混凝土缺陷判斷中的“破案”分析

聞寶聯(lián)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，北京 100024）

經(jīng)常有學(xué)員發(fā)圖片或視頻給我，并詢問：“混凝土開裂了，聞老師，能幫我分析下原因嗎？”凡此時，我只得說：“你再發(fā)我?guī)讖埌桑P(guān)鍵是要把細(xì)節(jié)給我描述下，畢竟我沒在現(xiàn)場，不了解情況。”然后對方發(fā)了我?guī)讖堈掌枋隽艘幌隆Ｒ恍┏Ｒ姷娜毕荩視o出參考意見，但絕大多數(shù)，我也不能很確定，因為很多描述也可能是不準(zhǔn)確的，因為每個人的著眼點不同，可能會誤判，最終我只能回答我也不是太清楚，不結(jié)合現(xiàn)場不敢給明確意見，恐會誤人子弟。

實際情況確實是這樣的。就像得了感冒，表現(xiàn)都是一把鼻涕一把淚，鼻子也不通氣了，找到大夫，一般大夫也不會掃一眼就明確病因，肯定要詢問一些細(xì)節(jié)及患者的感覺，然后再加上化驗結(jié)果，綜合所有信息，才判斷是哪一種感冒類型，再給開藥，即便如此，也不一定準(zhǔn)確，一樣存在誤診的風(fēng)險。混凝土裂縫亦是如此。

前段我去河北某工地處理墩柱開裂問題，照片見圖1。老實說，通過這張圖可能很難看出問題，能看到的就是外觀顏色不好看，模板沒處理好，脫模用的是廢機(jī)油加柴油，裂紋很難看出來，我用另外一張與之相似的圖來說明下（見圖 2）。散碎不規(guī)則裂紋，沒有明顯方向性。

圖 1 墩柱表面

圖 2 墩柱表面裂紋示意

現(xiàn)場的技術(shù)員比較熟悉情況，觀察也很細(xì)心，給我介紹說剛拆模時候沒發(fā)現(xiàn)，后來才有的，而且很有特點，每根柱子開裂都是朝著下午陽光照射方向，他百思不得其解，問這與陽光照射有何關(guān)系？我仔細(xì)看了一下，幾根柱子確實都如此，正如他所說，西面下午朝陽方向裂紋多，其他方向也有，但東面方向很少，這很有意思。仔細(xì)詢問情況后，我提出：與下午陽光沒關(guān)系，裂紋的成因另有其他。

首先要明確的是邏輯關(guān)系，任何現(xiàn)象的產(chǎn)生都有其背后的機(jī)理，區(qū)別在于是否被知曉。比如光線的傳播一直被認(rèn)為直線，費(fèi)馬原理指出：真空中，光沿著最短的路徑傳播。在平直的空間中，最短兩點的連線是直線段，而在彎曲的空間中，最短兩點的連線是曲線段，這里出現(xiàn)了一個悖論，根據(jù)現(xiàn)實，曲面兩點之間直線最短。邏輯與現(xiàn)實發(fā)生矛盾，怎么辦？

愛因斯坦說，純邏輯沒問題。如果邏輯和現(xiàn)實發(fā)生矛盾，那就改變現(xiàn)實。兩點之間直線最短，背后的隱含假設(shè)是：空間是平直的，才直線最短。如果事實是兩點之間曲線最短，那只能打破這個隱含假設(shè)，推出一個新的關(guān)于時空的假設(shè)出來——時空是彎曲的，彎曲時空現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛接受，而且也被觀測和實驗證實。

這也是我在以前的文章中一直強(qiáng)調(diào)的，邏輯關(guān)系的重要性，違反邏輯關(guān)系的現(xiàn)象是不存在的，所以被認(rèn)為是不合邏輯是還沒掌握相關(guān)知識，比如量子力學(xué)。

為說明前面的裂紋問題，先了解下相關(guān)知識。

首先，可以確定裂紋與材料本身相關(guān)性不強(qiáng)。墩柱混凝土是一段一段往上澆筑的，如果一段四周都出現(xiàn)一樣的問題，不排除材料問題，但如果不是這樣，基本可以排除。

其次，日照因素。面向下午日照面也就是西側(cè)有裂紋，而面向上午面也就是東側(cè)很少，日照因素也基本排除。

那么，應(yīng)該是這以外的因素為主。說到這個，先了解一下風(fēng)向玫瑰圖做個鋪墊。

風(fēng)向玫瑰圖用圖象表示風(fēng)向和風(fēng)頻（用百分?jǐn)?shù)表示）的原理，因形狀像玫瑰花，故得此名（見圖 3）。

圖 3 風(fēng)向的十六個方位

在 16 個方位上，經(jīng)多年統(tǒng)計，我們可以將一年、多年的風(fēng)向統(tǒng)計資料編制成圖象，這就是風(fēng)向玫瑰圖。根據(jù)玫瑰圖，把有大氣污染的企業(yè)設(shè)置在居民區(qū)最小風(fēng)頻的上風(fēng)地帶或常年盛行風(fēng)向垂直的郊外，是最科學(xué)的。

事實上風(fēng)向有明顯的季節(jié)變化，甚至是年際變化，所以通常要選取數(shù)十年的風(fēng)向資料作為研究對象，比如石家莊的風(fēng)向玫瑰圖（圖 4），以西北風(fēng)為主風(fēng)向。

圖 4 石家莊風(fēng)向玫瑰圖

了解了玫瑰圖和今年三月份，也就是墩柱的施工季節(jié)溫度（圖 5）情況，下面還要了解一些空氣動力學(xué)和熱力學(xué)知識。

圖 5 石家莊 2021 年 3 月天氣

按照勢流理論，流體在圓柱體的前部流速會逐步增大而壓力會逐步減小；流體在圓柱體的后部流速會逐步減小而壓力會逐步增大。

但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的前部會形成流動邊界層，速度會從勢流流速逐步改變到壁面上的零速度，這種速度改變是以消耗流體動量為代價的，這一過程特征會保持到勢流流速達(dá)到最大值。

在其后的增壓減速過程，流場由壓力轉(zhuǎn)變來的動量會逐步地再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌龅膲毫Γ藭r近壁流體不但會因動量的耗散而沒有足夠的動量轉(zhuǎn)化為壓力，而且還會在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動，從而導(dǎo)致流體在邊界層發(fā)生分離（見圖 6）。在其后的增壓減速過程，流場由壓力轉(zhuǎn)變來的動量會逐步地再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌龅膲毫Γ藭r近壁流體不但會因動量的耗散而沒有足夠的動量轉(zhuǎn)化為壓力，而且和會在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動，從而導(dǎo)致流體在邊界層發(fā)生分離。如果流體在分離之前流動邊界層已經(jīng)從層流發(fā)展到紊流，由于紊流邊界層中紊流動量交換的加強(qiáng)，從而使邊界層流動的分離向后推移。

圖 6 空氣流過墩柱流線和速度分布

繞流圓柱的流體當(dāng) Re＜10（雷諾數(shù)）時流動不會發(fā)生分離現(xiàn)象；當(dāng) 10≤Re≤105時，流動分離點在 80°≤φ≤85° 之間；而當(dāng) Re＞105時，流動分離點在 φ=140° 處。雷諾數(shù)為 Re=u∞d/v，式中，u∞為來流速度，d 為圓柱體外直徑。雷諾數(shù)的物理意義是慣性力與粘性力的比值。比如取特征尺度也就是墩柱直徑d=1m，根據(jù)三月份氣象資料空氣速度取為 3～5m/s，20℃ 空氣運(yùn)動粘度 v＝1.4×10-5m2/s，則 Re=21428～35714。如圖 7 所示為繞流圓柱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿著圓柱體壁面變化的情況。其中 Nu（努塞爾數(shù)）為對流熱導(dǎo) h 與特征長度 L 的乘積除以流體熱導(dǎo)率 k。即：Nu=h·L/k，特征長度為墩柱直徑，這樣，導(dǎo)熱系數(shù) h 與Nu 成正比。可以看出：在圓柱體的前端 φ=0° 處換熱系數(shù) h 最大，而在分離點 φ=82° 處換熱系數(shù) h 最小；如果在邊界層從層流變?yōu)槲闪鳎敲崔D(zhuǎn)變點 φ=140° 處有一個換熱系數(shù) h 的最低點，紊流邊界層的分離點是另一個換熱系數(shù) h 的最低點。

計算流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式：

圖 7 不同雷諾數(shù)下的不同角度換熱系數(shù)

準(zhǔn)則的特征流速為流體最小截面處的最大流速umax；特征尺寸為圓柱體外直徑 d；定性溫度除 Prw按壁面溫 tw取值之外，皆用流體的主流溫度是在選用 tf為定性溫度時考慮熱流方向不同對換熱性能產(chǎn)生影響的一個修正系數(shù)。

按主風(fēng)向為西北風(fēng)，雷諾數(shù) Re=21428～35714，參照圖 7，雷諾數(shù)不是太大時，按圖趨勢，顯然散熱在迎風(fēng)面大，然后隨著圓柱表面逐漸降低，在 80° 方向換熱系數(shù)最低，之后逐漸增大，但也要小于迎風(fēng)面，而一旦風(fēng)很大，大雷諾數(shù)紊流態(tài)，反而背風(fēng)面散熱快。但目前的流動與傳熱特性，與西面裂紋多相悖，不符合邏輯關(guān)系。

重新網(wǎng)上查閱石家莊地區(qū)今年 3 月份氣象資料，發(fā)現(xiàn) 3 月份主風(fēng)向為西風(fēng)，但風(fēng)向也是隨時波動的，并不會只沿著標(biāo)準(zhǔn)的幾個方位流動，這樣也解釋了為何西側(cè)裂紋多而東側(cè)裂紋少，當(dāng)然這更多也是定性的而非定量。通過以上的分析，要確立一個觀念，就是任何現(xiàn)象都有其內(nèi)在邏輯關(guān)系，能解釋才能解決，混凝土問題不要總局限于材料，多了解相關(guān)學(xué)科很重要！這也基本判定，拆模后由于混凝土墩柱溫度較高，保溫養(yǎng)護(hù)不及時，在低溫西風(fēng)作用下，表面溫降過快，同時也伴隨著失水，造成局部表層收縮開裂，而背風(fēng)面由于風(fēng)速較低、換熱系數(shù)低、溫降要慢于迎風(fēng)面，沒有發(fā)生明顯的表面裂紋。

在冬季以后類似的工程，拆除模板后一定要注意及時保溫保濕。