混凝土早期裂縫問題研究

曾淼清

混凝土早期裂縫問題研究

曾淼清

混凝土早期抗裂性能是耐久性能評價的一個重要指標(biāo)。眾所周知，混凝土的早期開裂對其整體性能、力學(xué)性能和耐久性能會產(chǎn)生一定的影響，早期裂縫的研究也就成為當(dāng)前混凝土材料界和工程界的熱點問題。本文，筆者結(jié)合多年的工作實踐經(jīng)驗，對混凝土的早期裂縫的成因進行了分析，提出了切實可行的預(yù)防措施來減少早期裂縫的發(fā)生，有效地保證了建筑工程的質(zhì)量。

一、早期裂縫產(chǎn)生的原因

按照作用和效應(yīng)的關(guān)系法則，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)早期受到的直接作用主要是施工荷載。以往的施工技術(shù)規(guī)范和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已經(jīng)有明確的規(guī)定，即直接作用可以采用成熟的結(jié)構(gòu)分析方法計算。因此，本文，筆者著重討論早期裂縫生成效應(yīng)相關(guān)的間接作用。它可以歸納為溫度作用、濕度作用、收縮變形作用等。另外，混凝土應(yīng)力松弛和徐變對早期裂縫也有一定的影響。

1. 溫度作用?，F(xiàn)澆混凝土構(gòu)件置于現(xiàn)場環(huán)境中，除混凝土水化發(fā)展的水化熱外，還要受到環(huán)境溫度變化的影響。環(huán)境溫度來源于太陽輻射或施工后的加熱養(yǎng)護等。此外，混凝土材料的熱工特性參數(shù)也非常重要。它會隨混凝土的不同而變化，從而導(dǎo)致相同環(huán)境條件所得溫度發(fā)展結(jié)果也不盡相同。

（1）水化熱。水泥在水化過程中會產(chǎn)生水化熱，如果一次澆筑混凝土的體積量很大，產(chǎn)生的大量水化熱散不出去，表面和內(nèi)部升溫、降溫速度不同，會產(chǎn)生表面裂縫，甚至貫穿裂縫。其中，尤其以壩體的大體積混凝土溫度裂縫問題最為突出。

（2）環(huán)境溫度、濕度。現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)與其他混凝土結(jié)構(gòu)形式不同的是，混凝土在其成型階段往往會受到季節(jié)變化、晝夜溫度、濕度變化等的影響。例如，某地區(qū)晝夜溫差可達15℃左右， 而春秋季的濕度比夏天雨季低得多。這樣的變化會導(dǎo)致現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)材料強度發(fā)展的不均衡性。

（3）混凝土材料的熱工特征。結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般只涉及成熟混凝土的熱膨脹系數(shù)（TDC）。一般認為，熱膨脹系數(shù)取決于混凝土孔隙結(jié)構(gòu)中的濕度狀態(tài)。孔隙結(jié)構(gòu)干燥和濕飽和的混凝土的熱膨脹系數(shù)較低，孔隙結(jié)構(gòu)部分飽和的混凝土的熱膨脹系數(shù)較高。另外，熱膨脹系數(shù)還取決于混凝土骨料的選用，例如石灰石骨料的熱膨脹系數(shù)只有1.0×10－6/℃。

2. 收縮變形作用。一般情況下，混凝土的收縮變形主要有塑性收縮、自干燥收縮（自身收縮）、干燥收縮、溫度收縮和碳化收縮等5種收縮形式。

（1）塑性收縮?；炷恋乃苄允湛s多發(fā)生在塑性階段，由水泥水化反應(yīng)決定，因此也被稱為化學(xué)收縮。雖然體積變化量很大，但內(nèi)部混凝土尚未硬化。一般認為，在施工作業(yè)振搗充分時不會影響后期質(zhì)量。

（2）自干燥收縮。自干燥收縮常發(fā)生在水泥硬化過程（早前期階段）中，源于混凝土內(nèi)部尚未完全水化的水泥顆粒繼續(xù)反應(yīng)消耗自由水，不與環(huán)境介質(zhì)接觸，因此被稱為自身收縮。高強度混凝土因水灰比較低，后續(xù)水化產(chǎn)生的自收縮量值較高，這也是高強度混凝土早期裂縫出現(xiàn)較多的原因之一。

（3）干燥收縮。由于水分的散失而導(dǎo)致的干燥收縮在早期最為常見，也是造成收縮裂縫的主要原因。水分散失既包括大氣蒸發(fā)，也包括地基土壤的吸收。

（4）溫度收縮。溫度收縮主要是在混凝土初凝之后，水泥水化熱的釋出量逐漸減少，導(dǎo)致稍后階段與外界發(fā)生熱交換后混凝土的溫度降低而產(chǎn)生的。此外，隨外界溫度變化的張縮也是產(chǎn)生溫度收縮的主要因素之一。

（5）碳化收縮。碳化收縮主要是指表層混凝土由于同空氣中的CO2發(fā)生作用而引起的收縮。一般發(fā)生于年代較長、暴露于潮濕環(huán)境中的混凝土。

大量的工程實踐表明，混凝土早期裂縫的生成，一般不是直接作用（結(jié)構(gòu)荷載和施工荷載） 的結(jié)果，大部分可歸結(jié)為溫度變形和收縮變形等間接作用的效應(yīng)。

3. 應(yīng)力松弛和徐變變形效應(yīng)。固體材料在固定荷載的長期作用下將產(chǎn)生緩慢的變形，力學(xué)術(shù)語為蠕變，混凝土學(xué)科中習(xí)慣地稱之為徐變。固體材料在固定變形約束下，其內(nèi)部的應(yīng)力隨時間逐漸變化的現(xiàn)象定義為應(yīng)力的松弛。徐變對混凝土收縮開裂影響的機理關(guān)系如圖1所示。

圖1 收縮和徐變對混凝土開裂的影響

從圖1可知，當(dāng)混凝土構(gòu)件受到限制，收縮應(yīng)變誘發(fā)彈性拉伸應(yīng)力，（圖1 曲線a）， 徐變效應(yīng)使這個拉伸應(yīng)力隨時間逐漸減小，從而引起應(yīng)力松弛（圖1 曲線b）。為此，在混凝土中存在受限制條件時徐變應(yīng)變所松弛的應(yīng)力與收縮應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力之間的相互關(guān)系，是大多數(shù)結(jié)構(gòu)中變形與開裂的核心所在。因此，必須考慮混凝土在受約束限制條件下如何承擔(dān)持續(xù)應(yīng)力的問題。

需要指出的是徐變是材料在直接或間接作用下的效應(yīng)，在一定條件下它還可以舒緩結(jié)構(gòu)構(gòu)件中生成的拉應(yīng)力。這在某種程度上延緩了混凝土的早期裂縫。由此可見，了解混凝土的彈性（或彈塑性）、干燥收縮、熱收縮和徐變性質(zhì)，以及影響這些性質(zhì)的諸因素，對于正確分析混凝土早期裂縫產(chǎn)生的機理是十分重要的。

二、早期裂縫的控制措施

1. 裂縫控制的設(shè)計措施。

（1）增配構(gòu)造筋提高抗裂性能。薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚200～ 600 mm）如墻、板、梁等，通過增配構(gòu)造鋼筋，使構(gòu)造筋起到溫度筋的作用，從而有效提高抗裂性能。配筋應(yīng)盡可能采用小直徑、小間距，直徑8～14 mm、間距100～150 mm是比較合理的。全截面的配筋率不小于0.3%，應(yīng)在0.3%～0.5%。受力筋能滿足變形構(gòu)造要求的，不再增加溫度筋；構(gòu)造筋不能起到抗約束作用的，應(yīng)增配溫度筋。一些國家的電工程中，設(shè)計受力筋的配置大大超過實際需要，而構(gòu)造筋卻非常薄弱，值得注意。但在我國的設(shè)計中也存在忽略構(gòu)造筋作用的現(xiàn)象。

（2）設(shè)滑動層和壓縮層。即在墊層上表面和底板下表面貼一氈一油作為滑動層。

（3）避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變）產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)不能避免斷面突變時，應(yīng)作局部處理， 改為逐漸變化的過渡形式，同時加配鋼筋。

（4）控制應(yīng)力集中裂縫。 工業(yè)與民用建筑的各種底板、立墻、頂板以及地下箱形基礎(chǔ)和其他特殊構(gòu)筑物都可能遇到各種形狀的孔洞，還有一些結(jié)構(gòu)在長度方向遇到斷面突變的情況。 在孔洞和變斷面的轉(zhuǎn)角部位，由于溫度收縮作用，也會引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

（5）設(shè)置“暗梁”?？梢栽黾右琢训谋∪醪课缓撀?，提高混凝土的權(quán)限拉伸，增強結(jié)構(gòu)的抗裂性。

（6）從構(gòu)造上提高混凝土的極限拉伸及抗拉強度。

（7）“后澆縫”與“跳倉打”的作用相同，可控制施工期間的較大溫差與收縮應(yīng)力。

（8）以預(yù)防為主。在設(shè)計階段，就應(yīng)考慮出現(xiàn)裂縫的可能性以及經(jīng)濟可靠的修復(fù)方法。

（9）從未來的發(fā)展方向看，無論是靜動荷載作用還是變形作用，提高混凝土材料的韌性將是十分有意義的。

2. 裂縫控制的施工措施。

（1）嚴格控制混凝土原材料質(zhì)量，特別是在泵送混凝土工藝中，一定要采取精料方針。 粗細骨料的含泥量應(yīng)盡量減少（1%～1.5%），一些重要工程的原料必須預(yù)先多一些選擇。

（2）混凝土集料的配比應(yīng)作細致分析，強度等級和水化熱及收縮有矛盾，應(yīng)根據(jù)工程所處條件，如防水、防滲、防氣、防射線等進行最優(yōu)方案的選擇。設(shè)備基礎(chǔ)的強度等級一般為C20～C25，重要特殊構(gòu)筑物為C30?；炷恋乃冶群苤匾瑧?yīng)在滿足強度要求及泵送工藝要求的條件下盡可能降低，為此摻入減水劑是必要的。

（3）根據(jù)工程特點，可以利用后期強度，如60 d、90 d、120 d強度，即允許工程在60 d、90 d或120 d達到設(shè)計強度。這樣可以減少水泥用量，減少水化熱和收縮。

（4）混凝土的澆灌振搗技術(shù)對混凝土密實度是很重要的，最宜振搗時間5～15 s。另外泵送流態(tài)混凝土也需要振搗。

（5）相對大塊式、厚壁的混凝土工程，產(chǎn)生裂縫的主要因素是水化熱降溫引起的拉應(yīng)力， 所以必須盡可能減少入模溫度，薄層連續(xù)澆筑，隨后采取保溫養(yǎng)護，以減少內(nèi)外溫差。重要的是一定要緩慢降溫，越慢越好，為混凝土創(chuàng)造充分應(yīng)力松弛的條件。與此同時還要使混凝土保持良好的潮濕狀態(tài)，這對增加強度和減少收縮是十分有利的。

（6）對于薄壁結(jié)構(gòu)，裂縫產(chǎn)生的主要因素是收縮，所以應(yīng)分層散熱澆灌，其后保濕養(yǎng)護很重要，而無須專門保溫。預(yù)防激烈的溫度變化與濕度變化對控制裂縫是十分有利的。薄壁結(jié)構(gòu)中要設(shè)法保證混凝土澆灌振搗的密實性。

（7）混凝土拆模時間可根據(jù)工程具體條件（如工序要求、施工荷載狀況）確定，應(yīng)盡可能多養(yǎng)護一段時間。拆模后，混凝土表面的溫度不應(yīng)下降15℃以上。拆模時，混凝土的現(xiàn)場試塊強度等級不宜低于C5。

（8）混凝土的施工縫可留出接頭，設(shè)止水帶。一般工程采用施工縫，只要鑿毛清理干凈， 是可以滿足設(shè)計要求的。確保施工質(zhì)量，止水帶的施工質(zhì)量很重要，止水效果就能達到優(yōu)良的。

（9）關(guān)于施工季節(jié)的選擇，一般難以準確確定。較冷、較暖的季節(jié)比炎熱季節(jié)好。但季節(jié)不是唯一的條件。如果組織得好，措施可靠，即使在最高氣溫35 ℃時，也可保證工程質(zhì)量。

（10）對于地下工程，拆模后及時回填土是控制早期、中期開裂的有效手段。土是混凝土最佳的養(yǎng)護介質(zhì)。實踐證明，遲遲不回填的暴露工程發(fā)生裂縫是最多的。

（11）為了減少地基與基礎(chǔ)間的摩阻力，可在兩者之間設(shè)一層瀝青油氈，或涂抹兩道海藻酸鈉隔離劑，將地基水平阻力系數(shù)減少至（0.1～0.3）×10–2N/mm3。

三、結(jié)論

早期裂縫產(chǎn)生的形式和種類很多，正確分析和判斷混凝土早期裂縫的成因和發(fā)展趨勢決定了應(yīng)對此類裂縫的基本思路。為了研究在混凝土施工過程中出現(xiàn)的早期裂縫對建筑的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生的不良影響因素，本文，筆者把復(fù)雜的微觀機理與宏觀工程實踐相聯(lián)系，對現(xiàn)澆混凝土早期裂縫產(chǎn)生的原因進行了分析，并總結(jié)了現(xiàn)澆混凝土早期裂縫的控制方法，以期能夠?qū)ㄖこ藤|(zhì)量的提高提供一定的借鑒。