混凝土早期裂縫問題研究

曾淼清

混凝土早期裂縫問題研究

曾淼清

混凝土早期抗裂性能是耐久性能評價的一個重要指標。眾所周知，混凝土的早期開裂對其整體性能、力學性能和耐久性能會產生一定的影響，早期裂縫的研究也就成為當前混凝土材料界和工程界的熱點問題。本文，筆者結合多年的工作實踐經驗，對混凝土的早期裂縫的成因進行了分析，提出了切實可行的預防措施來減少早期裂縫的發生，有效地保證了建筑工程的質量。

一、早期裂縫產生的原因

按照作用和效應的關系法則，現澆混凝土結構早期受到的直接作用主要是施工荷載。以往的施工技術規范和結構設計規范已經有明確的規定，即直接作用可以采用成熟的結構分析方法計算。因此，本文，筆者著重討論早期裂縫生成效應相關的間接作用。它可以歸納為溫度作用、濕度作用、收縮變形作用等。另外，混凝土應力松弛和徐變對早期裂縫也有一定的影響。

1. 溫度作用。現澆混凝土構件置于現場環境中，除混凝土水化發展的水化熱外，還要受到環境溫度變化的影響。環境溫度來源于太陽輻射或施工后的加熱養護等。此外，混凝土材料的熱工特性參數也非常重要。它會隨混凝土的不同而變化，從而導致相同環境條件所得溫度發展結果也不盡相同。

（1）水化熱。水泥在水化過程中會產生水化熱，如果一次澆筑混凝土的體積量很大，產生的大量水化熱散不出去，表面和內部升溫、降溫速度不同，會產生表面裂縫，甚至貫穿裂縫。其中，尤其以壩體的大體積混凝土溫度裂縫問題最為突出。

（2）環境溫度、濕度。現澆混凝土結構與其他混凝土結構形式不同的是，混凝土在其成型階段往往會受到季節變化、晝夜溫度、濕度變化等的影響。例如，某地區晝夜溫差可達15℃左右， 而春秋季的濕度比夏天雨季低得多。這樣的變化會導致現澆混凝土結構材料強度發展的不均衡性。

（3）混凝土材料的熱工特征。結構設計中一般只涉及成熟混凝土的熱膨脹系數（TDC）。一般認為，熱膨脹系數取決于混凝土孔隙結構中的濕度狀態。孔隙結構干燥和濕飽和的混凝土的熱膨脹系數較低，孔隙結構部分飽和的混凝土的熱膨脹系數較高。另外，熱膨脹系數還取決于混凝土骨料的選用，例如石灰石骨料的熱膨脹系數只有1.0×10－6/℃。

2. 收縮變形作用。一般情況下，混凝土的收縮變形主要有塑性收縮、自干燥收縮（自身收縮）、干燥收縮、溫度收縮和碳化收縮等5種收縮形式。

（1）塑性收縮。混凝土的塑性收縮多發生在塑性階段，由水泥水化反應決定，因此也被稱為化學收縮。雖然體積變化量很大，但內部混凝土尚未硬化。一般認為，在施工作業振搗充分時不會影響后期質量。

（2）自干燥收縮。自干燥收縮常發生在水泥硬化過程（早前期階段）中，源于混凝土內部尚未完全水化的水泥顆粒繼續反應消耗自由水，不與環境介質接觸，因此被稱為自身收縮。高強度混凝土因水灰比較低，后續水化產生的自收縮量值較高，這也是高強度混凝土早期裂縫出現較多的原因之一。

（3）干燥收縮。由于水分的散失而導致的干燥收縮在早期最為常見，也是造成收縮裂縫的主要原因。水分散失既包括大氣蒸發，也包括地基土壤的吸收。

（4）溫度收縮。溫度收縮主要是在混凝土初凝之后，水泥水化熱的釋出量逐漸減少，導致稍后階段與外界發生熱交換后混凝土的溫度降低而產生的。此外，隨外界溫度變化的張縮也是產生溫度收縮的主要因素之一。

（5）碳化收縮。碳化收縮主要是指表層混凝土由于同空氣中的CO2發生作用而引起的收縮。一般發生于年代較長、暴露于潮濕環境中的混凝土。

大量的工程實踐表明，混凝土早期裂縫的生成，一般不是直接作用（結構荷載和施工荷載） 的結果，大部分可歸結為溫度變形和收縮變形等間接作用的效應。

3. 應力松弛和徐變變形效應。固體材料在固定荷載的長期作用下將產生緩慢的變形，力學術語為蠕變，混凝土學科中習慣地稱之為徐變。固體材料在固定變形約束下，其內部的應力隨時間逐漸變化的現象定義為應力的松弛。徐變對混凝土收縮開裂影響的機理關系如圖1所示。

圖1 收縮和徐變對混凝土開裂的影響

從圖1可知，當混凝土構件受到限制，收縮應變誘發彈性拉伸應力，（圖1 曲線a）， 徐變效應使這個拉伸應力隨時間逐漸減小，從而引起應力松弛（圖1 曲線b）。為此，在混凝土中存在受限制條件時徐變應變所松弛的應力與收縮應變產生的應力之間的相互關系，是大多數結構中變形與開裂的核心所在。因此，必須考慮混凝土在受約束限制條件下如何承擔持續應力的問題。

需要指出的是徐變是材料在直接或間接作用下的效應，在一定條件下它還可以舒緩結構構件中生成的拉應力。這在某種程度上延緩了混凝土的早期裂縫。由此可見，了解混凝土的彈性（或彈塑性）、干燥收縮、熱收縮和徐變性質，以及影響這些性質的諸因素，對于正確分析混凝土早期裂縫產生的機理是十分重要的。

二、早期裂縫的控制措施

1. 裂縫控制的設計措施。

（1）增配構造筋提高抗裂性能。薄壁結構（壁厚200～ 600 mm）如墻、板、梁等，通過增配構造鋼筋，使構造筋起到溫度筋的作用，從而有效提高抗裂性能。配筋應盡可能采用小直徑、小間距，直徑8～14 mm、間距100～150 mm是比較合理的。全截面的配筋率不小于0.3%，應在0.3%～0.5%。受力筋能滿足變形構造要求的，不再增加溫度筋；構造筋不能起到抗約束作用的，應增配溫度筋。一些國家的電工程中，設計受力筋的配置大大超過實際需要，而構造筋卻非常薄弱，值得注意。但在我國的設計中也存在忽略構造筋作用的現象。

（2）設滑動層和壓縮層。即在墊層上表面和底板下表面貼一氈一油作為滑動層。

（3）避免結構突變（或斷面突變）產生應力集中。當不能避免斷面突變時，應作局部處理， 改為逐漸變化的過渡形式，同時加配鋼筋。

（4）控制應力集中裂縫。 工業與民用建筑的各種底板、立墻、頂板以及地下箱形基礎和其他特殊構筑物都可能遇到各種形狀的孔洞，還有一些結構在長度方向遇到斷面突變的情況。 在孔洞和變斷面的轉角部位，由于溫度收縮作用，也會引起應力集中，導致裂縫的產生。

（5）設置“暗梁”。可以增加易裂的薄弱部位含鋼率，提高混凝土的權限拉伸，增強結構的抗裂性。

（6）從構造上提高混凝土的極限拉伸及抗拉強度。

（7）“后澆縫”與“跳倉打”的作用相同，可控制施工期間的較大溫差與收縮應力。

（8）以預防為主。在設計階段，就應考慮出現裂縫的可能性以及經濟可靠的修復方法。

（9）從未來的發展方向看，無論是靜動荷載作用還是變形作用，提高混凝土材料的韌性將是十分有意義的。

2. 裂縫控制的施工措施。

（1）嚴格控制混凝土原材料質量，特別是在泵送混凝土工藝中，一定要采取精料方針。 粗細骨料的含泥量應盡量減少（1%～1.5%），一些重要工程的原料必須預先多一些選擇。

（2）混凝土集料的配比應作細致分析，強度等級和水化熱及收縮有矛盾，應根據工程所處條件，如防水、防滲、防氣、防射線等進行最優方案的選擇。設備基礎的強度等級一般為C20～C25，重要特殊構筑物為C30。混凝土的水灰比很重要，應在滿足強度要求及泵送工藝要求的條件下盡可能降低，為此摻入減水劑是必要的。

（3）根據工程特點，可以利用后期強度，如60 d、90 d、120 d強度，即允許工程在60 d、90 d或120 d達到設計強度。這樣可以減少水泥用量，減少水化熱和收縮。

（4）混凝土的澆灌振搗技術對混凝土密實度是很重要的，最宜振搗時間5～15 s。另外泵送流態混凝土也需要振搗。

（5）相對大塊式、厚壁的混凝土工程，產生裂縫的主要因素是水化熱降溫引起的拉應力， 所以必須盡可能減少入模溫度，薄層連續澆筑，隨后采取保溫養護，以減少內外溫差。重要的是一定要緩慢降溫，越慢越好，為混凝土創造充分應力松弛的條件。與此同時還要使混凝土保持良好的潮濕狀態，這對增加強度和減少收縮是十分有利的。

（6）對于薄壁結構，裂縫產生的主要因素是收縮，所以應分層散熱澆灌，其后保濕養護很重要，而無須專門保溫。預防激烈的溫度變化與濕度變化對控制裂縫是十分有利的。薄壁結構中要設法保證混凝土澆灌振搗的密實性。

（7）混凝土拆模時間可根據工程具體條件（如工序要求、施工荷載狀況）確定，應盡可能多養護一段時間。拆模后，混凝土表面的溫度不應下降15℃以上。拆模時，混凝土的現場試塊強度等級不宜低于C5。

（8）混凝土的施工縫可留出接頭，設止水帶。一般工程采用施工縫，只要鑿毛清理干凈， 是可以滿足設計要求的。確保施工質量，止水帶的施工質量很重要，止水效果就能達到優良的。

（9）關于施工季節的選擇，一般難以準確確定。較冷、較暖的季節比炎熱季節好。但季節不是唯一的條件。如果組織得好，措施可靠，即使在最高氣溫35 ℃時，也可保證工程質量。

（10）對于地下工程，拆模后及時回填土是控制早期、中期開裂的有效手段。土是混凝土最佳的養護介質。實踐證明，遲遲不回填的暴露工程發生裂縫是最多的。

（11）為了減少地基與基礎間的摩阻力，可在兩者之間設一層瀝青油氈，或涂抹兩道海藻酸鈉隔離劑，將地基水平阻力系數減少至（0.1～0.3）×10–2N/mm3。

三、結論

早期裂縫產生的形式和種類很多，正確分析和判斷混凝土早期裂縫的成因和發展趨勢決定了應對此類裂縫的基本思路。為了研究在混凝土施工過程中出現的早期裂縫對建筑的結構性能產生的不良影響因素，本文，筆者把復雜的微觀機理與宏觀工程實踐相聯系，對現澆混凝土早期裂縫產生的原因進行了分析，并總結了現澆混凝土早期裂縫的控制方法，以期能夠對建筑工程質量的提高提供一定的借鑒。