结构混凝土的非荷载裂缝严重影响建筑物的耐久性和使用功能，缺乏切实 可行的材料控制措施是目前裂缝控制的最大瓶颈。混凝土的收缩变形是结构混 凝土非荷载裂缝产生的主要原因之一，本文以混凝土收缩控制为切入点，分别 从胶结浆体组成和骨料组成优化两方面进行减缩抗裂混凝土配合比优化设计理 论和方法研究。 通过机理分析，本文提出了减缩抗裂混凝土配合比优化设计新理论，由胶 结浆体组成优化设计理论、骨料组成优化设计理论两部分组成： ■胶结浆体组成优化设计理论 胶结浆体组成对混凝土收缩的影响是水化相微观结构演变的结果，一定环 境条件下，存在最佳的胶结浆体初始组成，使水化相状态随时间的演变最有利 于提高混凝土的减缩抗裂性能。 ■骨料组成优化设计理论 骨料组成对混凝土收缩的影响是稀释效应、湿扩散行程曲折效应和界面过 渡区效应三方面综合作用的结果。胶结浆体组成和体积含量不变时，一定范围 内，骨料粒径的变化(最大粒径、砂率)对混凝土的收缩并不会产生显著影响； 而骨料体积含量增大到一定程度后，混凝土获得的减缩效果也将不再显著。 减缩抗裂混凝土配合比优化设计理论实际应用时，体现为三个关键参数的 定量控制： ■最佳水灰比(水胶比)区间 一定环境下，胶凝材料组成确定时，存在最佳水灰比(水胶比)区间，使 混凝土具有最佳减缩抗裂性能。 ■矿物掺合料最佳替代掺量区间 一定环境下，一定水胶比范围内，矿物掺合料种类确定时，存在最佳矿物 掺合料替代掺量，使混凝土具有最佳抗裂性能。 ■骨料临界体积含量 一定环境下，一定范围内，混凝土骨料体积含量存在临界值，超过临界值， 增大骨料体积含量获得的减缩效果将不再显著。 依据优化设计理论，以传统混凝土配合比设计方法为基础，本文引入三个 关键参数为减缩抗裂性能设计指标，以强度、坍落度、耐久性、减缩抗裂性能 整体优化为目标，建立了胶结浆体组成、骨料组成分步优化的减缩抗裂混凝土 配合比优化设计新方法： ■胶结浆体组成优化设计 根据混凝土设计强度，采用鲍罗米公式计算水灰比(水胶比)，以耐久性指 标、最佳水灰比(水胶比)区间、矿物掺合料最佳替代掺量区间为约束条件， 以改变水泥标号和掺合料掺量为调整手段，确定胶结浆体的优化组成。 ■骨料组成优化设计 以粗骨料空隙的砂浆填充系数、细骨料空隙的胶结浆体填充系数为坍落度 保证条件，以骨料临界体积含量为约束条件，采用绝对体积法计算粗骨料的堆 积空隙率要求，通过骨料级配设计确定骨料的优化组成。 通过混凝土收缩实验，结合胶结浆体圆环抗裂实验，针对实际工程环境下 常用强度等级的混凝土，本文确定了三个关键参数的量化控制区间： ■ 最佳水灰比(水胶比)区间 单独采用硅酸盐水泥0.50～0.60 单独采用粉煤灰替代部分水泥0.40～0.50 粉煤灰和矿渣复掺0.45～0.55 ■ 矿物掺合料最佳替代掺量区间 一级粉煤灰：20％～30％；二级粉煤灰：15%～25％；矿渣微粉： ＜30％ ■骨料临界体积含量 临界骨料体积含量 68％ 通过骨料堆积的定量体视学研究，本文确立了上海周边地区粗骨料堆积空 隙率与定量体视学参数的定量关系，建立了粗骨料级配设计的定量体视学方法： ■单粒级骨料的空隙率与体视学参数球形率和圆度之间存在良好的相关 性。空隙率定量体视学预测式为： 空隙率=433.6-332.4×圆度-482.0×球形率+56.67×圆度2+303×圆度×球形率 ■粒级大于4.75mm的骨料，不同粒级骨料之间的相互作用以“干涉效应” 为主，空隙率定量体视学预测式为： 空隙率=-40.44+68.304 ×球形率 ■ 含有4.75mm粒级的骨料，必须同时考虑“填充效应”对堆积空隙率的 影响，空隙率定量体视学预测式为： 空隙率=199.1039-154.3373×填充度-20.2031×球形率 运用建立的减缩抗裂混凝土配合比优化设计方法，本文以混凝土减缩抗裂 优化设计作为材料控制措施，分别与常规构造、施工以及养护剂养护、纤维增 强等其它裂缝控制措施组合，进行了累计面积近20万m2的三项试点工程试验， 结果表明： ■采用减缩抗裂混凝土配合比优化设计方法，可以实现混凝土减缩抗裂性 能三个关键参数的有效控制，获得优化的混凝土配比方案。 ■结合目前常用的构造、施工控制措施，采用减缩抗裂优化设计混凝土可 显著减少结构混凝土非荷载裂缝，并获得较好的早期抗裂性能。 ■同时实现水胶比、掺合料替代掺量和临界骨料体积含量三个关键参数的 优化要求，可以获得优异的裂缝控制效果；即使实现其中两个关键参数的控制， 也可获得较佳的抗裂性能。 关键词：混凝土，减缩，抗裂，优化设计，理论和方法