混凝土工程收縮裂縫特點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

趙順增，劉立，賈福杰，黃鵬飛，朱鹥佳

(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院，北京 100024)

混凝土工程收縮裂縫特點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

趙順增，劉立，賈福杰，黃鵬飛，朱鹥佳

(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院，北京 100024)

本文簡(jiǎn)要分析了混凝土工程收縮開裂的特點(diǎn)，指出冷縮、流態(tài)化和較高的早期強(qiáng)度是導(dǎo)致現(xiàn)代混凝土早期開裂的主要原因，從材料角度看，解決混凝土收縮開裂的科學(xué)途徑是選擇合適的收縮開裂試驗(yàn)方法，優(yōu)選混凝土配合比。

混凝土；收縮；裂縫

與過去的水泥、砂、石、水四組分混凝土相比，現(xiàn)代混凝土的特點(diǎn)是，廣泛使用各種外加劑和活性摻合料，水膠比顯著降低，混凝土的流動(dòng)性大，強(qiáng)度高。如：水膠比0.25～0.37，抗壓強(qiáng)度65～119MPa的混凝土，自密實(shí)高性能混凝土，都已經(jīng)相繼在工程中應(yīng)用。與此同時(shí)，表征混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)——收縮裂縫卻日益突出，已經(jīng)成為影響耐久性的一個(gè)焦點(diǎn)。許多工程師經(jīng)常會(huì)問：在已經(jīng)過去的20年，混凝土研究與應(yīng)用技術(shù)在諸多方面取得了重大進(jìn)展，各種化學(xué)外加劑、超細(xì)的礦物摻合料的發(fā)展，把混凝土帶入高性能時(shí)代，但是感覺混凝土的裂縫問題不但沒有減少，怎么反而比以前更多、更突出了？雖然一些工程采取了諸如重視養(yǎng)護(hù)、摻膨脹劑等措施，但依然開裂，特別是地下室的外墻、樓層板，情況更嚴(yán)重。過去混凝土出現(xiàn)裂縫，一般都簡(jiǎn)單地歸罪為施工中振搗、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，但是隨著施工技術(shù)和對(duì)質(zhì)量重視程度的提高，如此大范圍、廣泛地出現(xiàn)裂縫，已不能再簡(jiǎn)單地用施工不當(dāng)來解釋，那么現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中混凝土為何出現(xiàn)如此嚴(yán)重的裂縫問題呢？下面是我們的一些淺顯看法。

1 由冷縮導(dǎo)致早期開裂趨勢(shì)增加

在不同使用場(chǎng)合提混凝土收縮，側(cè)重點(diǎn)不同，比如，對(duì)大壩等大體積混凝土而言，首先想到的是冷縮，其次才是干縮，而對(duì)于工業(yè)與民用建筑中的混凝土，除了厚度超過1m的底板考慮冷縮外，一般僅考慮干縮，不重視冷縮，這種習(xí)慣思維概念是在過去混凝土技術(shù)條件下形成的。當(dāng)時(shí)混凝土強(qiáng)度普遍在C20～30之間，水灰比一般為0.5左右，坍落度0～70mm，使用的水泥多為普通或礦渣42.5硅酸鹽水泥，干縮值一般為0.02～0.10%。由于熟料用量少，混凝土絕熱溫升小，與干縮相比，由水化熱溫升引起的冷縮所占比例很小，一般僅10～20℃，合當(dāng)量收縮0.01～0.02%，所以在體積不太大的墻體和梁板結(jié)構(gòu)中，一般不予考慮。

但是現(xiàn)在常用的混凝土，為滿足強(qiáng)度等級(jí)和泵送施工性要求，一般都采取增加水泥用量、使用高標(biāo)號(hào)水泥的措施，這勢(shì)必帶來混凝土水化熱增大的問題。另外，很多水泥生產(chǎn)企業(yè)為了在水泥中多摻加混合材，降低成本，大量使用早強(qiáng)助磨劑提高水泥熟料的粉磨細(xì)度，以滿足水泥標(biāo)準(zhǔn)早期強(qiáng)度的要求，這已經(jīng)是行業(yè)的潛規(guī)則。我們知道，水泥顆粒小、細(xì)度大會(huì)使水化熱升高、放熱速率會(huì)加快。表1是水泥熟料顆粒尺寸與水化熱的關(guān)系[1]。某些摻合料如硅灰、8000cm2/g以上的礦渣粉也具有較高的水化熱和水化放熱速率，而粉煤灰、粗礦渣粉則有降低水化熱和減緩水化放熱速率的作用。

水化熱使混凝土溫度升高，不僅引發(fā)早期溫差裂縫，而且會(huì)增加后期冷縮；可以認(rèn)為，絕大多數(shù)墻體在拆模前后（澆筑后3～5d）發(fā)生的裂縫，是由于冷縮造成的，因?yàn)樵谀０逯械幕炷敛痪邆浒l(fā)生較大干縮的條件。由于早期水化放熱大并且集中，促使混凝土內(nèi)部升溫速率提高，水化反應(yīng)速度加快，也會(huì)增大早期自收縮。圖1合圖2是典型的溫度裂縫。

表1 水泥熟料顆粒尺寸與水化熱的關(guān)系

圖1 溫度裂縫

圖2 溫度裂縫

2 由流動(dòng)度增加導(dǎo)致干縮值增大

普遍使用高流態(tài)低水膠比混凝土是造成干縮較以往增大的一個(gè)原因。因?yàn)槭褂脺p水劑會(huì)增加混凝土的干燥收縮值，特別是陰離子高效減水劑。不同坍落度的普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的自由收縮曲線如圖3和圖4所示，通過分析可知:

減水劑的摻量對(duì)普通混凝土的干燥收縮性質(zhì)影響不大，不同坍落度的高強(qiáng)混凝土的干縮趨勢(shì)在14d以前相差不大，在14d以后的長(zhǎng)齡期測(cè)試中，混凝土的干縮值隨著減水劑摻量的增加而增大，坍落度最大的一組的干燥收縮終值比坍落度最小的大20%左右。

在普通混凝土中，水灰比很大，水泥量較小，水分比較充足，只需要加入少量減水劑便可釋放出大量的水，滿足坍落度要求，即便對(duì)于高流態(tài)普通混凝土，試驗(yàn)中所加入的減水劑量并沒有達(dá)到最大摻量，同時(shí)，普通混凝土的骨料量較大，約束作用很強(qiáng)，因此，減水劑的摻入對(duì)普通混凝土的干縮性質(zhì)影響不大。而高強(qiáng)混凝土的情況則相反，水灰比很低，水泥量較大，骨料約束作用較小，為了達(dá)到大坍落度，減水劑的摻量非常大，幾乎是普通混凝土的2倍，因此，高強(qiáng)混凝土的干縮性質(zhì)隨減水劑摻量變化的改變更為明顯，但早期改變并不顯著的原因可能是高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度和彈性模量較高，抑制了早期的收縮。

圖5和圖6是比較典型的流態(tài)混凝土干縮裂縫。

圖5 流態(tài)混凝土的干縮裂縫

圖6 流態(tài)混凝土的干縮裂縫

3 早期強(qiáng)度高，脆性大，應(yīng)力松弛能力差

另一個(gè)不可忽視的原因是高強(qiáng)、高性能混凝土往往具有更高的早期強(qiáng)度和彈性模量，與有利的因素很難同時(shí)出現(xiàn)相反，不利的因素往往相伴而生，我們已經(jīng)知道水泥的水化熱高會(huì)導(dǎo)致混凝土冷縮增大，同樣，水化熱高也會(huì)促進(jìn)彈性模量的發(fā)展，而較大的彈性模量會(huì)使混凝土降溫時(shí)，在相同變形量下產(chǎn)生更大的收縮應(yīng)力，這就增大了混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)道理同樣也適用于干燥收縮。即高強(qiáng)混凝土一般早期就具有較大的彈性模量，這使得它的脆性比一般混凝土更大，應(yīng)力松弛能力也更差。彎曲徐變能夠比較好的反映混凝土對(duì)彎拉應(yīng)力的松弛能力。表2是兩種不同配合比的混凝土，圖7和圖8是在應(yīng)力比為0.8的條件下，混凝土的彎曲徐變隨加載時(shí)間的變化情況，圖9是C70混凝土在不同應(yīng)力比下彎曲徐變隨加載時(shí)間的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果說明，相同應(yīng)力比下，隨混凝土齡期的延長(zhǎng)，強(qiáng)度等級(jí)提高，彎曲徐變減小，同一種混凝土，隨著應(yīng)力比提高，彎曲徐變?cè)龃螅簿褪钦f，降低混凝土的早期強(qiáng)度等級(jí)可以顯著提高混凝土對(duì)拉應(yīng)力的松弛能力，減小混凝土收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4 低水膠比導(dǎo)致自收縮趨勢(shì)增加

表2 混凝土配合比

由于高性能混凝土的水膠比都比較低，因此在高性能混凝土中自收縮所占比例很大，圖10的研究結(jié)果表明[2]，水膠比越低，自收縮占總收縮的比例就越大。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，自收縮占總收縮的40%，而當(dāng)水膠比降至0.17時(shí)，自收縮所占比例高達(dá)100%。由于自收縮更多的是發(fā)生在混凝土水化早期，因此過低的水膠比會(huì)增加混凝土早期開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

5 應(yīng)對(duì)措施

影響混凝土工程開裂的因素很多，既有材料方面的，也有設(shè)計(jì)與施工方面的，從材料角度來說，預(yù)防混凝土裂縫的配合比設(shè)計(jì)，有以下幾個(gè)步驟：

（1）診斷程序

工程各式各樣，材料千差萬別，在實(shí)際工程中我們不可能按照一些文章中的理想研究結(jié)果對(duì)混凝土原材料進(jìn)行自由選擇，尤其是像水泥、砂、石和摻合料等大宗材料?；炷凉こ處熕軌蜃龅膬H是立足現(xiàn)有條件，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理的方案。僅從技術(shù)角度看，它可能不是最好的方案，但是它具有可操作性。預(yù)防混凝土裂縫，首先要準(zhǔn)確分析導(dǎo)致混凝土收縮開裂的各種因素，了解裂縫發(fā)生的規(guī)律和特點(diǎn)，才能夠根據(jù)現(xiàn)有原材料和工程特點(diǎn)，趨利避害，選擇合理的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_立性價(jià)比最優(yōu)，可操作性好的配合比方案。圖11是筆者根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的一個(gè)混凝土收縮——裂縫模型，在模型中給出了一些可以導(dǎo)致硬化混凝土收縮開裂的主要因素，通過綜合分析，提出混凝土產(chǎn)生裂縫的規(guī)律和特點(diǎn)，并給出一些技術(shù)措施和選材標(biāo)準(zhǔn)，見表3。正如很多文章寫的預(yù)防和減少裂縫技術(shù)措施一樣，這些選材標(biāo)準(zhǔn)只是一些方向性的東西，這就像醫(yī)生告訴一個(gè)人要保持身體健康，必須營(yíng)養(yǎng)配餐、多運(yùn)動(dòng)一樣，就單一個(gè)體而言，并沒有回答如何配餐、進(jìn)餐量、運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)量等人們最關(guān)心的問題。

（2）選擇檢驗(yàn)方法

現(xiàn)在也有一些檢驗(yàn)混凝土收縮開裂趨勢(shì)的方法，如平板法[3]、圓環(huán)法[4]和內(nèi)約束棱柱體法[5]，每種方法都各有特點(diǎn)，只有根據(jù)工程情況選用合適的檢驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能指導(dǎo)我們?cè)诨炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)混凝土收縮開裂趨勢(shì)進(jìn)行建模分析，更理性地趨近于我們預(yù)期的結(jié)果，各種檢驗(yàn)方法和特點(diǎn)以及代表的混凝土工程情況見表4。高強(qiáng)度等級(jí)和大體積混凝土還要輔以測(cè)溫檢驗(yàn)，觀察升溫速率和水化熱導(dǎo)致的溫升。

（3）試配程序

試配是在選擇好檢驗(yàn)方法后，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇抗裂性能相對(duì)最優(yōu)的配合比進(jìn)行施工。下面是一個(gè)采用內(nèi)約束棱柱體法進(jìn)行的混凝土收縮應(yīng)力試驗(yàn)情況，配合比見表5，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，其中配合比A不摻礦物摻合料，配合比B內(nèi)摻20%粉煤灰，配合比C既摻粉煤灰又摻磨細(xì)礦渣粉，而且還摻了高性能膨脹劑。試件脫模后立即置于溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度大于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)濕養(yǎng)護(hù)，到C＞B＞A。

（4）干燥收縮開裂趨勢(shì)評(píng)估

采用收縮應(yīng)力試驗(yàn)方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理論上能夠通過公式（1）對(duì)試驗(yàn)混凝土進(jìn)行干縮開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并用開裂趨勢(shì)來評(píng)價(jià)混凝土的收縮開裂趨勢(shì)。

表3 混凝土產(chǎn)生裂縫的規(guī)律和特點(diǎn)

表4 部分混凝土裂縫檢驗(yàn)方法

表5 混凝土配合比和28d抗壓強(qiáng)度

式中C——干燥收縮開裂性能指標(biāo)，0≤C≤100%；

S——干燥收縮應(yīng)力（MPa）；

fts——劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）。

式（1）中C越大，收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)也越大。

雖然混凝土收縮開裂的隨機(jī)性很大，但也并非無規(guī)律可循。長(zhǎng)期以來人們一直希望對(duì)裂縫做一些計(jì)算性的預(yù)測(cè)或用公式表達(dá)裂縫的寬度和發(fā)生裂縫的時(shí)間，但是，隨著混凝土材料組齡期3d時(shí)移入溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%的干空室。圖12是混凝土收縮應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，齡期28d時(shí)A和B中產(chǎn)生了收縮拉應(yīng)力，且A＞B，說明摻粉煤灰和降低水膠比能夠減小混凝土的收縮應(yīng)力，C儲(chǔ)存有高達(dá)0.7MPa的膨脹壓應(yīng)力，這表明高性能膨脹劑具有良好的抗裂效果。

通過上述試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：在本文所給的材料體系內(nèi)，試驗(yàn)的三個(gè)混凝土配合比抵御干燥收縮開裂的能力依次為：成向復(fù)雜化、多元化方向發(fā)展，給這些預(yù)測(cè)帶來更多的不確定因素，也增大了預(yù)測(cè)難度和準(zhǔn)確性。冷縮、流態(tài)化和較高的早期強(qiáng)度是導(dǎo)致現(xiàn)代混凝土早期開裂的主要原因，從材料角度看，解決混凝土收縮開裂的科學(xué)途徑是優(yōu)化混凝土配合比?，F(xiàn)階段混凝土科學(xué)還是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，對(duì)其中的一些問題，必須用實(shí)驗(yàn)的手段來解決，直觀測(cè)試混凝土收縮值或通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，測(cè)試、評(píng)價(jià)混凝土開裂趨勢(shì)，是行之有效的措施。

[1]施娟英. 熟料顆粒大小對(duì)水泥性能的影響[C].水泥與混凝土研究論文選.P2000. 建筑材料科學(xué)研究院. 1984.

[2]吳中偉,廉慧珍著.高性能混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社.1999.

[3]Parviz Soroushian, Siavosh Ravanbakhsh. Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers[J.] ACI Materials Journal, 1998; 4 (7-8):429-435.

[4]Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete[J].ACI International. American Concrete Institute Monograph NO.11,1998:1-5.

[5]趙順增，劉立，姚燕，黃鵬飛.一種測(cè)量?jī)?nèi)約束混凝土收縮應(yīng)力的新方法[J].建筑材料學(xué)報(bào).2004，（4）.

趙順增（1964-），男，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)膨脹混凝土分會(huì)理事長(zhǎng)，中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)水泥制品分會(huì)膨脹與自應(yīng)力混凝土專業(yè)委員會(huì)主任委員。

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