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(yíng)公司，云南 昆明650051）

前言

然而大量的工程實(shí)踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫實(shí)際上是不可避免的，完全避免混凝土裂縫是不現(xiàn)實(shí)的也是不經(jīng)濟(jì)的，重要的是正確認(rèn)識(shí)裂縫的性質(zhì)，擴(kuò)展趨勢(shì)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?dāng)嚢栝_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(shí)期，此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)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(yán)重的，也可能是很輕微的微裂紋，并沒有超過各國(guó)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(diǎn)，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(diǎn)。

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(huì)緩慢下沉，這種下沉?xí)蜾摻罨蚱渌A(yù)埋件的存在而受阻，這樣就會(huì)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(huì)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(fēng)較大的季節(jié)里施工時(shí)更為常見，這是因?yàn)榛炷翝沧⒊尚秃螅砻婷谒谥鸩綔p少，而蒸發(fā)量卻很大，如果沒有及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)，則會(huì)造成混凝土泌水收縮，這時(shí)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(jìn)一步加快，若不加以及時(shí)養(yǎng)護(hù)和處理，局部的淺層裂縫會(huì)迅速擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)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(shí)產(chǎn)生3種現(xiàn)象：(1)化學(xué)反應(yīng)使無水成分變成水化物；(2)因所有的化學(xué)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(duì)體積的減縮。

絕對(duì)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(xì)小的孔，在無水的情況下或當(dāng)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(shí)，水化即從凝膠孔及毛細(xì)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(dāng)溫度開始上升時(shí)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(shí)還有很大的松馳能力使預(yù)壓應(yīng)力進(jìn)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(dǎo)致大得多的拉應(yīng)力產(chǎn)生，從而導(dǎo)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(shí)可達(dá)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(dǎo)致混凝土早期開裂。對(duì)于高強(qiáng)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(qiáng)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(xì)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(yàn)架上的大量試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)；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(qiáng)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(dǎo)致混凝土開裂破壞的物質(zhì)有CO2、SO42-和Cl-等，CO2從毛細(xì)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(xué)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(shì)；另一方面，碳化使混凝土的堿度降低，如碳化深度達(dá)到鋼筋表面，則會(huì)使鋼筋鈍化保護(hù)膜破壞，引起鋼筋銹蝕，同時(shí)使混凝土產(chǎn)生順筋開裂，Cl-侵入混凝土內(nèi)部也會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(huì)處于受拉狀態(tài)，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的承載力極限時(shí)，混凝土就會(huì)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(zhǎng)期作用下，由于混凝土的徐變，混凝土的變形增大，而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的微裂紋擴(kuò)展，使混凝土的極限承載力降低，使正常載荷相對(duì)變大。

2 混凝土裂縫控制的方法

如前所述，混凝土在不同時(shí)期不同環(huán)境里開裂有著復(fù)雜的多方面的原因。混凝土的自身缺點(diǎn)是主要因素，不利的外界環(huán)境是裂縫產(chǎn)生和進(jìn)一步擴(kuò)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(gè)方面：

2.1 合理確定混凝土結(jié)構(gòu)所要達(dá)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(duì)結(jié)構(gòu)的危害程度也是不同的，而較嚴(yán)格的裂縫控制往往意味著較高的費(fèi)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(dá)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(duì)裂縫的要求就較嚴(yán)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(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(duì)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(qiáng)覆蓋和澆水養(yǎng)護(hù)，以防止混凝土的塑性收縮裂縫;對(duì)于大體積混凝土底板，則應(yīng)重點(diǎn)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(duì)高強(qiáng)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(jī)理人們還不能透徹的了解；在混凝土漫長(zhǎng)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(kuò)展機(jī)制異常復(fù)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(gè)包括混凝土原材料、種類和用量，施工方案，設(shè)計(jì)方案，開裂時(shí)間，裂縫寬度、長(zhǎng)度、擴(kuò)展趨勢(shì)，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(yàn)，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(guó)均，牛青山，陳風(fēng)英譯.日本混凝土工程協(xié)會(huì)．混凝土工程裂縫調(diào)查及補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)規(guī)程[M]．北京：地震出版社，1992．

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