混凝土建筑結構裂縫的成因探析

王玉虎

（北京鐵研建設監理有限責任公司，北京 102600）

1 概述

來源廣泛、價格低廉、強度高、具有防水、耐久性好以及配制過程簡單、易操作的優點使混凝土成為重要的土木材料，廣泛應用于房屋建筑、橋梁建設、公路施工等工程中。但在混凝土建筑的成型過程中，因為混凝土材料本身的因素或者外部環境的因素，混凝土建筑往往因為收縮而會出現裂縫缺陷，裂縫的出現大大降低了混凝土建筑的強度和耐久性[1-2]。為了減少材料和環境因素造成的混凝土收縮裂縫，查明裂縫出現原因，本研究通過實驗的方法，對比了減水劑、減縮劑以及膨脹劑以及水灰比對混凝土構件收縮的影響，基于實驗結果分析了混凝土建筑結構裂縫的成因，并提出了相對應的解決措施，以期為混凝土材料的安全合理使用提供參考。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

因為溫度、水分蒸發等引起的收縮往往是造成混凝土建筑裂縫的主要原因，為了探究不同添加劑和水灰比對混凝土建筑收縮的影響情況，設計了本實驗研究。用到的實驗材料主要有水泥、砂石、碎石、減水劑、減縮劑和膨脹劑。其中水泥的強度等級為42.5，砂石選用中砂，細度模數為2.3，平均粒徑約為0.35mm，石英碎石選擇13 石子，粒徑為16～31.5mm，減水劑、減縮劑和膨脹劑分別選擇TA201、ZDD-A 和UEA-Y，建議添加量為1.6%、0.6%和8%。實驗過程中需要對試件的收縮進行測量，除了上述材料外還需要用于試件制備的攪拌機、阻力測定儀，測量溫度變化的熱電偶溫度計、數字溫度測定儀，測量收縮量的千分表等[3]。

2.2 實驗方法

采用單因素控制變量法，實驗研究為了三種添加劑和水灰比，在敞開和密閉保濕工況下，混凝土試件的收縮規律。如圖1 所示，混凝土試件在最內層，混凝土外層覆蓋塑料薄膜，薄膜層外側包覆特富綸板，最外層是剛試膜。在混凝土試件中，埋有剛測頭，測頭兩側分別安裝千分表，用來測量收縮量。試件的尺寸為0.1m×0.1m ×0.5m，特富綸板厚度為0.03m。在敞開工況下，測試裝置中塑料膜之外的特富綸板和鋼試膜去掉，使其自然干燥；在密閉保持工況下，拆模后在混凝土試件上涂抹凡士林并重新覆蓋塑料薄膜，保證密封性防止與外界發生濕度交換。考慮到混合前期混凝土試件具有較高的流變性，因此從混凝土與水混合后5h 作為收縮量記錄的起點。

圖1 試驗測試裝置示意圖

實驗安排如表1 所示，考察四個因素對混凝土試件的收縮情況，表中材料的用量為單位體積用量并非絕對用量。考察減水劑因素時，在敞開和密閉保濕兩種工況下，分別不添加和添加1.6%的TA201 減水劑；考察減縮劑因素時，在敞開和密閉保濕兩種工況下，以添加了減水劑的工況為基準，分別添加0.8%和1.2%的ZDD-A 減縮劑；考察膨脹劑因素時，在敞開工況下，以添加TA201 的混凝土試件為基準，分別添加膨脹劑和同時添加膨脹劑與減縮劑；考察水灰比因素時，則保持水泥量不變，改變水的用量，配置水灰比分別為0.66、0.51、0.42 和0.34。

表1 實驗安排表

3 實驗結果及分析

3.1 減水劑對混凝土收縮的影響

圖1 為敞開和保濕兩種工況下，混凝土試件收縮量隨時間變化曲線。從圖2（a）中可以看出，隨著時間的增加，試件都有不同程度的收縮；相比于沒有任何添加劑的情況，添加1.6%減水劑時，混凝土試件的收縮量大幅增加，增幅約為140%。從圖2（b）可以看出，在密封保濕工況下，隨著時間的增加，無論是否添加減水劑混凝土試件都進行了收縮，添加減水劑整體上增加了混凝土試件的收縮量。對比圖2（a）和圖2（b）可以發現，敞開工況的收縮量遠大于密封保濕工況的收縮量，這是因為相比與密封保濕，敞開工況的收縮量還包含干燥收縮的影響。

圖2 兩種工況下混凝土收縮量隨時間變化趨勢

3.2 減縮劑對混凝土收縮的影響

在添加1.6%減水劑的情況，探究了添加和不添加減縮劑以及添加減縮劑用量對混凝土試件收縮的影響。從圖3（a）中可以看出，在敞開工況下，減縮劑的添加明顯降低了混凝土的縮減變形，隨著減縮劑用量的增加，混凝土試件縮減的比例增加。圖3（b）也表現出了類似的結果，這說明在敞開或者密封保濕的工況下，減縮劑均能降低混凝土建筑的收縮，收縮量的降低，可有效防止裂縫的形成。

圖3 兩種工況下混凝土收縮量隨時間變化趨勢

3.3 膨脹劑對混凝土收縮的影響

膨脹劑可以有效防止混凝土建筑的收縮，起到防止裂縫發生的作用。從減水劑和減縮劑對混凝土試件收縮規律可以發現，敞開或者密封不影響藥劑的作用規律；另一方面，膨脹劑還可能和縮水劑配合使用，因此這部分研究了減水劑+膨脹劑和減水劑+減縮劑+膨脹劑兩種工況下，膨脹劑對混凝土收縮的影響，其中減水劑用量為1.6%。

從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，膨脹劑的使用明顯減小了混凝土試件的收縮量。對比（a）和（b）兩圖可以發現，除去減水劑的作用，減縮劑+膨脹劑對混凝土收縮量的降低明顯大于膨脹劑單作用時的效果，這說明雙摻可以有效減少混凝土的收縮，起到防止裂縫發生的作用。

圖4 不同類型藥劑下，敞開工況混凝土收縮量隨時間變化趨勢

4 裂縫原因分析與應對措施

宏觀來說，裂縫的形成原因與混凝土本身的強度、結構設計的合理性以及施工過程等有關系，但從力學角度來看，裂縫的形成主要是混凝土在干燥過程中，因為自收縮、干燥收縮和熱收縮等因素在混凝土建筑中產生的應力大于混凝土所能承受的應力[4]。因此收縮量在一定程度上決定了混凝土裂縫的發生概率和裂縫程度，收縮量越大，越容易產生裂縫；反之，越不容易產生裂縫。另外，許多收縮裂縫的計算、毛細孔負壓的計算等均與收縮量有關，因此從收縮量分析裂縫的產生具有較高的可信度[5]。

溫度收縮ε1一般假設與溫度成正比，可通過公式（1）計算，α 為溫度收縮系數一般為8～12×10-6，假設試件溫度變化范圍為40℃，則試件溫度收縮量為3.2～4.8×10-4[6]。

本研究中密封保濕過程可認為混凝土試件沒有發生干燥收縮，主要由自收縮和溫度收縮構成，忽略溫度收縮則可認為密封保濕過程的收縮即為自收縮。而敞開工況得到的收縮量則由三個收縮量共同構成，同行忽略溫度收縮的影響，可認為敞開收縮由自收縮和干燥收縮組成。假設密封保濕和敞開工況下試件的收縮量分別為εm和εc，則自收縮量ε2和干燥收縮量ε3可通過公式（2）和（3）分別計算得到。

通過實驗部分的結果可以看出，對于敞開工況，添加和不添加減水劑時，混凝土試件的收縮量變化值約為4.0×10-4；添加減縮劑和不添加減縮劑時，混凝土試件的收縮量變化值為2.0×10-4；添加膨脹劑后混凝土試件的收縮量變化值約為0.5×10-4；水灰比變化時，混凝土試件的收縮量變化值約為1.5×10-4。通過以上數值的對比，可以看出溫度變化和減水劑作用效果相當，減縮劑對收縮量的貢獻與水灰比相當，膨脹劑的影響最小。因此。對裂縫形成的貢獻排序為：減水劑>溫度變化>減縮劑>水灰比>膨脹劑。

對于密封保濕養護工況，在添加和不添加減水劑時，混凝土試件的收縮量變化值約為0.2×10-4；添加減縮劑和不添加減縮劑時，混凝土試件的收縮量變化值為0.12×10-4；水灰比變化時，混凝土試件的收縮量變化值約為2.0×10-4。通過以上數據對比，可以發現在密封保濕時，對裂縫形成的貢獻排序為：溫度變化>水灰比>減水劑>減縮劑。

總的來水，養護方式對混凝土裂縫的發生具有重要影響，當養護方式相同時，減水劑、溫度變化、減縮劑、水灰比、膨脹劑對裂縫的形成重要程度不一。但整體上，溫差較大時，溫度的影響最重要，當溫差變化不大時，三種添加劑對裂縫影響最大的是減水劑，其次是減縮劑，最后是膨脹劑。水灰比的影響與養護方式相關，敞開時水灰比的影響小于藥劑的作用，密封保濕時水灰比的影響大于藥劑。

5 結論

以混凝土試件為對象，通過實驗的方法研究了敞開和密封保濕工況下，減水劑、減縮劑、膨脹劑以及水灰比對收縮量的影響規律，對裂縫的產生原因進行了分析，并提出了相應的應對措施，得到如下結論：

5.1 研究了減水劑、減縮劑、膨脹劑、水灰比因素對混凝土收縮涼的影響規律。

5.2 從力學角度，通過收縮量指標分析了上述四個因素對混凝土裂縫產生的貢獻。

5.3 針對混凝土產生裂縫的原因，從預防性措施和補救措施兩個角度提出了應對裂縫的建議。