑，短期無害，長期不一定安全)。
　　由于建筑業(yè)市場需求的變化，現代水泥的組成和細度發(fā)生廠很大變化。美國從1920年到1999年，70年中水泥和混凝土主要參數的變化的趨勢是水泥中C3S含量從35％增加到50～60％，比表面積從220cm2／kg增加到340～600m2／kg，混凝土的水灰比從0．56～0．8降低至0．26～0．56。水泥的7d抗壓強度增長了幾乎2．5倍。近年來國外許多專家根據實際調查研究，對這種趨勢提出了批評，指出當前混凝土結構不斷增多的過早劣化現象主要原因是與此趨勢有關。認為：“20世紀混凝土業(yè)為滿足越來越高的強度要求，不可避免地違背了材料科學的基本規(guī)律——即開裂與耐久性之間存在的密切關系。為了實現建設項目的混凝土結構強度可持續(xù)發(fā)展的這個目標，有必要更新一些觀念和建設實踐?！?br> 　　我國水泥標準的修訂的方針是“與國際接軌”，因此也是在按此趨勢發(fā)展?；仡欉@段發(fā)展，分析其與混凝土結構耐久性的關系，會有助于我們更新觀念，從關注強度轉變到關注耐久性，從耐久性的角度來評價水泥和混凝土的質量。
2 我國水泥質量品質變化的簡單回顧
　　從水泥標準的修訂能反映出水泥質量品質的變化(不說“質量”而說“質量品質”是為了避免對當前水泥產品質量的褒貶)。修訂水泥標準的目的當然是想通過修訂標準提高水泥的質量，但是由于缺乏與水泥的終端產品一一混凝土結構工程的聯系，以至于忽視了水泥的質量品質對提高混凝土質量(不能只看到強度更重要的是耐久性)的影響。
　　二十多年來，我國水泥標準進行了三次大的修訂。第一次修訂的標準于1979年7月開始實施，第二次是1992年開始逐步實施，第三次，即最近的一次是1999年開始實施。各次修訂的基本出發(fā)點都是“與國際接軌”(盡管前兩次還沒有這個詞，但實質意義相同)，以促進我國水泥生產工藝的改進和產品質量的提高。
　　第一次修訂是將我國使用了20多年的“硬練”強度檢驗方法和標準改為“軟練”強度和標準。
　　這次修訂水泥標準的結果是增加了熟料中的C3S和C3A含量，水泥細度從比表面積平均300m2／kg增加到平均330m2／kg，提高了水泥強度，尤其是早期強度，同時也提高了水化熱。因檢驗強度的水灰比大幅度增加，減小了摻入礦物摻和料后的強度的優(yōu)勢。
　　第二次修訂后的GBl75—92、GBl344—92等強凋了水泥的早期強度，28d強度均提高了2％，增加了R型水泥品種。該標準強化了3d早期強度意識，倡導多生產R型水泥。普通水泥的細度進一步變細，從篩析法的<12％，改為<10％。
GBl75(—1999)GB1344(—1990)等把強度檢驗的加水量改為0．50，取消了GBl75—92中的325#水泥，水泥的強度進一步提高。迫使水泥廠以提高C3S、C3A和比表面積來提高水泥的強度。
　　某廠對21種來自不同廠家的熟料(包括新型干法水泥和立窯水泥的)進行分析，C3S超過60％的有4個樣本(占總樣本的19％)，超過58％的(含60％以上的)有10個(占47．6％)。有17個樣本的C3A含量超過10％。大部分水泥細度超過了350m2／kg。
　　綜上所述，可見我國水泥各有關參數和性質變化的歷程和趨勢與國外的相似。特點是增加C3S、C3A、細度趨向于細，因而強度尤其早期強度不斷提高。此外，上世紀70年代后期我國開始引進國外新型干法先進水泥生產工藝，使水泥的含堿量提高，尤其使用北方的原材料的水泥含堿量普遍較高。GBl75(—1999)對水泥中含堿量進行了限制，但只是出于對預防堿—骨料反應的考慮。這種變化的趨勢雖然對混凝土提高早期強度有利，但卻增加了混凝土的溫度收縮、干燥收縮，在加上較低水灰比產生的自收縮，處于約束條件下的混凝土結構較大的收縮變形，因過高的早期強度而提高的早期彈性模量而產生較大的應力。而早期強度過高，又使得緩釋收縮應變的徐變很小，于是開裂成為必然。
　　下面將要分別研究上述幾個因素對混凝土抗裂性造成的影響：
3 水泥礦物組成的影響
　　眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，它們的水化性質不同，在水泥中所占比例不同時將影響對水泥整體的性質。
表1所示為水泥中四種主要礦物的水化熱和這四種主要礦物的收縮率。
　　表1 C3A、C3S、C2S、C4AF四種礦物收縮率和水化熱指標比較

C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數倍，尤其在混凝土早期強度的發(fā)揮時期。C3S的水化熱雖然比C3A的小很多，但在3天卻是C2S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的4～5倍。因此用C3A含量較大的早強水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。
4 各種外加劑對混凝土性能的影響
4．1 減水劑
　　目前我國混凝土尤其是中等以上強度等級的混凝土普遍使用高效減水劑和其他外加劑。當高效減水劑產品一定時，水泥的成分(主要是含堿量、C3A及其相應的SO3含量)和細度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。近年來隨著水泥細度的變化加劇了水泥與高效減水劑的相容性問題。
　　混凝土干縮主要與混凝土中5～30nm孔徑毛細孔所保持的水分有關；減水劑在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛細孔孔經減小，有實驗證明：未添加減水劑的混凝土，水泥漿體的最可幾孔徑為389，而加入減水劑的則為240 。
摻加高效減水劑后，低水灰比使集料和水泥石間的彈性模量減小，集料水膜層厚度減薄，過渡區(qū)Ca(OH) 2及AFt的大小及趨向程度大大減小，導致過渡區(qū)毛細孔細化，增強過渡區(qū)收縮。
4．1．1 混凝土干燥失水時，孔隙液越集中于小孔隙中，含液孔隙半徑愈來愈小
　　現今普遍使用高效減水劑，其溶液與水泥濕潤角下降較多，而其氣液表面張力一般下降不多，再加上分散作用，使孔隙半徑下降，將會增加收縮。內部毛系孔壓力導致的混凝土收縮，其孔隙中的壓力可由拉普拉斯公式表示：
ΔP=Pν—Pc=2γcosθ／r
式中，Pν——孔隙水蒸氣壓力，kPa
Pc——孔隙水壓力，kPa
γ——氣液表面張力，mN／m
r——孔隙水力半徑，m
θ——濕潤角，在混凝土中θ<90°
　　新型高效減水劑如聚羧酸的γ值有較多下降，其混凝土收縮也有所下降，見表2和圖。
　　表2 減水劑的堿含量及表面張力

(注：圖中混凝土配合比參數GB8076—1997，FDN的摻量0．50％，聚羧酸的摻量0．20％，均為外加劑)
部分外加劑對混凝土干燥收縮的影響規(guī)律

4．1．2 低水膠比混凝土的自收縮
　　隨著混凝土技術的進步，高效減水劑的使用，出現了低水膠混凝土，隨著水化的進行試件表面的水分向內部遷移，水膠比越小，在混凝土硬化后這種遷移越困難，內外差別越小，內部含水率也越低。硬化后的混凝土，水泥水化的化學減縮會使混凝土的內部形成毛細孔。當孔隙水的遷移速率低于毛細孔的形成速率時，則內部含水率自發(fā)地降低，孔隙濕度降低，引起毛細管壓力增大，而加重自干燥收縮。自干燥產生的原始裂縫，將影響混凝土的強度和耐久性，濕度降低導致的毛細孔壓力可由開爾文公式表示：
P= Pν—Pc =[(RT)／(MV)]× 1n(h) (2)
式中，Pv——孔隙水蒸氣壓力，kPa
Pc——孔隙水壓力，kPa
R——理想氣體常數，JK-1mol-1
T——開爾文溫度，K
M——水克分子量，g
V——一mol水的體積量，m’
h——相對濕度，％
ln——自然對數
4．2 礦物摻合料
4．2．1 膨脹劑
　　膨脹劑因鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)的生成產生體積膨脹，從而補償混凝土的收縮。摻膨脹劑混凝土只有在限制條件下，才能使混凝土硬化漿體和界面至密，存儲膨脹能，因此，限制膨脹率是使用膨脹劑的基本指標。
膨脹劑在混凝土中產生膨脹與諸多因素有關，如：
a．水泥及摻合料中C3A、SO3含量
　　在一定的范圍內，較高的SO3含量會導致較高的限制膨脹率；同時，C3A含量愈高，其限制膨脹率也就愈大。然而，熟料中的C3A含量—般在7％～15％，這就直接會導致摻加膨脹劑的水泥混凝土膨脹率的波動。
b．凝結時間
　　混凝土凝結時間愈長，鈣礬石消耗在塑性狀混凝土中的量愈多，膨脹率將會大大下降，，因此，應選擇與混凝土凝結時間相適應的，亦即生成鈣礬石速度適宜的膨脹劑，或者選擇抑制膨脹劑水化的緩凝劑。
c．膨脹劑可以造成的危害
　　使用膨脹劑合理的情況下(合適的水泥、摻量、養(yǎng)護等)，在混凝土中將會產生較好的效果。如養(yǎng)護不合適，可能造成破壞性后果。
　　硫鋁酸鹽類膨脹劑，水泥水化后形成的鈣礬石，其結晶水的吸附和脫離是可逆過程。在干燥條件下比一般水化礦物更易脫水，因此干縮較大。為了防止收縮裂縫，應選擇膨脹結束后收縮較小的膨脹劑。鈣礬石的生成需要大量的水，當水分供應不充分時，會消耗內部會與水泥爭奪水份，加劇自收縮。大體積混凝土中較高溫度(>85℃)及摻加膨脹劑的蒸養(yǎng)混凝土由于AFt在此溫度下不能保持穩(wěn)定，從而形成AFm。較多的SO3含量會造成延遲鈣礬石的形成，導致混凝土的后期開裂。
　　從一般常識上講，摻加膨脹劑混凝上，其膨脹礦物較易失水，膨脹降低孔隙的孔徑，導致5～30nm孔增多，其膨脹之后，在干燥的環(huán)境中有較大的收縮落差。若光考慮水中限制膨脹率，仍可能造成后期開裂。
c．粉煤灰
　　粉煤灰加入水泥混凝土中，將降低水化速率，使導水化較快的膨脹劑的膨脹效率降低。粉煤灰與Ca(OH)2的火山灰效應將增大混凝土中的凝膠份額，使更多的膨脹能消耗在凝膠的粘性流動中。
　　粉煤灰等量替代硅酸鹽水泥，在粉煤灰漿體有相同的水膠比下與硅酸鹽水泥相比，由于早期粉煤灰反應程度較小，粉煤灰水泥漿體的空隙率明顯大于硅酸鹽水泥漿體。28天粗孔(C>l000)明顯多于硅酸鹽水泥混凝土試件。
　　在混凝土凝結后期，粉煤灰與水泥水化生成的Ca(COH)2亦生成C—S—H凝膠。這部分水化生成物一部分沉積在粉煤灰顆粒表面，另一部分填充在水泥水化生成物如Ca(COH) 2粗晶體與C—S—H凝膠之間的粗空中，使整個漿體孔發(fā)生細化，整個收縮將向硅酸鹽水泥混凝土靠近。
4．2．3 礦 粉
　　現今一般使用的超細礦粉，使整個膠結材料的粒徑分布發(fā)生變化，改進基體與界面的孔結構。礦粉的粒徑遠遠小于水泥，則產生填充作用，使得混凝土的孔洞結構細化。超細礦粉從幾乎是由玻璃體組成，高鈣玻璃相與高鋁中硅玻璃相的復合體系水化液相主要為Ca2+、AlO2-和SiO2-4。當有SiO2-4存在時，則生成穩(wěn)定性好，溶積度小的AFt，這又促使兩種玻璃體失去穩(wěn)定性，加上較大的比表面積，使超細礦粉具有較高的活性，與Ca(OH) 2反應生成較多的成C—S—H凝膠，并使得過渡區(qū)和基體的孔隙細化，有實驗證明其等量替代混凝土的早期自干燥收縮較大，后期收縮與未摻礦粉的混凝土相當。
4．2．4 合成纖維
　　在混凝土的塑性收縮狀態(tài)下，若在其中摻加適量的細纖維，并使細纖維成三維網絡狀分布，則可承受因不一致的變形而引起的內應力，從而抑制塑性裂縫的生成與發(fā)展。纖維在塑性混凝土階段的阻裂效應，可以看作是纖維對塑性混凝土的增強作用，這種增強作用的有效性主要和纖維在混凝土中的分散程度有關，即纖維愈細，纖維間距愈小，增強作用愈有效。
　　當纖維混凝土中的拉應力達到基材抗拉強度時，基材出現裂縫。但因纖維的阻裂作用使裂縫難于擴大，橫跨裂縫的纖維又將拉應力傳遞至纖維混凝土未開裂的部位，因而出現新的細裂縫，最終在纖維混凝中存在多出微細裂縫，但纖維混凝土并未發(fā)生發(fā)生開裂。
5 水泥細度對混凝土開裂的影響
　　目前，在我國大多數水泥粉磨條件下，水泥磨得越細，其中的細顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強度，引起徐變松馳能力下降，彈性模量增加。粒徑在1μm以下的顆粒水化很快，幾乎對后期強度沒有任何貢獻。倒是對早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻——水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早；因水化快消耗混凝土內部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮；使收縮速度大大增加，細顆粒容易水化充分，產生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長期性能，尤其水泥用量大的比低水灰比混凝土未水化顆粒對抑制干燥收縮有極大貢獻。
　　例如，美國1937年按特快硬水泥生產的水泥與現今水泥的平均水平的組成和細度相當，當時采用這種快硬水泥的混凝土10年后強度倒縮了；而1923年使用粗水泥的混凝土，直到50年強度還在增長。水泥細度還會影響混凝土的抗凍性，這可能是細水泥的易裂性可能與其低抗拉強度有關。
6 水泥中含堿量和混凝土開裂的關系
　　GBl75(—1999)出于對預防堿—骨料反應的考慮對水泥中含堿量進行了限制。
　　Burrows在美國克羅里達的青山壩對104種混凝土的面板進行了53年的調查研究，發(fā)現開裂嚴重的劣化了的混凝土中，有的水泥含堿量高，但所用骨料并沒有堿活性；還有的使用高堿水泥同時所用骨料也有相當的堿活性，但是檢測的結果卻沒有堿—骨料反應的產物，而混凝土卻因開裂而劣化了，這表明堿能促進水泥的收縮開裂。
　　Blaine用環(huán)形收縮測定儀測定水泥中含堿量對水泥開裂情況的的影響以及1996年相應水泥混凝土狀況，試驗中發(fā)現當當量在0．6以下時對混凝土狀況有所改善，同時注意到了水泥的細度和可經受住550次凍融循環(huán)，用粉磨的高堿水泥則經受不到100次凍融循環(huán)。
美國國家標準局對199種水泥進行了18年以上的調研，大量發(fā)現混凝土的開裂是受堿含量、細度、C3A和C3S等因素的影響。即使水泥有相同水化率(也包括強度)和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內在的抵抗開裂的能力。當含堿量低于0．6％Na2O當量時，水泥的抗裂性明顯增加，當含堿量進一步降低到趨向于0時，這種能力會進一步改善。
　　雖然，堿—骨料反應必須在混凝土中有足夠的含堿量、足夠數量的堿活性骨料和足夠的水分供應這三個條件同時存在的情況下才會發(fā)生，并不要求任何情況下都限制水泥的含堿量，但是，促進混凝土收縮裂縫的生成和發(fā)展以至造成混凝土結構物的劣化，卻是高含堿量水泥對混凝土更大的安全威脅。不管是否使用活性骨料，必須將水泥中的含堿量減到最少。
7 對水泥抗裂性評價和選擇方法的推薦
　　用環(huán)形約束試驗評價水泥域混凝土抗裂性的方法已有60多年的歷史。世界許多國家的學者對鋼環(huán)的材料、尺寸、信息收集和處理方法、評價指標，以至基于彈性力學的力學模型等都有研究，并分別用此方法研究過影響水泥和混凝土開裂敏感性的因素。Burrows建議使用Blaine的方法評價水泥的抗裂性：開裂時間<1h的是很差的水泥，開裂時間>15h的為優(yōu)。清華大學建材研究所的學者對此方法進行了研究，結果表明：按他們選用的鋼環(huán)材料和設計的鋼環(huán)尺寸，來進行環(huán)形試驗評價，評價的混凝土所用膠凝材料的抗裂性結果是有效的。這種試驗當使用熱膨脹系數小的材料時，不僅可檢測水泥的干縮開裂性能，還可檢測由于溫度收縮引起的開裂性能。
8 討論和建議
　　8．1 眾所周知，凡是能提高混凝土早期強度的因素，都會影響混凝土后期強度的增長，目前在配制混凝土時都有較大的強度富余，以期補償這種后期強度的損失，這無疑造成很大的浪費。事實上現在看來，問題遠遠比此種行為更為嚴重，早期的高強度所帶來的后患是混凝土結構物提早劣化。因此，除非工程有特別特殊需要，一般情況下應盡量避免使用早強水泥。
　　8．2 混凝土早期高強度的需求促使了水泥向高C3S和高C3A、高比表面積方向發(fā)展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細礦物摻和料的使用，以及水泥出廠溫度普遍過高以及各種混凝土外加劑的使用，造成在約束狀態(tài)下的混凝土因溫度收縮、自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產生較大的內部應力，早期的低徐變無法緩解這種應力，而產生早期裂縫；內部不可見的微裂縫在混凝土長期使用過程的：廠燥環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因。
　　8．3 高含堿量的水泥會生成抗裂性能很差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有堿活性，都應當限制對水泥和混凝土中的含堿量。
　　8．4 水泥和混凝土質量技術監(jiān)督部門要有像管理食品添加劑那樣管理水泥和混凝土生產中的“各種添加劑”一類的技術措施，要求產品出廠時應注明添加劑的主要成分，并有1年以上添加劑的長期觀測的數據，證明其對混凝土長期性能的影響。
　　8．5 因加強混凝土減縮劑及堿骨料反應抑制材料研究及應用；
　　8．6 使用膨脹劑前應作充分實驗；
　　8．7 建議今后在制定標準時，要對水泥和混凝土的質量品質增加抗裂性的技術監(jiān)測指標要求。
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