摘要：本文从裂缝与耐久性的关系，裂缝产生的原因分析、温室效应和环境效应对混凝土性能的影响以及如何提高原状混凝土耐久性提出一些看法供商榷和探讨。
关键词：裂缝、微裂缝、耐久性、温室混凝土、原状混凝土、早期热裂缝
1．引言
过去，几乎所有的设计文件或合同文件中，仅规定了混凝土的抗压强度要求，即便是大型或特大型工程，最多不过提出混凝土的渗透性、抗冻性、极限拉伸值等指标，且这些指标也仅仅是“温室混凝土”试验指标。这些指标能不能真实反映现场“原状混凝土”的特性尚且不说。但事实证明，即使经过精心设计和试验的温室混凝土，不管其强度保证率多高，混凝土其他各项指标多优越，它们一旦到了施工现场，这样那样的一些问题都出现了。比如：混凝土和易性（泌水、离析）发生变化，硬化后不久混凝土出现裂缝以及混凝土抵抗环境侵蚀的能力变差等等。
当然，任何技术进步和创造发明最初都要经过反复的实验室试验和论证。比如：人类基因图谱的最新发明以及克隆技术、纳米技术的研究等等。实验室试验固然重要，它对预测混凝土的性能起着指导作用，但实验方法和技术水平不能仅停留在现行规范限定的水平上，必须结合实际情况，不断进行改进、创新和提高。只有这样，混凝土技术才能发展，水平才会提高，人们的创造性和创新性才能体现出来。
混凝土开裂就象人体患了慢性病一样，需要更多的人花费更多的时间和巨额费用去“医治”他。因此，预防裂缝比治疗和处理裂缝更为实际和可行。混凝土一旦开裂，其耐久性会因环境外力作用而急速恶化，而恶化条件在混凝土结构设计时难以考虑或考虑不周的，即使在“温室混凝土”试验阶段也难以用合适的模型来考虑复杂环境的影响。这就是为什么“温室混凝土”的各种性能都满足特定设计要求，而混凝土仍然会出现恶化的现象，使建筑物在未达到设计寿命时就已趋向破坏。因此，今后在谈到混凝土设计寿命时应建立混凝土“健康寿命”的概念。
2．裂缝、微裂缝和混凝土的耐久性的关系
通常认为引起混凝土恶化的主要原因，依此为钢筋锈蚀、冻融循环、碱——骨料活性反应和酸性介质侵蚀。但这四种因素中，膨胀和开裂都与水和空气的存在相关，同时，水和空气是侵蚀性物质（例如Cl+、SO42+、CO2）在混凝土体内扩散的载体。
一般来讲，经精心选择适当混凝土组分、浇筑和振捣及养护良好的混凝土基本上是不透水的。因而，在复杂多变的环境条件下，其使用寿命也较长。然而，由于环境的作用，产生裂缝，结构物由此失去了运行时的水密性，抵抗上述恶化过程的能力减弱。在现代混凝土结构中，开裂的事实说明：不管我们采用再多再先进的仿真模型和程序进行结构优化和设计，将裂缝控制在预计的范围内，但这些裂缝最终扩展成贯穿性裂缝，危机到混凝土的健康寿命和正常运行。这说明我们对混凝土开裂控制的整体性没有给予充分和足够的重视。
混凝土表面裂缝是非常令人头痛的，特别是当混凝土暴露在侵蚀性环境中以及受到反复循环荷载和裂缝内水压力时。现场经验表明，在这种条件下，宽度大于0.3mm的裂缝是很难愈合的。相反，它们会由于渗漏和应力作用而扩展，因此给外界侵蚀性介质提供了进出交换的口岸。
在混凝土设计与施工过程中，裂缝宽度常通过适当地配置主筋和副筋来控制。对于现代大体积钢筋混凝土结构（如：坝体内的廊道和泄水孔洞等），常倾向于采用过量配筋，以限制和约束收缩开裂，这种措施无助于解决暴露在侵蚀环境中的结构物的长期耐久性，而且这些裂缝大多都是在混凝土早期过程中形成的。因此，解决混凝土早期热裂缝和早期塑性收缩裂缝无疑是一条较佳的途径和措施。
众所周知，配筋并不能消除或者减少混凝土内的收缩裂缝，而只是把少而宽的裂缝分散为大量的微细裂缝，也正是那些肉眼看不见或检测不到的微细裂缝，最终可能成为离子在混凝土与钢筋表面之间迁移的通道。当结构承载以及外界环境的侵蚀性作用，例如暴露于冷热循环、干湿循环中时，水泥砂浆与粗骨料间的过渡区原生的微细裂缝就会扩展。由于微裂缝和孔隙的存在，混凝土水密性逐步丧失，混凝土体内达到饱水后，水和各种离子就很容易侵入，混凝土由于膨胀、开裂、失重和渗透性增大而进一步恶化。因此，混凝土的恶化并非单一环境作用数学叠加，而是复杂环境作用的物化超叠加效应。
在许多工程实践中，由于没有采取恰当和有效的抗裂手段和措施，或者采取的抗裂手段和措施不当，使得混凝土内原生的固有微裂纹在内外应力和外界环境的作用下发展为更宽更深的裂纹，甚至最终形成贯通的毛细孔通道和裂缝，从而导致渗透性降低和渗漏现象的出现，造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的使用和安全。国内外大量的研究结果表明，多数裂缝与荷载关系不大，相反，塑性收缩、干燥收缩、温度变化、环境侵蚀等因素才是混凝土产生裂变和劣变的根源所在。以下图1显示混凝土劣变的整体模型。
3．混凝土裂缝产生的原因分析
通常，0.1～1.0mm宽的裂缝最初是由温度梯度（包括冻融循环作用—）、湿度梯度、结构物超载和化学侵蚀作用（如：钢筋锈蚀、碱骨料反应）而引起的。早期裂缝常常是由于混凝土冷却或干燥产生的收缩变形所致。刚硬化的混凝土暴露在外界温度和湿度下会产生热变形和收缩变形，其中任何一种变形都取决于环境的温度和湿度、混凝土构件的尺寸和几何形状、混凝土构件受约束的程度、混凝土体内的温度、各种混凝土原材料的性能和配合比设计。
宏观上，硬化混凝土在约束条件下，收缩变形会产生弹性拉应力，拉应力的近似值最初可假定为杨氏模量和变形的乘积，当诱导拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土材料就会开裂。但事实上，由于混凝土是一种兼具粘性和延展性（徐变）的复杂相组成的非均质材料，一些应力被徐变松弛所释放，混凝土是否产生裂缝是徐变应力松弛后的残余应力所决定。收缩变形产生的拉应力与徐变松驰释放的应力之间的相互作用是硬化混凝土早期开裂的中心问题（见图2）。从图2可以清楚地看到，约束收缩变形可通过提高混凝土抗拉强度、减少收缩变形、降低弹性模量和提高徐变变形等几个参数来减小。
微观上，由于混凝土是由不同相混合后复杂的物化反应形成的非均质的材料。不同相之间存在着不同的应变能和不同的能量密度梯度。水化反应初期，由于水化反应放出大量的热量，使水化产物的温度急速上升，体积膨胀，相对与骨料而言，膨胀使得骨料和水化产物的界面出现错位（或称变形）或缺陷，而这些亚稳状态凝胶体错位可能因水化反应的继续和水化产物的增长得以填充而愈合。之后，由于能量密度梯度和能量的传递作用，水化产物的温度开始下降，凝胶体体积收缩，而骨料相对于凝胶体而言，相当于刚性约束，于是在骨料的约束作用下，界面出现收缩错位，当错位产生的拉应力超出胶体的抗拉强度时，微细裂缝可能会产生。另外，施工振捣时，在骨料周围形成泌水，泌水使骨料四周的胶体的水胶比（W/C+F）相对较大，这也就进一步证明了混凝土破坏是从界面过度区开始的事实。
4．温室效应和环境效应
在引言中我们提出了“温室混凝土”和“原状混凝土”的概念。所谓“温室混凝土”，就是按规范或规程要求，在室内标准试验条件下（温度、相对湿度等）拌和、振捣、成型和养护后进行某项性能测试的混凝土。而“原状混凝土”就是在施工现场自然环境条件下进行拌和、振捣、成型和养护的混凝土。因此，“温室混凝土”和“原状混凝土”存在很多差异，而这些差异不仅反映在设备、工艺和材料组成上，更重要的是反映在混凝土从制备开始到整个寿命期内要承受复杂恶劣的自然环境作用。所以，尽量研究模拟特定工程环境条件进行设计和试验。
在温室内，混凝土试件几乎是没有可见微裂缝的。在这种情况下，只要混凝土配合比设计的好，测得的耐久性指标一般来讲都是比较理想的。然而，混凝土一旦开裂，其耐久性指标存在显著的差异。国外有些研究者曾做过一项研究【1】，应用“反馈控制拉伸试验”制备“可控裂缝宽度的圆柱体试件”进行开裂混凝土的渗透性研究。这项研究结果表明，当裂缝宽度在50μm内时，对水的渗透作用影响不显著，当裂缝宽度从50μm增大到200μm时，渗透性急速增加，且渗透速率基本处于稳定状态，裂缝宽度200μm混凝土比裂缝宽度50μm混凝土的渗透性指标大3个量级（数千倍以上），裂缝宽度330μm混凝土比裂缝宽度50μm混凝土的渗透性指标大5个量级（数十万倍以上）。另一项研究表明，开裂混凝土的渗透性与未开裂混凝土不同，且用水量高的混凝土的渗透性比用水量低的混凝土的渗透性大，开裂后，渗透性的差异变小，这进一步说明了开裂混凝土对渗透性影响极大。这里需要强调地是混凝土耐久性与时间长短（混凝土的寿命）相关，也就是说，设计者应充分考虑和建立结构物一次性投入和全寿命期内运行维护的综合经济评价模型的设计观念。
另外，就拿混凝土抗冻融循环来讲，动弹模和重量损失都发生在混凝土表面，如果混凝土内出现裂缝，与环境的接触面积增大，尽管目前国内还没有从事开裂混凝土抗冻融循环的研究，但可以想象，开裂混凝土的抗冻融能力肯定比不未开裂混凝土的差。
温室混凝土的强度发展过程线与原状混凝土也极为不同，尤其表现在水化过程的成熟度大不一样。典型的例子是挪威的Salhus桥，其温室混凝土强度和温度匹配情况下的强度发展见图3。
5．如何提高原状混凝土的耐久性
大量的实践证明，裂缝是影响混凝土耐久性的真正根源，提高混凝土的耐久性就不象以前单纯提高抗渗和抗冻等指标，而应该更多的集中在如何预防混凝土开裂这一中心问题上来。也就是说，要树立高性能混凝土（HPC）的设计理念，以较高的起点和平台，以混凝土不裂或少裂为根本出发点，采用系统工程的方法综合分析和评价混凝土的性能。因此，可以说提高混凝土耐久性主要还是归属于如何避免或尽可能的减少混凝土的裂缝。
5.1测试手段和方法
从测试手段和方法看，在以往研究混凝土的耐久性时，都是将环境因素简化为某种理想情况下单一环境的，而且对于骨料最大粒径较大（Dmax=76mm以上）的混凝土，耐久性测试用的混凝土都经过湿筛处理，混凝土的组分发生了较大的变化，这样测试的结果无法反映混凝土的组分对性能的真实影响。因此，要真正提高混凝土的耐久性，还得从原状混凝土的耐久性研究着手，尽管这样做的难度和工作量较大，但比起我们湿筛后做大量的试验有意义的多。另外，正如前面所讲的，裂缝对混凝土耐久性影响很大，如果在研究混凝土耐久性指标时尽可能的考虑裂缝的影响，我们就有可能在耐久性研究的道路上前进一大步或实现新的飞跃。
5.2原材料优选
5.2.1水泥
在选择水泥时，在条件许可的情况下，应优先选用收缩小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期（1d~5d）可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力【2】。为此，水泥熟料中的碱含量低且适宜【3】，熟料中MgO含量控制在3.0%～5.0%，石膏与C3A的比值适当大一些，C3A、C3S和C2S含量应分别控制在5.0%以内、50.0%左右和20.0%左右，这种熟料比例的水泥具有长期稳定的微膨胀抗裂性能【2】。为了更定量化的评价相同水泥标准下性能大不相同的水泥，建议工程采用《应力测试环》和《开裂试验架（TSM装置）》评价和选择水泥或水泥/粉煤灰混合胶凝材料。
5.2.2骨料
骨料在混凝土中所占比例较大，一般为混凝土绝对体积的60%～85%，因此，骨料的类型和性能对混凝土抗裂有着很大影响。在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹性模量低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。
过去，砂多采用天然的河砂或山砂，其中不凡含粘土颗粒或团块，在骨料规范中限制0.15mm筛下的细颗粒（称石粉）的比例，尤其是0.075mm筛下的颗粒（称细粉）量是不容质疑的。但如今水电工程多采用人工破碎骨料，骨料中几乎不含粘土颗粒或团块。因此，砂子中含适量的石粉或细粉比例不仅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密实性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之间为宜。二滩拱坝混凝土所用的正长岩人工破碎砂中石粉比例统计值为14%～17%，因此，二滩混凝土最大骨料粒径为152mm的混凝土基本上无一裂缝。当然，这只是其中提高抗裂的一个因素而已。
5.2.3粉煤灰
笔者认为，粉煤灰只要细度与水泥颗粒相当，烧失量小，含硫量和含碱量低，需水量比小，均可掺用在混凝土中使用。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱集料反应，减少新拌混凝土的泌水等。这些诸多好处均将有利于提高混凝土的抗裂性能。
5.2.4硅粉
5.2.5减水剂
缓凝高效减水剂对减少混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力学、热学、变形等性能起着极为重要的作用。
5.2.6引气剂
引气剂除了能显著提高混凝土抗冻融循环和抗侵蚀环境的能力外，能显著降低新拌混凝土的泌水，提高混凝土的工作度，降低混凝土的弹性模量（每增加1%的含气量，弹性模量降低约1000Mpa），优化混凝土体内微观结构，提高混凝土的抗冻性能。
5.2.7聚丙烯纤维
聚丙烯纤维的应用为防止混凝土产生早期塑性裂缝和早期热裂缝开辟了一条斩新的途径和方法。在混凝土施工过程中，因气候原因（冷热、干湿、高风速、强辐射）出现龟裂是司空见惯的。产生龟裂的主要原因是：一方面由于水泥水化反应形成C—S—H凝胶体时体积减小产生收缩，另一方面由于后期混凝土内的自由水的蒸发而引起混凝土干缩所致。这些收缩会导致混凝土内部出现应力集中的现象，当这种应力超过混凝土基体的抗拉伸强度时就会出现微裂缝。而且这些微裂缝不可避免地存在于混凝土内骨料和水泥砂浆界面的过度区处。通常，这种微裂缝在混凝土浇灌后的24小时内就已产生（详见表1），因此，减少混凝土的早期收缩应力是避免和防止混凝土裂缝产生的有效途径。
表1—裂缝诱因与出现时间
裂缝类型 诱因 裂缝出现的时间
塑性安全期 过快的水分流失 10分钟～3小时
塑性收缩期 干燥过快 30分钟～6小时
过早的热缩 温差太大 1天～3周
长期的干燥收缩 伸缩缝设计不当 2周后
在许多工程实践中，由于没有采取恰当和有效的抗裂手段和措施，或者采取的抗裂手段和措施不当，使得混凝土内原生的固有微裂纹在内外应力和外界环境的作用下发展为更宽更深的裂纹，甚至最终形成贯通的毛细孔通道和裂缝，从而导致渗透性降低和渗漏现象的出现，造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的使用和安全。国内外大量的研究结果表明，多数裂缝与荷载关系不大，相反，塑性收缩、干燥收缩、温度变化、环境侵蚀等因素才是混凝土产生裂变和劣变的根源所在。
通过理论分析和试验研究，认为聚丙烯纤维通过阻止早期塑性收缩裂缝的发生并抑制裂缝的扩展，提高混凝土的抗裂、抗渗、抗冲击、抗冻融循环、抗气水或气水推移质磨蚀能力、抑制或延缓钢筋受腐蚀的发生时间，增强混凝土的韧性和延性，提高混凝土的综合性能并延长结构物的使用寿命和提高可靠性和安全度。阻裂是通过掺加体积掺量为0.06%～0.1%（相当与0.6㎏/m3～0.9㎏/m3）的聚丙烯纤维，经特殊工艺进行表面处理的聚丙烯纤维与水泥或胶凝材料之间产生极强的粘结力，大约1000～2000万根的短纤维丝均匀彻底地分布在混凝土体内，在混凝土体内构成一种均匀的乱向多维支撑体系，形成次要加强系统，有效阻止混凝土发生塑性开裂，提高硬化后混凝土介质的连续性，有效控制混凝土体内结晶体的移位，当增强了混凝土的抗动载能力和切断介质传播的路径和通道。
美国Webster工程协会完成了一系列纤维加强混凝土和基准混凝土（不掺纤维的普通混凝土）的比较试验，两者的实验方法没有区别。但结果却表明：加入聚丙烯纤维的混凝土比普通混凝土降低裂缝形成15%。另外，美国Webster工程协会期望纤维的加入使寿命—应变曲线达到更高的水平，将普通混凝土和按0.9㎏/m3比例加入聚丙烯纤维的混凝土进行2小时、4小时和6小时试验来确定各自开始裂缝的拉伸力，试验结果表明，加入纤维可在混凝土形成的最关键阶段提供大于普通混凝土40%的抗裂缝能力。
挪威水泥混凝土研究所也在STF65-＾85309报告中研究了聚丙烯纤维对混凝土裂缝的控制效果，试验中将混凝土浇筑在有钢辐条的钢轮内、外侧，辐条可以拉伸混凝土，其中三个嵌在混凝土中，六个固定在砂浆中。所用混凝土专门设计对较大的裂缝敏感。报告的结论是：“每立方米砂浆中掺入1㎏聚丙烯纤维可降低裂缝形成50%；当改变掺入量为1.4㎏/m3，将显著降低裂缝形成；当改用12.5㎜长纤维并按1.0㎏/m3加入时，实验表明降低裂缝形成33%,而当这种长度的纤维掺加到1.4㎏/m3时，对裂缝形成没有更进一步的降低” 。
更重要但通常被忽视的事实是一旦在盐混凝土结构内出现腐蚀，腐蚀的速度就很关键。受腐蚀的钢筋的体积占原钢筋的二倍之多，这就在混凝土结构内产生巨大的体积爆裂内能，据美国国家标准局估计，内部压力可达27.56Mpa（4000psi），最终使混凝土裂缝以致从主筋上完全剥离。更进一步的研究热点是引发腐蚀的机制。大量的试验认为，主钢筋嵌入混凝土的两头将形成一种“腐蚀电池”，这种钢筋的两头之间就存在正负电势差，于是有电流从中流过。钢筋一层即巨电池的阴极剥落，将大大减缓钢筋表层即阳极的腐蚀速度。
美国Webster工程协会使用的试验法是把四根独立的钢筋棒浇筑在一个直径为38㎜的混凝土圆柱体内，四个棒是：
普通混凝土
按0.89㎏/m3加入合成纤维的混凝土
按水泥重量的12%加入氯化钙的普通混凝土
每立方米加入0.89㎏/m3聚丙烯纤维和10%氯化钙的混凝土
在养护28天后，将试件棒的1/3侵入含有15%氯化钠的水中，考虑每个试件的腐蚀程度时，先用硫酸铜电极测量试件棒上的电势差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二类试验要求按每立方米混凝土加入0.89㎏/m3聚丙烯纤维。四组试验中用同样的混凝土。试验中先浇筑直径51㎜、长305㎜的普通混凝土圆柱体，然后在剩下的混凝土中加入聚丙烯纤维。
经过28天养护后，将圆柱体侵入10%浓度的氯化钠溶液中100㎜，然后将钢筋棒嵌入混凝土中21天，每周测量电势差3次以确定发生腐蚀的时间，两块普通混凝土试件在侵入10%浓度的氯化钠溶液中后5～7天即达到腐蚀电势差500mv，而两块加入聚丙烯纤维的混凝土试件在16～17天后仍未达到500mv的电势差。很显然，纤维的加入降低了氯离子的扩散速率，从而延迟了腐蚀的发生时间。
由于聚丙烯纤维类微纤维阻裂作用对混凝土性能的有益之处尚很难通过室内试验加以评价，而这些作用又客观存在且被人们所广泛认可，因此寻求更有效的测试手段和方法将是我们需要进一步探讨的课题。
从配合比设计看，不论是普通混凝土还是高强混凝土或高性能混凝土，配合比设计的主要目的就是在满足工程结构设计的基础上，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）复掺（掺高效减水剂、高性能引气剂、聚合物微纤维和其它需要掺加的材料）一高（高粉煤灰掺量）”的混凝土配合比设计准则，采取合理的材料配伍，形成材料互补优势，配制出具有较强适应恶劣环境条件的低发热量、中低弹性模量、低收缩或微膨胀、高徐变变形和高抗拉强度的抗裂混凝土。
5.2.8水
水对混凝土具有双重作用，水化反应离不开水的存在，但多余水长存于混凝土体内，不仅会对混凝土的凝胶体结构和骨料与凝胶体间的界面过度区相的结构发展带来影响，而且一旦这些水分损失后，凝胶体体积会收缩，如果收缩产生的内应力超过界面过度区相的抗力，就有可能在此界面区产生微裂缝（可能难以用肉眼或低倍光学显微镜看到，它是潜在的），降低混凝土内部抵抗拉应力的能力。再者，大体积混凝土一般强度都不是很高，既是象二滩240m高的高拱坝，基础约束区设计强度也仅为C35，即将兴建的黄河拉西瓦拱坝和292m高的小湾高拱坝基础约束区也没有超过C40。在掺用高效减水剂使单位用水量减少后，混凝土温升降低、材料节约、各龄期混凝土强度以及极限拉伸值等有不同程度的提高。从表2可以看出，在粉煤灰掺量、混凝土坍落度和水胶比基本相同的情况下，用水量从110kg/m3降低到85kg/m3时，胶材用量平均节约52kg/m3，绝热温升降低约5.37℃，各龄期混凝土的抗压强度、抗拉强度和极限拉伸值的提高幅度是极其显著的，因此，尽最大可能降低混凝土的单位用水量对提高大坝混凝土抗裂的贡献也是显著的。
5.3配合比设计
“三低复掺一高”的混凝土配合比设计准则是科学的。因为，坍落度低，泌水就小，因泌水而使混凝土界面出现较大空隙的机率减少，骨料和凝胶体间过度区结构形态得以改善。但混凝土可能会因坍落度小而产生离析，此时，由于混凝土中高掺粉煤灰，使混凝土的粘聚性提高，骨料分离现象得到遏制。采用砂率低，细骨料可能难以填充粗骨料空隙，但由于粉煤灰掺量高且其密度一般比砂小（粉煤灰密度一般为2.0～
表2—二滩拱坝招标与施工两阶段混凝土性能比较
工程 阶段 Dmax(mm) FA/FA+C(%) W(kg/m3) C+FA(kg/m3) W/C+FA 抗压强度/抗拉拉强/极限拉伸值 绝热温升(℃)
7d 28d 180d
二滩工程 招标 152 30 110 226.3 0.486 12.58/1.00/0.57 23.63/1.63/0.82 38.47/2.38/1.13 31.55
施工 152 30 85 173.5 0.490 12.60/1.16/0.83 27.30/1.93/0.87 41.00/3.31/1.21 26.41
差值 25 52.8 5.41
招标 152 30 110 211.9 0.519 10.89/0.90/0.53 19.80/1.42/0.74 32.66/2.10/1.02 30.08
施工 152 30 85 160.4 0.530 11.60/1.05/0.78 24.50/1.78/0.83 37.20/3.00/1.16 24.75差值 25 51.5 5.33
2.3，而砂子的密度一般在2.65左右），在低水胶比情况下，水泥砂浆体系的体积总量并没有减少，而且砂子填充粗骨料空隙仅仅是物理机械填充，是相对静态的，而粉煤灰部分替砂，部分作为胶凝材料，其填充空隙不仅有物理机械填充，而且还有化学反应动态填充。另外，采用上述配合比设计准则后，还可以解决特细砂混凝土易开裂的难题。
实际上，粉煤灰用量增加，减低水化热的效果是明显的【4】。过去，由于过分受经验、规范及纯理论的指导，混凝土技术领域的创新受到束缚，以及对粉煤灰混凝土缺乏全方位长期研究，再加上研究粉煤灰混凝土时，总是以相同水胶比和坍落度做对比，这样就限制了粉煤灰使用量的提高。但近期的一些研究表明【2】，用中热水泥配制混凝土时，粉煤灰最大掺量可达到50%，用低热水泥配制混凝土时，粉煤灰最大掺量可达到40%，这是因为低热水泥中本身就混有相当比例的磨细矿碴或粉煤灰。当然，粉煤灰的用量还应考虑现场实际的可获得性，否则，可能会因粉煤灰的短缺而影响工程正常施工和进度。典型的例子就是在1996年至1997年二滩拱坝高峰混凝土生产时，粉煤灰主供货源何门口电厂的粉煤灰供应不上，而合同规定粉煤灰质量和供货不足以及价格风险均由业主承担，此时业主面临两种选择，一种选择就是另找货源，承担质量风险，另一种选择是降低粉煤灰掺量，但以提高混凝土成本和牺牲混凝土的性能为代价，最后业主还是选择其它两个替代货源，而这两个货源的粉煤灰除细度达不到合同规定的要求外，其它指标均满足规定的要求，但对混凝土的性能并没有造成任何影响。
5.4加强混凝土早期性能和过度区性能发展的研究
以往，人们过多的集中在研究混凝土的宏观力学和变形性能上，对水泥——矿物掺和料——外加剂体系水化过程和过度区界面形成及结构的研究较少。众所周知，凝胶体和骨料的形态和结构都比较致密，但它们混合组成混凝土后，在骨料和凝胶体间形成很薄的过度区，而恰恰是薄薄的过度区的微观结构影响着混凝土的性能，尤其是早期抗裂性和抗渗透性。因此，借助先进的声光仪器，对优化混凝土组分体系和改善混凝土性能研究是今后的一个方向。
早期性能对混凝土的影响不容忽视。混凝土早期极易开裂，这是因为混凝土在2d～4d水化放热温升很高（一般在1d～3d内温升达最终温升的一半以上），但这期间混凝土的强度和杨氏模量很低。国外Byfors和Umehera等人以做过一些试验研究【5】，早期性能和后期性能之间存在“拐点”，这就是前面我们提到的“过境力学性能”的概念，见图4。因此，加密混凝土早期强度、弹性模量、自身体积变形、干缩变形以及绝热温升等的发展演变对进一步认识和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各项性能有着很重要的指导意义。
6．讨论和结语
从硅酸盐水泥发明到现在，混凝土工业已经历了170多年的历史，积累了相当丰富的经验，这是混凝土工业的骄傲。同时我们也应该清楚地看到，混凝土工业将面临着严峻的挑战，这些挑战包括对环境的改善和资源的合理使用等。为了满足现代社会可持续发展对资源的需求，预防混凝土开裂，提高混凝土的耐久性，延长混凝土的健康寿命是摆在我们每一个研究者面前的课题。因此，还应该根据实际工程的需要，从以下几个方面进一步研究和探讨：
（1）今后混凝土应着重研究高抗拉强度、低弹性模量、徐变值较大、收缩变形小和发热量低的高抗裂混凝土；
（2）不受规范的约束，进行大掺粉煤灰或矿物掺和料原状混凝土的长期性能研究；
（3）进一步研制和开发高性能、多功能混凝土外加剂和其它聚合物产品，改善和提高混凝土的塑性和硬化性能。
（4）开展开裂情况下混凝土的耐久性研究（如：混凝土抗渗、抗冻、抗离子侵蚀、抗炭化等），建立裂缝和耐久性指标之间的相对关系。
（5）进行混凝土早期热裂缝和早期性能的研究，进一步探讨混凝土早期开裂的根源和裂缝评价准则。 |
