建筑混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫原因及控制研究

李然

（云南省房地產(chǎn)開發(fā)經(jīng)營公司，云南 昆明650051）

前言

然而大量的工程實踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫實際上是不可避免的，完全避免混凝土裂縫是不現(xiàn)實的也是不經(jīng)濟的，重要的是正確認識裂縫的性質(zhì)，擴展趨勢和危害程度，并根據(jù)工程需要和結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，合理確定裂縫控制水平。

1 混凝土裂縫形成原因分析

1.1 混凝土的早期裂縫

在混凝土凝結(jié)硬化的早期，從加水攪拌開始，混凝土正經(jīng)歷著從粘塑性體至粘彈性體至固體的過渡時期，此時混凝土的抗拉強度和彈性模量都很低，混凝土很容易開裂。早期裂縫可能是很嚴重的，也可能是很輕微的微裂紋，并沒有超過各國規(guī)范所限定的最小裂縫寬度，但是它們是結(jié)構(gòu)的隱傷，可能是結(jié)構(gòu)在后期的承載過程中受力斷裂的起點，也可能是外界有害物質(zhì)侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部并使結(jié)構(gòu)破壞的起點。

1.1.1 塑性沉降裂縫

在塑性階段，混凝土的內(nèi)部骨料在自重作用下會緩慢下沉，這種下沉會因鋼筋或其它預(yù)埋件的存在而受阻，這樣就會在鋼筋或預(yù)埋件的周圍形成裂縫，即塑性沉降裂縫．塑性沉降裂縫一般垂直于結(jié)構(gòu)表面，其深度從表面一直延伸至鋼筋上方，若不加控制則會加速鋼筋銹蝕。

1.1.2 早期干縮裂縫

混凝土的早期干縮裂縫一般出現(xiàn)在較薄的梁板結(jié)構(gòu)中，在干熱和風較大的季節(jié)里施工時更為常見，這是因為混凝土澆注成型后，表面泌水在逐步減少，而蒸發(fā)量卻很大，如果沒有及時澆水養(yǎng)護，則會造成混凝土泌水收縮，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，收縮產(chǎn)生的很小的拉應(yīng)力就可以使結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫；裂縫出現(xiàn)后，混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā)進一步加快，若不加以及時養(yǎng)護和處理，局部的淺層裂縫會迅速擴展，直至貫穿整個結(jié)構(gòu)，危及結(jié)構(gòu)安全。

1.1.3 混凝土的自收縮與水化熱引起的早期裂縫

混凝土的硬化過程即是混凝土內(nèi)部的水泥水化并凝結(jié)硬化的過程，水泥水化反應(yīng)同時產(chǎn)生3種現(xiàn)象：(1)化學反應(yīng)使無水成分變成水化物；(2)因所有的化學反應(yīng)均為放熱反應(yīng)所引起的熱量釋放；(3)Le Chatelies和Powers發(fā)現(xiàn)的絕對體積的減縮。

絕對體積減縮受到水泥漿體結(jié)構(gòu)和骨料與鋼筋約束的結(jié)果是在水泥漿體中產(chǎn)生非常細小的孔，在無水的情況下或當水泥初凝后未水化水泥繼續(xù)水化所引起的耗水速率大于外界水的遷移速率時，水化即從凝膠孔及毛細孔網(wǎng)絡(luò)中吸收水而形成凹液面，在水泥漿體中產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而造成收縮，這種現(xiàn)象稱為自收縮。水化熱釋放的結(jié)果是混凝土體溫度升高，當溫度開始上升時混凝土的彈性模量還很低，因此，只有小部分的熱膨脹轉(zhuǎn)化成為壓應(yīng)力，此時還有很大的松馳能力使預(yù)壓應(yīng)力進一步減小。而在此后的冷卻過程中，彈性模量的增大和松弛作用的減小導致大得多的拉應(yīng)力產(chǎn)生，從而導致混凝土出現(xiàn)早期熱裂縫。

在大體積混凝土中，由于水化熱的作用和混凝土的散熱緩慢，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差很大，有時可達50℃以上，這種很大的內(nèi)外溫差引起很大的溫度應(yīng)力而導致混凝土早期開裂。對于高強度混凝土，一方面由于水泥用量大，水泥活性高，因此水化熱釋放較多，使混凝土體溫度上升較高，并在隨后的降溫過程中體積收縮受約束；另一方面，由于水膠比低，混凝土內(nèi)部游離水較少，而水化速度較快，耗水速率較大，自收縮較大，因此，高強混凝土非常容易早期開裂。

由于自收縮和水化熱引起的裂縫是混凝土在孤立環(huán)境中（與外界無物質(zhì)和能量的交換）也可以產(chǎn)生的裂縫，因此主要是水泥的抗裂性能（還有礦物摻合料和外加劑）決定了混凝土的初始抗裂性能。從理論上看，在水泥的礦物組成中，C3S，C3A，Na2O，K2O含量較低，細度較小的水泥，水化熱低，放熱平緩，水化速度較慢，耗水速率低，因此有較小的自收縮與水化熱，抗裂性能較好，R.Springenschmid的在開裂試驗架上的大量試驗結(jié)果也證實了這一點；而從混凝土的角度來說，水泥用量低（以活性較低的混合材代替部分水泥）自然有較小的自收縮與水化熱，因此，在大體積混凝土或高強混凝土中，以粉煤灰代替部分水泥是減少早期開裂的非常有效的措施。

1.2 混凝土在后期(承載過程中)裂縫的形成原因

1.2.1 外界侵蝕性物質(zhì)侵入所產(chǎn)生的裂縫

可以從周圍環(huán)境侵入混凝土內(nèi)部而導致混凝土開裂破壞的物質(zhì)有CO2、SO42-和Cl-等，CO2從毛細孔和微裂紋侵入混凝土后，即與混凝土內(nèi)部的Ca(OH)2發(fā)生化學反應(yīng)，這一過程稱為混凝土的碳化。由于Ca(OH)2結(jié)晶體的溶解和CaCO3的沉積，碳化使混凝土產(chǎn)生收縮，有增加混凝土后期開裂收縮的趨勢；另一方面，碳化使混凝土的堿度降低，如碳化深度達到鋼筋表面，則會使鋼筋鈍化保護膜破壞，引起鋼筋銹蝕，同時使混凝土產(chǎn)生順筋開裂，Cl-侵入混凝土內(nèi)部也會導致鋼筋銹蝕，SO42-侵入混凝土內(nèi)部后，首先與Ca(OH)2反應(yīng)生成石膏，石膏又與水泥石中水化鋁酸鈣反應(yīng)生成含有大量結(jié)晶水的鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O），它比原有體積增大1.5倍以上，從而導致混凝土的膨脹破壞。

1.2.2 混凝土受過大拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫

在建筑結(jié)構(gòu)體系中，由于各種原因，混凝土梁板等結(jié)構(gòu)會處于受拉狀態(tài)，當拉應(yīng)力超過混凝土的承載力極限時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫。過大的拉應(yīng)力可以由以下幾種途徑產(chǎn)生：(1)荷載應(yīng)力，如偶然的超載，地震等；(2)約束應(yīng)力，如混凝土的干燥收縮或環(huán)境的溫度降低所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形受到支座的約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，或者是基礎(chǔ)不均勻沉降所產(chǎn)生的拉應(yīng)力；(3)在正常荷載的長期作用下，由于混凝土的徐變，混凝土的變形增大，而導致混凝土結(jié)構(gòu)的微裂紋擴展，使混凝土的極限承載力降低，使正常載荷相對變大。

2 混凝土裂縫控制的方法

如前所述，混凝土在不同時期不同環(huán)境里開裂有著復雜的多方面的原因。混凝土的自身缺點是主要因素，不利的外界環(huán)境是裂縫產(chǎn)生和進一步擴展的誘因，因此，混凝土的裂縫控制工作是多方面的，系統(tǒng)的。可分為以下幾個方面：

2.1 合理確定混凝土結(jié)構(gòu)所要達到的裂縫控制水平

為了保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全和提高其耐久性，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是必須控制的；另一方面，由于混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫是不可避免的，開裂的程度和對結(jié)構(gòu)的危害程度也是不同的，而較嚴格的裂縫控制往往意味著較高的費用和資源，因此，應(yīng)根據(jù)工程需要合理確定裂縫控制所要達到的水平。如一般的混凝土結(jié)構(gòu)可以存在一些不影響混凝土使用功能和承載能力的裂縫，而有防水要求的結(jié)構(gòu)和在腐蝕環(huán)境里工作的結(jié)構(gòu)對裂縫的要求就較嚴格。

2.2 合理選擇混凝土的原材料種類、用量和施工工藝

在實驗研究的基礎(chǔ)上，針對不同的混凝土結(jié)構(gòu)在不同的環(huán)境里可能出現(xiàn)的裂縫形式，合理選擇混凝土的原材料種類，用量和施工工藝。例如，對于現(xiàn)澆板一類的結(jié)構(gòu)，由于混凝土暴露面積較大，應(yīng)加強覆蓋和澆水養(yǎng)護，以防止混凝土的塑性收縮裂縫;對于大體積混凝土底板，則應(yīng)重點采取措施預(yù)防因水化熱引起的裂縫，可以采用低熱水泥，用粉煤灰代替部分水泥，降低混凝土的入模溫度，預(yù)埋冷確水管等措施。

2.3 建立混凝土工程開裂檔案

隨著建筑技術(shù)的高度發(fā)展，人們對高強高性能混凝土的需求日益增加，各種外加劑和摻合料也越來越普遍的用于混凝土中，而水泥在各種外加劑和摻合料作用下的水化機理人們還不能透徹的了解；在混凝土漫長的承載過程中，外界環(huán)境因素又有很大的不確定性，使得裂縫的產(chǎn)生和擴展機制異常復雜，結(jié)構(gòu)混凝土意外的開裂現(xiàn)象屢見不鮮。因此，在大范圍內(nèi)建立一個包括混凝土原材料、種類和用量，施工方案，設(shè)計方案，開裂時間，裂縫寬度、長度、擴展趨勢，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，環(huán)境條件等要素在內(nèi)的混凝土開裂檔案，可以使人們不斷的積累經(jīng)驗，更好地開展混凝土開裂問題這一前沿課題的研究，更合理的控制混凝土工程的裂縫。

[1]周國均，牛青山，陳風英譯.日本混凝土工程協(xié)會．混凝土工程裂縫調(diào)查及補強加固技術(shù)規(guī)程[M]．北京：地震出版社，1992．

[2]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制，中國建筑工程出版社，1997.