混凝土早期收縮裂縫的形成機理及應對措施

【摘要】隨著混凝土技術不斷發展，目前混凝土早期收縮裂縫問題也是工程上的難題。本文考慮到現代混凝土早期易于開裂各種情況，對于早期開裂的形成機理進行分析和探討，并且對于相關的應對措施進行詳細分析，希望對于今后現代混凝土的早期收縮裂縫的控制有所幫助。

【關鍵詞】混凝土；形成機理；早期收縮裂縫；養護；裂縫控制

1 引言

2 早期收縮裂縫形成機理分析

對于現代混凝土發展出現的早期裂縫問題，比如大壩、橋面板在澆筑后2～3天內就出現了貫穿性裂縫等問題，還有相關的梁、板在剛拆除模板甚至澆筑后6～12小時內就出現了不同程度的裂縫問題，這些相關的原因都是由于現代混凝土早期過大的收縮造成的[2，3]。近幾年，眾多學者對于混凝土早期收縮裂縫進行相關分析研究，比如很多的措施也就相應提出，包括設計、材料、施工和管理各方面，但是從根本上對于混凝土裂紋問題還不能有效遏制。本文對于現代混凝土早期開裂問題進行分析與探討，相關的控裂理念希望對于今后混凝土施工具有一定幫助。

引起混凝土收縮的驅動力可分為兩類：溫度作用與濕度作用。溫度作用引起的早期收縮包括水化熱與晝夜溫差引起的溫降收縮，其中前者在大體積混凝土中尤為顯著。濕度作用引起的早期收縮包括塑性收縮、自收縮與干燥收縮。值得注意的是，溫度作用與濕度作用引起的收縮是同時發生，相互作用的，因此使得研究的難度增大。

2.1 水化熱引起的溫度收縮

溫度收縮主要是混凝土在水泥水化放熱出現溫峰后的降溫過程中產生的。水泥在早期水化過程中將放出大量的熱，一般每克水泥可放出502J熱量，在絕對條件下，每45kg水泥水化將產生5～8℃絕熱溫升。在沒有緩凝劑的條件下，通常在開始的12h左右出現溫度峰值。隨后，由于水化放緩放熱減小，在與外界環境熱交換下溫度開始下降。由于混凝土內、外散熱條件的不一致，表層混凝土溫度降低得快，沿混凝土截面出現溫度梯度，使得溫降過程中出現收縮沿截面的不一致，從而導致表層混凝土受拉，當超過混凝土抗拉強度時產生溫度裂縫。這在大體積混凝土中溫升可高達60℃，是造成這類混凝土早期裂縫的主要因素。

另外需要解釋的是水化溫升階段通常不會出現脹裂，因為溫升膨脹過程中混凝土尚處于流塑性狀態，且溫升過程迅速，沿截面也相對均勻。而隨后的散熱溫降過程由于較為緩慢、均勻性又較差，且混凝土已逐漸硬化，往往容易在此時出現溫度收縮裂縫。

2.2 晝夜溫差引起的溫度收縮

晝夜溫差也會引起相應的溫度變形。如對于混凝土板，在早晨太陽的照射下，表層混凝土的溫度顯著升高，其膨脹受到底層混凝土的限制而使表層拱起；在白天，隨著全截面溫度趨于相同，變形表現為自由伸長(如圖1b)：而夜晚，隨著表層溫度的開始降低，又出現表層彎起的現象。因此對于新澆筑的混凝土，晝夜溫差大時極易出現早期的這類溫度裂縫。

2.3 塑性收縮

塑性收縮發生在混凝土終凝前的塑性階段，通常在澆筑后4～15h左右出現，絕大部分發生在初凝前的流塑性階段。這一階段水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水、水分急劇蒸發以及骨料與漿體的不均勻沉降等現象。因此，塑性收縮又可以細分為失水凝縮、化學減縮、沉降收縮三類。失水凝縮是新拌混凝土水化過程中因泌水等因素水分從混凝土內部向外遷移，并在表面迅速蒸發造成的，多發生在干熱與刮風天氣中；化學減縮在此特指早期塑性階段表現出的由于水化反應前后生成物的平均密度比反應物小而產生的體系宏觀體積的收縮；沉降收縮是混凝土在澆搗后各組成材料發生不均勻沉落，出現分層離析，粗骨料下沉，水泥凈漿上浮，當受到鋼筋等阻擋時使混凝土相互分離造成開裂的現象。

相對而言塑性收縮造成的早期裂縫較為容易處理，即通常在施工中振搗充分且做好養護是可以避免這類收縮裂縫的，一旦出現，采用二次抹壓或二次澆灌層加以平整即可，不會影響后期的結構耐久性能。

2.4 干燥收縮

干燥收縮通常是混凝土停止養護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而發生的不可逆收縮，隨著相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大。干縮機理與水泥漿體內部孔隙有關，水泥水化的結果是生成水化硅酸鈣及在內部形成大量被水填充的微細孔(>5 nm的毛細孔與0.5～2.5 nm的凝膠孔)，這些微細孔中儲存有水化未消耗的多余水分。混凝土干燥的時候，混凝土表層水的蒸發速度可能超過混凝土向外泌水的速度，因此，表層的水面降低，并隨著蒸發的繼續，水分的失去從表層逐漸向混凝土內部不斷發展，毛細孔與凝膠孔中的吸附水相繼失去。這些微細孔內水分的失去將在孔中產生毛細管負壓，并促使氣液彎月面的形成，從而對孔壁(也即水化硅酸鈣凝膠骨架)產生拉應力，造成水泥漿體收縮。

2.5 自收縮

混凝土的自收縮是指混凝土在沒有與周圍環境發生濕度交換的情況下由于混凝土的自干燥引起的體積變化。所謂自干燥是指在水泥水化過程中由于沒有外界水供應或外界水通過毛細孔遷移到體系內部的速度小于水化耗水的速度時，水化所需的水分將從毛細孔中吸收，于是在毛細孔中形成氣液彎月面，同時水化反應絕對體積的減小將以在內部形成微細孔的形式得到補償。而毛細孔水的降低使混凝土內部飽和蒸氣壓也隨之降低，即相對濕度將降低，但毛細孔水的減少并沒有使水泥石的質量發生損失，這一現象被稱為自干燥。可見自干燥對于自收縮的作用機理與干燥收縮在本質上是一致的，即都與失水造成的毛細孔壓力有關系，所不同的是兩者的失水方式不同。

值得說明的是自干燥在任何水灰比條件下都有可能發生，只是不同混凝土在表現的程度上有所不同而已。當水灰比較低時，這一微觀現象在毛細孔中的普遍發生將表現為宏觀上的自收縮；而當水灰比較高時，自干燥現象僅在局部毛細孔中發生，而在宏觀上則可以忽略。

3 早期收縮裂縫控裂理念

關于混凝土早期收縮裂縫的控制措施，眾多文獻從結構設計、材料使用、施工管理等各方面都做過相關論述，這里不再細述。基于長期針對混凝土早期性能的研究，在此著重提出“早期養護為主、材料戰縮為輔”的混凝土早期收縮裂縫控裂理念。即在控制混凝土早期收縮裂縫方面，加強早期養護應起主導作用，將其作為原則性措施加以貫徹，因為早期養護可以最大限度地減小甚至杜絕早期的干燥收縮，而這部分收縮正是造成早期開裂的重要因素；當水灰比較小時，或對于高強高性能混凝土，由于其自收縮較大，在養護抑制干燥收縮的基礎上，尚應輔以材料的減縮措施來抑制自收縮，從而共同消除造成早期開裂的主要收縮源，起到控制早期開裂的目的。

加強混凝土早期養護體現在改變傳統觀念，從混凝土初凝開始即對其開始養護，這對摻減水劑混凝土而言尤為重要，養護方式可以是蓄(灑)水、噴霧、密封等保濕方法，且早期養護需要持續足夠的時間，有研究建議這一時間至少持續8h。材料減縮可以通過減縮劑的減縮或膨脹劑的收縮補償來實現，也可通過材料的優化設計來降低收縮，當應用膨脹劑時建議采用其與減縮劑復摻以確保變形性能的穩定性。

突出早期養護為主，不但可以直接抑制早期干縮裂縫，而且還可以間接抑制早期自收縮裂縫，這是因為早期養護對混凝土強度的發展很有利，可以在一定程度上延緩甚至防止自收縮裂縫的產生。因此早期養護為主應始終貫徹，材料減縮為輔應有的放矢。

4 結語

混凝土早期裂縫問題自上世紀90年代以來逐漸為人們所關注，尤其近些年來成為工程界迫切需要解決的技術難題。本文的研究認為絕大多數早期裂縫源自現代混凝土早期的高收縮性，這從內在來講是現代混凝土材料組成的變化“賦予”了其早期收縮的“大”趨勢，從外在來講對早期養護之于現代混凝士的特殊重要性缺乏清晰的認識“縱容”了其早期收縮的“大”發展。為此，本文在深入分析各類早期收縮的基礎上，針對現代混凝土，提出了“早期養護為主、材料減縮為輔”的早期收縮裂縫控裂理念。“早期養護”是主，要做細，“材料減縮”是輔，要做準。所謂。做細”是精心組織、嚴格把關：所謂。做準一是適時采用、準確把握。在這一控裂理念的指導下，通過采取合理的控制措施，相信現代混凝土早期易于開裂的頑癥終將得以克服。

參考文獻：

[1]錢曉倩，詹樹林，方明暉等．減水劑對混凝土早期收縮和總收縮的影響[J]．混凝土，2004(5)：17～20

[2]陳瑜，張起森．水泥混凝土早期抗裂能的研究現狀[J]．建筑材料學報，2004，7(4)：41 l～417.

[3]袁勇．混凝土結構早期裂縫控制[M]．北京：科學出版社，2004