混凝土收縮開裂模型在解決混凝土塑性收縮裂縫中的應用研究

周賽霞，張偉強 （蕪湖建瑞工程檢測有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 混凝土裂縫類型綜述

1.1 混凝土裂縫的分類

混凝土裂縫是長期困擾混凝土工作者的一大難題。部分裂縫僅僅存在于混凝土的表面，影響混凝土的外觀質量，對混凝土的結構安全影響較小，也有些裂縫造成建筑結構滲水、鋼筋銹蝕，致使混凝土建筑結構受到不可逆的損害，從而引發重大工程事故。混凝土裂縫按照起因可概況為幾種：一是結構裂縫，主要因設計、地基變形、結構受力等原因引起；二是溫度裂縫，主要存在于大體積混凝土中，由混凝土澆筑過程中溫度梯度過大，混凝土不均勻收縮引起；三是化學裂縫，主要因混凝土內部的化學反應混凝土自身體積顯著變化而造成的，如堿骨料反應的ASR裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、MgO和f-CaO引起的安定性不良裂縫和石灰爆裂裂縫等；四是混凝土干縮裂縫，是由混凝土長期干縮和化學減縮及混凝土徐變引起的裂縫。筆者在長期從事混凝土工作中發現，以上裂縫出現概率并不是很高，出現概率最高的還是混凝土塑性收縮裂縫。

1.2 混凝土塑性收縮裂縫的性質和現象

裂縫指的是固體材料的某種不連續，混凝土塑性收縮裂縫，ACI將其定義為“發生在水泥漿體、砂漿、灰漿或者混凝土凝結之前的收縮裂縫”，也有部分觀點將其稱為“終凝前裂縫”，指的是混凝土終凝前失水、干縮、水化收縮、沉降等原因造成混凝土的體積收縮，而混凝土由于本身條件的自約束和其他限制條件的約束，混凝土抗拉強度偏低，無力抵抗這種收縮，致使混凝土被拉裂而產生的裂縫，這種裂縫多數長短不一致、互不連貫呈無序狀態，一般這種裂縫寬度為1mm左右，長度為幾厘米至幾十厘米，深度10mm左右，極嚴重情況下也會出現寬度3～5mm，長度超過5m并且是貫穿的裂縫。

1.3 混凝土塑性收縮裂縫的成因

混凝土的塑性收縮裂縫一般有兩種，一種是結構性沉降裂縫，由于混凝土不同體積、不同密度、不同形狀的顆粒在施工過程中運動速率不一致，又因鋼筋和模板的約束作用，混凝土施工不合理，過震、漏振等混凝土澆筑后的不均勻致使局部剪切應力超過混凝土自身的抗拉應力而產生的裂縫，這種裂縫有一定方向性，常和配筋方向或者模板支撐方向一致，較容易識別；另一種是塑性收縮而產生的裂縫，也是我們通常說的塑性收縮裂縫，這種裂縫成因較為復雜，往往不是某一種單一原因引起的，而是多種原因共同作用而引起，在這些紛繁復雜的原因中找到引起裂縫發生的主要原因是我們需要解決的難題。

2 混凝土裂縫模型的建立

2.1 混凝土裂縫成因的復雜性

混凝土生產企業在建筑施工中完全處于乙方、丙方甚至丁方的位置，一般情況下很難要求施工等各方在混凝土澆筑過程中做到很完美，只能運用“抗”與“放”等理念配制并生產出具有“免疫力”的混凝土去滿足建筑施工要求。在混凝土裂縫問題處理的討論會上經常聽到“用同樣的工藝澆筑其他攪拌站的混凝土為什么沒有開裂”“同一天供應其他施工單位的混凝土為什么一切正常”……這些問題致使許多混凝土工作者自己也很迷茫，這恰恰反應了混凝土裂縫成因復雜的問題。

2.2 建立混凝土裂縫的模型

混凝土塑性收縮裂縫發生有三個條件：一是混凝土水化水泥漿體變成水泥石收縮產生拉應力；二是混凝土的配筋、模板和混凝土自身在三維空間的約束作用使混凝土的拉應力得不到有效釋放；三是混凝土自身粘結強度無法抵抗收縮產生的拉應力。

混凝土的收縮變形理論上是三維的體積變化，因混凝土凝結環境受到重力影響顯著，現實遇到的裂縫多是單向變形起主導作用，許多混凝土工作者都認為線性變形主導著混凝土的收縮和開裂，韓素芬等學者也提出了混凝土開裂的假設模型，假定混凝土是長桿，在不受約束情況下，桿件自由收縮，不會發生開裂現象；當自由收縮產生的拉應力σ小于混凝土的抗拉強度f，也是說混凝土本身抗拉強度f能抵抗收縮應力σ混凝土是不會開裂的；如果抗拉強度f小于收縮應力σ混凝土就開裂了。翻閱很多學者的資料發現，在構建這個模型中，許多學者都忽略了一個非常重要的參數那就是“時間”，王鐵夢教授也認為唯象理論以及極限理論的缺點是忽略了“時間t”參數，混凝土水化是一個在時間軸上的一個不斷變化的模型，僅僅研究最終狀態而不了解過程是無法全面解決混凝土裂縫問題的。我們知道混凝土強度和收縮一般都是時間的正函數，它們都隨著時間增加而增長，如果我們在混凝土生產和施工過程能讓混凝土強度大于收縮應力，混凝土的開裂就不會發生了。據此我們可以建立混凝土裂縫主要相關方抗拉強度f、收縮應力σ和時間t三者的模型，抓住混凝土開裂的主要原因從而更容易地找到解決問題的辦法。下面列舉幾個混凝土開裂的實例以便更好地找到解決混凝土開裂的辦法。

3 混凝土裂縫模型在實踐中的運用

3.1 運用混凝土裂縫模型解決現澆樓板混凝土開裂問題

某高層住宅樓現澆樓板C35泵送混凝土夏季8月份施工時，單方配合比見表1（單位為kg/m3）。

C35泵送混凝土配合比 表1

施工出現較多不規則開裂，開裂在混凝土澆筑后1個小時后發生并不斷發展，初凝前機械拉毛收光后表面可見裂縫消失，幾十分鐘后裂縫又大量出現，終凝后裂縫穩定。混凝土在泵送振搗密實后，作業面為高空樓面，高溫大風使混凝土表面迅速失水，首先大孔和游離水蒸發，混凝土體積還沒有大幅度收縮，這時由于該配方用水量過小，大孔水和游離水很快蒸發完，隨后是毛細孔水分蒸發，從粗孔到細孔再到毛細的孔，雖然脫水量依次減小但收縮量卻依次增大。這是由于毛細孔的張力引起，孔徑愈細，水面曲率半徑愈大，牽拉效應致收縮量依次增大，混凝土在1個小時左右大量失水顯著收縮產生裂縫。該配方調整方向應以減小收縮應力為主要方向，所以根據Fullerton曲線優化膠凝材料的比例，充分發揮膠凝材料的微集料效應，緩解水泥粉磨過細收縮太大的缺點，同樣方法優化集料的級配，摻入20%左右（5-16）mm連續級配的碎石，并在保證灰水比不變前提下，增加用水量減小外加劑用量，用以保證大孔水和游離水不能太早蒸發，并及時覆蓋薄膜阻止水分繼續揮發，通過以上調整后施工未出現開裂，施工質量得到了有效保證。

3.2 運用混凝土裂縫模型解決道路混凝土開裂問題

某廠區道路多次施工均未出現混凝土開裂問題，之后原材料、配方及施工工藝均沒有調整或沒有顯著改變的情況下忽然出現大量開裂，其施工配合比如表2（單位為kg/m3）。

某廠區道路混凝土施工配合比 表2

經調查發現混凝土初凝之前沒有發現明顯異常，初凝后發生開裂，終凝時開裂最顯著。分析認為是在混凝土初凝后這個時間點混凝土收縮應力σ小于混凝土抗拉強度f，因為原材料及配方均沒有顯著變化，繼續調查發現當時天氣忽然大幅度降溫轉冷，天氣降溫，廠區內風力不大，混凝土未大量失水收縮，所以考慮是混凝土本身抗拉強度f顯著減小的緣故，判斷是急劇降溫達到15℃，外加劑還是夏季緩凝型，配合比還是用高摻多摻礦物摻合料的配方，混凝土凝結前后強度發展極為緩慢。根據以上分析結果將之后的生產配合比調整為使用52.5P·II硅酸鹽水泥、減少礦粉和粉煤灰用量、外加劑換成非緩凝型早強減水劑的配方。配方調整后核算成本基本沒變化，將調整后配方用于之后生產，混凝土開裂問題得到了解決。

3.3 運用混凝土裂縫模型解決條形基礎混凝土開裂問題

某次條形基礎冬季施工，發現混凝土終凝前后，大量裂縫呈筋向分布，四周凹陷，混凝土表面結塊失去流動性，下面有較多泌水，脫模后有泌水留下的痕跡，頂部顯著。施工的配方如表3（單位為kg/m3）。

條形基礎冬季施工混凝土配合比 表3

分析認為該裂縫為塑性收縮裂縫和沉降裂縫，混凝土用水量較高，《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）對二級粉煤灰質量要求放得比較寬，二級灰吸水量大，收縮較高，減膠劑雖然能增加強度，但是不是通過減水來實現，對減小混凝土收縮無顯著影響，混凝土初凝至終凝前后收縮太大，這時候混凝土沒有足夠強度抵御收縮，混凝土在橫向和縱向都顯著收縮導致產生了裂縫。找到原因后針對性地對配合比進行了調整，水泥用量不變，去掉了粉煤灰和減膠劑，增加了30kg/m3礦粉，增加了減水劑用量，這時混凝土單方水量為162kg/m3，水膠比從0.50調整到0.49。經過再次施工沒有繼續發現裂縫，混凝土強度也完全滿足設計要求。

4 結論

文章參考并總結了王鐵夢和韓素芳等學者關于混凝土收縮的理論，研讀了大量混凝土工作者的論文和專著，將理論和實踐相結合，得到以下結論：

①混凝土裂縫成因復雜，一般都是由多方面因素綜合造成的，混凝土裂縫種類也很多，其中混凝土塑性收縮裂縫出現的概率最高；

②混凝土終凝前產生收縮主要體現在水化收縮、失水收縮及沉降變形收縮幾個方面；

③混凝土粘結強度、抗拉強度及收縮應力都隨時間不斷變化，混凝土塑性收縮裂縫產生的原因是在某個時間里收縮產生的破壞應力大于混凝土自身的強度；

④建立混凝土強度、收縮應力和時間的三維模型，便可以在時間軸上分析混凝土內不同應力變化；

⑤在實踐中根據混凝土收縮模型逐步分析，可以方便廣大混凝土工作者找到混凝土產生塑性收縮裂縫的主要原因，從而解決混凝土的塑性收縮裂縫問題，生產出在抗裂方面具有“免疫力”的混凝土。