混凝土早期開裂原因分析

張亞濤 武允超 徐 偉

（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 引言

混凝土早期裂縫主要是體積變化受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力造成的。在混凝土硬化過程中，水泥水化和外部環(huán)境驟冷驟熱造成混凝土的熱脹冷縮，產(chǎn)生大量的溫度應(yīng)力，這是目前預(yù)拌混凝土開裂的重要因素之一；另外，水分的蒸發(fā)、體積的縮小會(huì)產(chǎn)生大量的干縮應(yīng)力，極易在截面薄弱的地方產(chǎn)生干縮裂縫。R.Springenschmid認(rèn)為，混凝土三分之二的應(yīng)力來自于溫度變化，三分之一來自干縮和濕脹。胡如進(jìn)認(rèn)為，混凝土早期開裂主要是由于初凝前后干燥失水引起的收縮應(yīng)變和水化熱產(chǎn)生的熱應(yīng)變所引起。因此收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變的大小直接影響著混凝土是否產(chǎn)生早期開裂。

混凝土結(jié)構(gòu)最易出現(xiàn)裂縫的兩個(gè)時(shí)期分別是混凝土成型后的6～8h和澆筑后的3～6d。要想更好地預(yù)防混凝土的早期開裂現(xiàn)象，知道混凝土結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)變和溫度應(yīng)變產(chǎn)生的機(jī)理就顯得至關(guān)重要。筆者在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了收縮應(yīng)變和溫度應(yīng)變產(chǎn)生的機(jī)理，并從理論上找出減少早期開裂的措施。

2 早期開裂機(jī)理分析

2.1 收縮應(yīng)變機(jī)理

混凝土早期收縮應(yīng)變主要包括塑性收縮、干縮和自收縮。

2.1.1 塑性收縮機(jī)理

塑性收縮主要是混凝土凝結(jié)前，因泌水、表面水分蒸發(fā)以及骨料和膠凝材料不均勻沉降而造成的體積減小。混凝土拌合物成型的最初幾個(gè)小時(shí)，主要表現(xiàn)為黏塑性。隨著水化的進(jìn)行，塑性減小，彈性模量增大，成型4～8h，彈性模量從10～102MPa迅速增長(zhǎng)至104～105MPa，增大了1000倍左右，而此期間的抗壓和抗拉強(qiáng)度以正常速度增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致極限抗拉應(yīng)變由2h的4.0×10-3急劇下降至6～8h的0.04×10-3左右，此時(shí)的極限抗拉應(yīng)變達(dá)到最低值。因此，混凝土成型后的6～8h，盡管收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力相對(duì)較小，但極限抗拉應(yīng)變降到了最低，故此時(shí)存在產(chǎn)生裂縫的極大可能性。

2.2.2 干縮和自收縮機(jī)理

處于硬化階段的混凝土，其體積收縮主要是干縮和自收縮。干縮是混凝土中多余水分蒸發(fā)，體積減小而產(chǎn)生的收縮，干縮應(yīng)變產(chǎn)生的收縮量約占混凝土全部收縮量的80%～90%，由此產(chǎn)生的裂縫極易形成貫穿裂縫；自收縮是由于水泥的水化作用而使內(nèi)部水分減少，進(jìn)而體積減小的收縮，約占混凝土全部收縮量的10%左右，由此形成的裂縫一般是內(nèi)部微裂縫。這些收縮產(chǎn)生的本質(zhì)都是濕度梯度的存在。

由于外界環(huán)境與混凝土表層間存在濕度梯度，致使毛細(xì)孔內(nèi)水分開始蒸發(fā)，在圖2所示的各種力作用下逐漸形成氣液彎月面，如圖1所示，由于液面是凹的，曲率中心在液體外部，根據(jù)球形液面的拉普拉斯方程（1），可知毛細(xì)孔張力△p是負(fù)值，說明液體內(nèi)壓強(qiáng)小于液體外的壓強(qiáng)，形成了毛細(xì)孔負(fù)壓（收縮拉力），如圖3所示。隨著毛細(xì)孔內(nèi)水分蒸發(fā)的進(jìn)行，氣液彎月面如圖1所示后退，氣液彎月面的曲率半徑R逐漸減小，毛細(xì)孔的收縮拉力逐漸增大，并最終使混凝土結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)變逐漸增大。

式中：σ——表面張力系數(shù)，N/m；

△p——收縮拉力（毛細(xì)孔所受壓強(qiáng)），Pa；

R——曲率半徑，m。

公式（1）和表1表明，孔徑越大，其內(nèi)的水分越容易蒸發(fā)，孔徑越小，其內(nèi)的水分越難蒸發(fā)?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)，較粗毛細(xì)孔內(nèi)的水分先蒸發(fā)，但由于曲率半徑較大，產(chǎn)生的收縮拉力較小，收縮量也較??；然后是較小、較細(xì)毛細(xì)孔內(nèi)水分蒸發(fā)，但由于曲率半徑較小，產(chǎn)生的收縮拉力較大，收縮量也較大。

2.2 溫度應(yīng)變機(jī)理

水泥水化熱的釋放主要集中在早期，典型的波特蘭水泥在開始3d內(nèi)大致會(huì)放出50%的水化熱?；炷翜厣母叻逡话愠霈F(xiàn)在澆注后的3～4d，摻粉煤灰后可推遲至第5～6d。當(dāng)混凝土中水化熱產(chǎn)生的溫度達(dá)到峰值后，開始逐漸降溫，而混凝土是熱的不良導(dǎo)體，外層溫度降低又較快，這就在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成溫度梯度，如圖4所示，這時(shí)外部溫度較低的混凝土約束內(nèi)部溫度較高混凝土的膨脹，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力（也可稱為拉應(yīng)力），當(dāng)拉應(yīng)力大過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使混凝土發(fā)生開裂。這種因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的開裂可分為兩種：當(dāng)水化熱產(chǎn)生的溫度梯度為主要原因時(shí)，開裂一般較深，且經(jīng)常出現(xiàn)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中；當(dāng)外部環(huán)境產(chǎn)生的溫度梯度為主要原因時(shí)，開裂主要以細(xì)小的裂紋為主，出現(xiàn)于大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)的表面。

3 實(shí)例分析

置于地面上的一個(gè)混凝土立方體結(jié)構(gòu)，在受到因溫度梯度和濕度梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如圖5所示的拉應(yīng)變，從中可以看出，下底面由于整個(gè)面受到地基的約束，抵抗拉應(yīng)力的能力最強(qiáng)；上表面受到的外部約束最少，抵抗拉應(yīng)力的能力最弱；側(cè)面相比上表面，多了一個(gè)端面的約束作用，并且豎直方向上的拉應(yīng)力實(shí)際就是壓應(yīng)力，而混凝土的抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的十倍左右，抵抗拉應(yīng)力的能力介于下底面和上表面之間。在相同拉應(yīng)力作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的下底面產(chǎn)生的拉應(yīng)變最小，四個(gè)側(cè)面次之，上表面最大，也就是說裂縫最易出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)的上表面，且縱向裂縫與橫向裂縫的概率基本相同；側(cè)面出現(xiàn)縱向裂縫的概率更大些；裂縫最不易出現(xiàn)在下底面。

4 結(jié)論

減少混凝土早期開裂，理論上主要是減小混凝土結(jié)構(gòu)的溫度梯度和濕度梯度，也就是要加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)溫濕度的控制。做到這一點(diǎn)，除選用恰當(dāng)?shù)幕炷猎牧贤猓┕きh(huán)境和養(yǎng)護(hù)成為至關(guān)重要的因素