混凝土裂縫的產生與預防

趙朝軍

（雙鴨山市慧源建筑設計所，黑龍江 雙鴨山 155100）

1 混凝土產生裂縫的原因

混凝土中產生裂縫有多種原因，主要有溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性,以及結構不合理、原材料不合格(如堿骨料反應)、模板變形、基礎不均勻沉降等。混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或老混凝土的約束，又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現裂縫；許多混凝土的內部濕度變化很小或較慢,但表面濕度可能變化較大或劇烈。如養護不周、時干時濕,表面干縮形變受到內部混凝土的約束,也往往導致裂縫;混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,由于原材料不均勻,水灰比不穩定,及運輸和澆筑過程中的離析現象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低、易于出現裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應力主要是由鋼筋承擔，混凝土只是承受壓應力;在素混凝土內或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內出現了拉應力，則需依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。但在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度,往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。

2 混凝土溫度應力分析

根據溫度應力的形成過程可分為以下3個階段:一是早期。自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，一般約30d。這個階段水泥放出大量的水化熱、混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內形成殘余應力。二是中期。自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止，這個時期溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化引起的，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。三是晚期。混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這些應力與前2種的殘余應力相疊加。根據溫度應力引起的原因可分為2類,一類是自生應力。邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內部溫度是非線性分布的,由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松馳,計算溫度應力時,必須考慮徐變的影響。

3 預防措施

3.1 減輕溫度應力

為了防止裂縫,減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件方面著手。一是控制溫度。措施如下:采用改善骨料級配,用干硬性混凝土、摻混合料、加引氣劑或塑化劑等措施,以減少混凝土中的水泥用量;拌合混凝土時加水或用水將碎石冷卻，以降低混凝土的澆筑溫度;熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱;在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫;規定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度；施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷季節采取保溫措施。二是改善約束條件。措施如下:合理地分縫、分塊;避免基礎過大起伏;合理地安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露；此外，改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養護，防止表面干縮,特別是保證混凝土的質量十分重要,應特別注意避免產生貫穿裂縫，出現后要恢復其結構的整體性是十分困難的，因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。

3.2 適時拆模，注重防護

在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當混凝土溫度高于氣溫時應適當考慮拆模時間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模,在表面引起很大的拉應力,出現"溫度沖擊"現象。在混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發,表面引起相當大的拉應力，此時表面溫度亦較氣溫為高,此時拆除模板,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,從而在表面附加一拉應力,與水化熱應力疊加，再加上混凝土干縮,表面的拉應力達到很大的數值,就有導致裂縫的危險,但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料,如泡沫海綿等，對于防止混凝土表面產生過大的拉應力，具有顯著的效果。

3.3 適量加筋

加筋對大體積混凝土的溫度應力影響很小，因為大體積混凝土的含筋率極低，只是對一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下,鋼的各項性能是穩定的,而與應力狀態、時間及溫度無關。鋼的線脹系數與混凝土線脹系數相差很小,在溫度變化時兩者間只發生很小的內應力。由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍,當內混凝土應力達到抗拉強度而開裂時,鋼筋的應力將不超過100～200kg/cm2。因此,在混凝土中要想利用鋼筋來防止細小裂縫的出現很困難。但加筋后結構內的裂縫一般就變得數目多、間距小、寬度與深度較小,而且如果鋼筋的直徑細而間距密時,對提高混凝土抗裂性的效果較好。混凝土和鋼筋混凝土結構的表面常常會發生細而淺的裂縫,其中大多數屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺,但其對結構的強度和耐久性仍有一定的影響。

3.4 使用外加劑

為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑,其主要作用：一是混凝土中存在大量毛細孔道,水蒸發后毛細管中產生毛細管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑,可降低毛細管表面張力,但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在20世紀60年代就已被國際上所確認。二是水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。三是水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量,其體積用增加骨料用量來補充。四是減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形。五是提高水泥漿與骨料的粘結力,提高混凝土抗裂性能。六是混凝土在收縮時受到約束產生拉應力,當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水防裂劑可有效提高混凝土抗拉強度,大幅提高混凝土的抗裂性能。七是摻加外加劑可使混凝土密實性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,減少碳化收縮。八是摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當,在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。九是摻外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發,減少干燥收縮。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,在工程實踐中應多進行這方面的試驗,比單純地靠改善外部條件,會更加簡捷、經濟。

3.5 混凝土的早期養護

混凝土早期養護的主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達到如下效果:一是使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮;實踐證明,混凝土常見的裂縫,大多數是不同深度的表面裂縫,其主要原因是溫度梯度造成寒冷地區的溫度驟降也容易形成裂縫。混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。從溫度應力觀點出發,保溫應達到下述要求:防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫;防止混凝土超冷,應該設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩定溫度;防止老混凝土過冷,以減少新老混凝土間的約束。二是使水泥水化作用順利進行,以期達到設計的強度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關聯的,混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。因此,混凝土澆筑后的最初幾天是養護的關鍵時期,在施工中應切實重視該時期的養護。