高强混凝土收缩开裂的研究
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摘要
混凝土由于各种收缩而引起的开裂问题一直是混凝土结构物裂缝控制的重点
和难点。近年来，人们采用低水胶比，掺加粉煤灰、磨细矿渣和硅灰等矿物掺合
料和高效减水剂的方法配制高强混凝土，但对高强混凝土的体积稳定性缺乏系统
的研究，在工程实践中高强混凝土的收缩开裂问题也显得比较突出。因此，对高
强混凝土的收缩及收缩开裂趋势的研究就显得十分重要，这方面已经成为国内外
高强混凝土研究的热点。
本文对高强混凝土收缩开裂的特点及影响因素进行了系统的研究，主要包括：
比较研究了高强混凝土与普通混凝土收缩开裂趋势的不同；并分析了水胶比及各
种矿物掺合料对高强混凝土收缩开裂趋势的影响；探索了纤维、膨胀剂、减缩剂
对高强混凝土收缩开裂趋势的改善效果。采用了圆环试验方法直接评价混凝土的
收缩开裂趋势，并采用与圆环试验同步的测长法研究了高强混凝土的收缩性能。
对于混凝土早期的弹性模量和徐变等直接影响混凝土收缩开裂的指标进行了测
试，并借助SEM、压汞法测孔等微观测试手段对高强混凝土的微结构进行了研究。
研究结果表明：本文提出的采用圆环法和与圆环同步的测长法相结合共同评
价高强混凝土的收缩开裂趋势的方法，能较好的评价高强混凝土的收缩性能。高
强混凝土与普通混凝土相比，收缩开裂趋势明显大于普通混凝土。高强混凝土的
早期收缩大，弹性模量高，抗拉强度增长幅度小，徐变对应力的松弛能力小，几
种因素的综合作用使高强混凝土比普通混凝土在收缩受约束时更容易开裂。本文
在综合混凝土收缩开裂的各种影响因素的基础上，提出了混凝土收缩开裂影响因
素的分析模型。在影响因素方面，降低水胶比增大了高强混凝土的收缩开裂趋势；
粉煤灰明显降低了高强混凝土的收缩开裂趋势；磨细矿渣增加了高强混凝土的收
缩开裂趋势，且细度较大的磨细矿渣表现明显；硅灰使高强混凝土的收缩开裂趋
势明显增加。
本文最后探索了高强混凝土收缩开裂的几种改善措施，结果表明：有机合成
纤维对硬化高强混凝土阻裂作用不明显，弹性模量大的钢纤维则能明显降低高强
混凝土的收缩开裂趋势；UEA-H膨胀剂对高强混凝土的补偿收缩效果明显，圆环
试验研究表明UEA-H膨胀剂能有效的降低混凝土的收缩开裂趋势；减缩剂SRA
对高强混凝土的自由收缩有明显的降低作用，并能显著降低高强混凝土的收缩开
裂趋势。
Shrinkage cracking is a critical problem in concrete construction. In recent years, various mineral admixtures such as fly ash, blast furnace slag, silica fume along with superplasticizers have been used to produce concrete with high strength and durability. But no systematic study has been done on volume stability of high-strength concrete (HSC) and the cracking problems become more serious in engineering practice. So it very important to research on shrinkage cracking of HSC.
The paper presents a systematic study on characteristics and influencing factors of HSC. The result shows that the tests, which are used in this paper, including ring test and free shrinkage test, could do well in evaluating the shrinkage-cracking potential of HSC. USC is more sensitive to shrinkage cracking than normal concrete. The combined effects of higher free shrinkage lower specific creep and higher modulus of elasticity resulted in early cracking for USC. The paper presents an analytic model of factors that influence shrinkage tracking of USC.
The influence of water binder ratio (w/b) and mineral admixtures on the shrinkage cracking of HSC are investigated, The smaller the w/b, the more serious the shrinkage cracking. Incorporating with fly ash could reduce the tendency of shrinkage cracking of HSC, due to reducing the free shrinkage effectively, and the opposite trend is found when silica fume is added to concrete. Fine blast furnace slag powder could increase the shrinkage potential of USC, although it could not increase the free shrinkage of concrete obviously.
Several measures are tested for reducing the shrinkage cracking potential of HSC. It was found that polypropylene fiber could not prevent the crack opening due to its lower modulus of elasticity. Steel fiber could reduce the shrinkage cracking obviously because of its higher modulus of elasticity ~nd binder strength. The expansive agent UEA-H could compensate shrinkage remarkably, so it could reduce the tendency of shrinkage cracking significantly. USC with shrinkage reducing admixture (SRA) have lower tendency ef shrinkage cracking due to its lower free shrinkage.
和难点。近年来，人们采用低水胶比，掺加粉煤灰、磨细矿渣和硅灰等矿物掺合
料和高效减水剂的方法配制高强混凝土，但对高强混凝土的体积稳定性缺乏系统
的研究，在工程实践中高强混凝土的收缩开裂问题也显得比较突出。因此，对高
强混凝土的收缩及收缩开裂趋势的研究就显得十分重要，这方面已经成为国内外
高强混凝土研究的热点。
本文对高强混凝土收缩开裂的特点及影响因素进行了系统的研究，主要包括：
比较研究了高强混凝土与普通混凝土收缩开裂趋势的不同；并分析了水胶比及各
种矿物掺合料对高强混凝土收缩开裂趋势的影响；探索了纤维、膨胀剂、减缩剂
对高强混凝土收缩开裂趋势的改善效果。采用了圆环试验方法直接评价混凝土的
收缩开裂趋势，并采用与圆环试验同步的测长法研究了高强混凝土的收缩性能。
对于混凝土早期的弹性模量和徐变等直接影响混凝土收缩开裂的指标进行了测
试，并借助SEM、压汞法测孔等微观测试手段对高强混凝土的微结构进行了研究。
研究结果表明：本文提出的采用圆环法和与圆环同步的测长法相结合共同评
价高强混凝土的收缩开裂趋势的方法，能较好的评价高强混凝土的收缩性能。高
强混凝土与普通混凝土相比，收缩开裂趋势明显大于普通混凝土。高强混凝土的
早期收缩大，弹性模量高，抗拉强度增长幅度小，徐变对应力的松弛能力小，几
种因素的综合作用使高强混凝土比普通混凝土在收缩受约束时更容易开裂。本文
在综合混凝土收缩开裂的各种影响因素的基础上，提出了混凝土收缩开裂影响因
素的分析模型。在影响因素方面，降低水胶比增大了高强混凝土的收缩开裂趋势；
粉煤灰明显降低了高强混凝土的收缩开裂趋势；磨细矿渣增加了高强混凝土的收
缩开裂趋势，且细度较大的磨细矿渣表现明显；硅灰使高强混凝土的收缩开裂趋
势明显增加。
本文最后探索了高强混凝土收缩开裂的几种改善措施，结果表明：有机合成
纤维对硬化高强混凝土阻裂作用不明显，弹性模量大的钢纤维则能明显降低高强
混凝土的收缩开裂趋势；UEA-H膨胀剂对高强混凝土的补偿收缩效果明显，圆环
试验研究表明UEA-H膨胀剂能有效的降低混凝土的收缩开裂趋势；减缩剂SRA
对高强混凝土的自由收缩有明显的降低作用，并能显著降低高强混凝土的收缩开
裂趋势。
Shrinkage cracking is a critical problem in concrete construction. In recent years, various mineral admixtures such as fly ash, blast furnace slag, silica fume along with superplasticizers have been used to produce concrete with high strength and durability. But no systematic study has been done on volume stability of high-strength concrete (HSC) and the cracking problems become more serious in engineering practice. So it very important to research on shrinkage cracking of HSC.
The paper presents a systematic study on characteristics and influencing factors of HSC. The result shows that the tests, which are used in this paper, including ring test and free shrinkage test, could do well in evaluating the shrinkage-cracking potential of HSC. USC is more sensitive to shrinkage cracking than normal concrete. The combined effects of higher free shrinkage lower specific creep and higher modulus of elasticity resulted in early cracking for USC. The paper presents an analytic model of factors that influence shrinkage tracking of USC.
The influence of water binder ratio (w/b) and mineral admixtures on the shrinkage cracking of HSC are investigated, The smaller the w/b, the more serious the shrinkage cracking. Incorporating with fly ash could reduce the tendency of shrinkage cracking of HSC, due to reducing the free shrinkage effectively, and the opposite trend is found when silica fume is added to concrete. Fine blast furnace slag powder could increase the shrinkage potential of USC, although it could not increase the free shrinkage of concrete obviously.
Several measures are tested for reducing the shrinkage cracking potential of HSC. It was found that polypropylene fiber could not prevent the crack opening due to its lower modulus of elasticity. Steel fiber could reduce the shrinkage cracking obviously because of its higher modulus of elasticity ~nd binder strength. The expansive agent UEA-H could compensate shrinkage remarkably, so it could reduce the tendency of shrinkage cracking significantly. USC with shrinkage reducing admixture (SRA) have lower tendency ef shrinkage cracking due to its lower free shrinkage.
引文
1． 中国工程建设标准化协会．高强混凝土结构技术规程，1999
2． 吴中伟，廉慧珍著．高性能混凝土．北京：中国铁道出版社，1998：260-297
3． 中国建筑材料科学研究院，清华大学．高性能混凝士的综合研究．“九五”国家重点科技 攻关项目．2000年4月：7-10
4． 安明哲，覃维祖，朱金栓．高强混凝土自收缩试验研究．山东建材学院学报，1998；12(6) ： 139-144
5． Tzaawa E．Autogenous Shrinkage of Cement Paste Caused by Hydration．Cement and Concrete，1994：556：35-44
6． 黄国兴，惠荣炎编著．混凝土的收缩．北京：中国建筑工业出版，1982
7 朱清江．高强高性能混凝土的研制与应用．北京：中国建材工业出版社，1999
8 Neville A M．李国泮，马贞勇译．混凝土的性能．北京：北京建筑工业出版社，1983：370-445
9 郭晓燕，李福川．高掺量粉煤灰高性能混凝土的试验研究．全国高强高性能专题研讨会．九 江，1997
10 陈肇元．高强与高性能混凝土的研究发展与应用．土木工程学报，1997；5
11 袁润章主编．胶凝材料学． 武汉：武汉工业大学出版社，1996
12 吴中伟．硅酸盐学报，1979；7(3) ：262
13 [苏]A E谢依金等．胡春芝等译．水泥混凝土性能与结构．北京：中国建筑工业出版社， 1987
14 P K Mehta．硬化水泥浆体的微结构与其性能的关系．第八届国际水泥水化会议论文集， 1987
15 P K Mehta．祝永年等译．混凝土的结构性能与材料．上海：同济大学出版社，1991
16 Anne Balogh．New Admixture Combates Concrete Shrinkage．Concrete International， 1996： 7
17 [英] 悉尼·明德斯，[美]J·弗朗西斯·扬著．方秋清等译．混凝士．北京：中国建筑 工业出版社，1989：437-478
18 P K Mehta．Durability-Critical Issues for the Future Concrete．Concrete International，1997: 7
19 Research for the New Millennium．Cementing the Future．Center for Advanced Cement-based materials，2000；11(2)
20 Parviz Soroushian,Siavosh Ravanbakhsh．Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers． ACI Materials Journal，1998；4(7-8) ：429-435
21 Kraai P. A Proposed Test to Determine the Cracking Potential due to Drying Shrinkage of Concrete. Concrete Construction, 1985; 30 (9) : 775,
22 Richard W. Burrows . The Visible and Invisible Cracking of Concrete . ACI International. AmericanConcrete Institute Monograph No.11, 1998 : 1-5．
23 Wiegrink K, Marikunte S, Shah S P. Shrinkage cracking of high strength concrete. ACI Materials Journal, 1996; 93 (5) : 409-415
24 McDonald DB, KraussP D, Rogalla E A. Early-Age Transverse Deck Cracking. Concrete International, 1995; 17 (5) : 49-51
25 [奥地利]H．索默编．冯乃谦，丁建彤等译．高性能混凝土的耐久性．科学出版社，1998
26 Bloom R, Bentur A. Free and Restrained Shrinkage of Normal and High-Strength Concrete. ACI Materials Journal, 1995; 92 (2) : 211
27 Surendra P, Shah. A Method to Predict Shrinkage Cracking of Concrete. ACIMaterials Journal, 1998; (4) : 339-346
28 Mak S L , Torii K. Strength development of high strength of ultra high-strength concrete subjected to high hydration temperature. Cement.& Concrete Research, 1995; 25(8) : 1791-1802
29 Bissonnette B, Pigeon M. Tensile Creep at Early Age of Ordinary Silica Fume and Fiber Reinforced Concrete. Cement and Concrete Research, 1995; 25(5) : 1075-1085
30 Carlson R W, Houghton D L, Polivka M. Causes and Control of Cracking in Unreinforced Mass Concrete. ACI Journal, 1979; 7636) : 821-837
31 Vivian HE. Alkalis in Cement Conference. National Building Research Institute. Pretoria South Africa, 1981
32 Blaine R L, Ami H T, Evans D H. Interrelations between Cement and Concrete Properties. Building Research Division of the National Bureau of Standards
33 Brewer H W, Burrows R W. Coarse Grpund Cement Makes More Durable Concrete. ACI Journal, 1951; 47 (25) : 353
34 Neville AM. Role of Cement in the Creep of Mortar. ACI Journal, 1959; 55 (62) : 96
35 Schrage I, Summer T. Factors Influencing Early Cracking of High-strength Concrete. Thermal Cracking at Early Ages, E&FN Spon, London, 1994: 239-243
36 Krauss P D , Rogalla E A. Transverse Cracking in Newly Constructed Bridge Decks. Transportation Research Board, Report No.380, NCHRP Project 12-37, 1996: 85
37 胶凝材料编写组．胶凝材料学．北京：中国建筑工业出版社，1980
38 赵国藩．混凝土及其增强材料的发展与应用．建筑材料学报，2000；3：1-5
39 邓咏梅等．维纶纤维对水泥砂浆抗裂性的影响．上海建材，1998；6：15-16
40 施钟毅等．钢纤维增强砂浆和混凝土抗裂性的试验研究．建筑材料学报，第Ⅲ卷第3期， 1998年9月
41 Soroushian Parvis，Mirza Faiz．Plastic shrinkage cracking of polypropylene fiber reinforced concrete[J].ACI Materials Journal，1995：92(2) ：553-560
42 Grzybowski Miroslaw,Shah Surendra P．Shrinkage cracking of fiber reinforced concrete[J]． Cement and Concrete Composite，1990：(12) ：29-40
43 Wang Youjiang．Li Victor C，Backer Stanley．Tensile properties of synthetic fiber reinforced mortar[J]．Cement and Concrete Composites．ACI Materials Journal，1995；87(2) ：138-148
44 曾诚，刘家彬．聚丙烯纤维对混凝土动力学性能的影响研究．混凝土，2000；5：43-45
45 马一平，谈慕华．聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究(Ⅰ)-抗塑性干缩开 裂性能．建筑材料学报，2000；3(1)
46 游宝坤．膨胀剂对高性能混凝土的裂缝控制作用．混凝土外加剂，2000；2
47 S P Shah．M．E．karaguler,M．Sarigaphuti．Effects of Shrinkage Reducing Admixtures on Restrained Shrinkage Cracking of Concrete．ACI Materials Journal，1992；(May-June)： 289-295
48 尤启俊，于冬勋，黄爱平．混凝土收缩开裂与减缩防裂剂的研究．混凝土，2000：7：29-30
49 金宗哲，包亦望．脆性材料力学性能评价与设计．北京：中国铁道出版社，1996
50 沈荣熹．低掺率合成纤维在混凝土的作用机制．水泥基复合材料科学与技术，1998
51 游宝坤等主编．国内外膨胀混凝土的研究概况及发展前景．中国建材研究院内部资料，1986
52 吴万春．国内外膨胀混凝土使用情况．北京：中国建材研究院内部资料，1986
53 吴中伟．补偿收缩混凝土．北京：中国建筑工业出版社，1979
54 陈建奎编著．混凝土外加剂的原理与应用．北京：中国计划出版社，1997
55 游宝坤．膨胀剂对高性能混凝土的裂缝控制作用．中国建筑材料科学研究院内部资料，2000
56 游宝坤等．U型混凝土膨胀剂(UEA)及其建筑材料性能的研究．中国建筑材料科学研 究院UEA资料汇编，1987
57 刘程等编著．表面活性剂大全．北京：北京工业大学出版社，1984
58 陈宗淇，戴闽光编著．胶体化学．北京：高等教育出版社，1984．
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44 曾诚，刘家彬．聚丙烯纤维对混凝土动力学性能的影响研究．混凝土，2000；5：43-45
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46 游宝坤．膨胀剂对高性能混凝土的裂缝控制作用．混凝土外加剂，2000；2
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48 尤启俊，于冬勋，黄爱平．混凝土收缩开裂与减缩防裂剂的研究．混凝土，2000：7：29-30
49 金宗哲，包亦望．脆性材料力学性能评价与设计．北京：中国铁道出版社，1996
50 沈荣熹．低掺率合成纤维在混凝土的作用机制．水泥基复合材料科学与技术，1998
51 游宝坤等主编．国内外膨胀混凝土的研究概况及发展前景．中国建材研究院内部资料，1986
52 吴万春．国内外膨胀混凝土使用情况．北京：中国建材研究院内部资料，1986
53 吴中伟．补偿收缩混凝土．北京：中国建筑工业出版社，1979
54 陈建奎编著．混凝土外加剂的原理与应用．北京：中国计划出版社，1997
55 游宝坤．膨胀剂对高性能混凝土的裂缝控制作用．中国建筑材料科学研究院内部资料，2000
56 游宝坤等．U型混凝土膨胀剂(UEA)及其建筑材料性能的研究．中国建筑材料科学研 究院UEA资料汇编，1987
57 刘程等编著．表面活性剂大全．北京：北京工业大学出版社，1984
58 陈宗淇，戴闽光编著．胶体化学．北京：高等教育出版社，1984．