混凝土早期收縮裂縫的形成機理與控制研究

摘 要： 裂縫是導致混凝土結構耐久性和使用壽命降低的主要因素。混凝土處于硬化階段的早期開裂是困擾現代混凝土工程界的一個普遍問題。本文主要研究由濕度變化所引起的收縮裂縫，此處主要考慮干燥收縮和自收縮，借助于大型有限元分析軟件ANSYS模擬一塊混凝土板內部的濕度場與干縮應力場，得出了混凝土內部濕度的擴散規律及應力的分布、發展規律。

關鍵詞： 混凝土早期收縮裂縫 形成機理 控制方法

1.引言

混凝土是一種準脆性多相復合材料，而多相復合體材料內部潛伏著隨時間變化的殘余應力，在自發和誘發因素的作用下引起混凝土內部和外部的裂縫[1]。裂縫是導致混凝土結構耐久性和使用壽命降低的主要因素[2]。因此，國內外對混凝土早期收縮的研究非常熱門，一直是一個重要課題，受到了各個領域專家學者的極大重視與關注，對這一問題的研究在上世紀90年代中期迎來了一個學術研究的高峰[3]。

2.對干燥收縮和自收縮的認識

引起混凝土發生收縮的直接驅動力可分為兩類：溫度作用和濕度作用。其中，濕度收縮包括因混凝土內外濕度變化所引起的各類收縮，如干燥收縮、自生收縮、塑性收縮、碳化收縮等，但干燥收縮、自生收縮是最主要的。

處于低濕環境下的混凝土因水分散失而導致的體積收縮現象稱為干燥收縮，簡稱為干縮。它一般是由塑性階段結束后由于水分的遷移和散失所引起的。研究發現，蒸發失水和干縮之間存在線性關系[4]。干縮持續發生于混凝土水化的早期和后期。自生收縮是指混凝土在恒溫絕濕條件下，由于膠凝材料的水化反應產生的化學收縮表現在宏觀體積上的收縮現象。混凝土內部膠凝材料的水化作用，消耗了毛細管孔隙中的水分，即使混凝土不向外界損失水分，內部的相對濕度也會有一定的降低，由此產生的干燥收縮稱為自生收縮（即自干燥收縮）。自收縮不包括混凝土與環境發生物質交換、溫度變化、外部作用力和外來約束導致的體積變化[5]。它由化學反應引起，因此也是化學收縮的一種。

3.混凝土結構濕度及干縮應力非線性有限元分析

本文利用大型有限元通用軟件ANSYS進行混凝土的濕度場與干縮應力場的仿真分析。

3.1理論模型的建立

3.1.1模型的建立

此處模擬一素混凝土路面板濕養護28d后至360d的濕度場及干縮應力的變化，旨在分析混凝土板不同厚度處在不同時刻的濕度分布、變化規律及干縮應力的變化發展過程。混凝土路面板的幾何尺寸為6000mm×3000mm×200mm。

3.1.2參數的確定

此處采用C20素混凝土，澆筑結束后濕養護28d。當地平均風速為1.8m/s，年平均相對濕度為60%左右。經分析選取后，濕度場及干縮應力計算參數的最終選取結果如表1所示。

3.1.3單元選取與邊界條件

選取solid65單元，混凝土底部采用絕濕邊界，不考慮底部的濕度損失，其他部分與空氣接觸進行濕度交換，屬于第三類邊界條件。

3.2理論結果分析

3.2.1有限元模型的建立

為了分析方便，這里選取了5個典型的節點進行濕度場與干縮應力場的仿真分析，其中1號節點位于混凝土的表面，5號節點位于混凝土板的中心處。各節點間的豎向間距為25mm。

3.2.2濕度場模擬結果分析

分別提取距離混凝土板表面0mm（板表面）、25mm、50mm、75mm、100mm（板中心）處1d、2d、3d、7d、30d、180d、360d時混凝土板內部的濕度分布，如下圖所示：

由上圖可以看出，經過7d后濕度有20%變化的區域只限于距板表面28mm，30d后約為48mm，180d后約為55mm。深度為75mm的混凝土一年的相對濕度減小量僅為8%左右，板中心處濕度一年的減少量甚至僅為5%。故可得出如下結論：

（1）混凝土的濕度傳導過程非常緩慢，混凝土是一種典型的弱導濕復合材料。

（2）濕度的變化速率呈現出越靠近內部變化速率越小的趨勢，混凝土板的表面由于與空氣直接接觸，濕度損失較大，越靠近內部濕度損失越小。

（3）雖然混凝土濕度傳導很慢，但經過一段時間后，表面區域的濕度場的變化還是很明顯的，混凝土板內外出現較大的濕度梯度，正是這種內外濕差的不均勻性導致表面拉應力的產生而引起表面首先開裂。

3.2.3干縮應力場模擬結果分析

為了明晰地分析混凝土內部應力的變化發展情況，此處將ANSYS分析得到的數據以圖表的形式給出，壓應力取負值，拉應力取正值。分別提取距離混凝土板表面25mm、50mm、75mm處各節點，得出應力隨時間的變化規律如下圖所示：

分析圖2，可得出以下結論：

（1）距混凝土板表面25mm以內混凝土的干縮應力全部為拉應力，在濕養護結束后第32d達到拉應力最大值1.13MPa，之后隨著外界環境濕度的影響及混凝土內部濕度擴散的不斷進行，此拉應力會保持一段時間但略有降低。75d后由于濕度擴散的降低，混凝土的內外濕度差降低，表面拉應力開始有較大幅度的降低并逐漸向結構內部擴散，隨著拉應力的擴展，在50mm處混凝土內部的應力由初始的壓應力逐漸變為拉應力，但應力大小相比混凝土板表面已大大降低，最大值為0.34MPa。

（2）由于濕度變化所引起的拉應力主要分布在混凝土板的表面，早期最大拉應力已達1.13MPa，且干縮拉應力是由表及里逐漸向內部發展的，大小隨之降低。早期雖然混凝土的彈性模量相對較小，但內外的濕度梯度較大，因此表現出了較大的拉應力。

（3）正是混凝土表面的較大拉應力最容易導致混凝土板表面的細微裂縫，雖然此拉應力不足以超過混凝土的抗拉強度，但若疊加其他早期應力（比如溫度應力）等則極有可能導致混凝土裂縫的出現。

（4）由應力—時間曲線可以看出，混凝土由于濕度的變化可能導致的開裂主要發生在早期。這是因為在早期混凝土的抗拉強度較低，且混凝土的徐變效應尚未發揮。因此，尤其對混凝土板而言，早期裂縫的出現應是關注的重點，若早期不開裂，則后期由于濕度的變化而引起開裂的可能性將大大降低。因此加強早期的濕養護是預防干縮開裂的好方法。

4.結語

本文通過理論分析和合理建模，得出以下結論：（1）自收縮是混凝土早期收縮的重要組成部分，之前無論在工程實踐與理論分析中將其忽略不計是不可取的，這一點應引起工程界的足夠重視。（2）通過有限元軟件模擬混凝土內部的濕度場和干縮應力場，得出的結論如第三部分所述。（3）裂縫控制是一個系統工程，只有根據裂縫控制的難點、重點綜合考慮，才能有的放矢，達到預控裂縫的目的。

參考文獻：

[1]孫躍生，仲朝明，等.混凝土裂縫控制中的材料選擇.北京：化學工業出版社，2009.

[2]Jensen A D，Chatterj I S.State of the Art Report on Microcracking and Lifetime of Concrete：Part I.Materials and Structures，1996，29（1）.

[3]Ole Mejlhede Jensen.Autogenous deformation and RH-Change in perspeclive[J].Cern ConcRes，2001.

[4]朱耀臺.混凝土結構早期收縮裂縫的試驗研究與收縮應力場的理論建模.浙江大學碩士學位論文，2005.

[5]Ei-ichi Tazawa.Autogenous shrinkage of concrete.E&FN Spon，London and New York，1999.