混凝土長(zhǎng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)收縮裂縫探討

李 輝 吳錦輝 王茂泉

（東莞市力恒混凝土有限公司）

混凝土是使用最廣泛的建筑材料，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的開(kāi)展，混凝土的應(yīng)用量與日俱增，伴隨著施工技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步，混凝土從最開(kāi)始的普通混凝土向泵送混凝土、大流動(dòng)性混凝土、自密實(shí)混凝土、高性能混凝土、超高層泵送混凝土、清水混凝土發(fā)展，同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)也逐漸呈現(xiàn)出超長(zhǎng)、超高、超大、超深的趨勢(shì)，這些使得混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫越來(lái)越普遍，除了個(gè)別的特殊重大工程，已經(jīng)很難避免裂縫的產(chǎn)生，成為了一種質(zhì)量通病。兩種最常見(jiàn)的裂縫一是板面由于早期失水造成的收縮裂縫，另外一種則是長(zhǎng)側(cè)墻的規(guī)則性豎向裂縫，對(duì)于板面失水形成的裂縫，可以通過(guò)提早養(yǎng)護(hù)時(shí)間和薄膜覆蓋等方式進(jìn)行避免，對(duì)于長(zhǎng)側(cè)墻的規(guī)則性裂縫，一般的技術(shù)手段則比較難完全避免，但也可以做到盡量減少裂縫的產(chǎn)生，本文就這方面進(jìn)行初步探討。

1 裂縫表征和成因

長(zhǎng)側(cè)墻裂縫呈現(xiàn)的規(guī)律性比較強(qiáng)，距離兩端一定位置時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，大約每隔20～30cm出現(xiàn)一條幾乎與側(cè)墻垂直的豎向裂縫，對(duì)于有底板和頂板約束的長(zhǎng)側(cè)墻，裂縫中間寬兩頭窄；出現(xiàn)裂縫的時(shí)間大約為拆模后3～5天，一個(gè)星期左右基本穩(wěn)定，不再產(chǎn)生新的裂縫，原有的裂縫也不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。

我們知道，混凝土的抗拉遠(yuǎn)低于混凝土的抗壓強(qiáng)度，一般只有抗壓強(qiáng)度的1/15～1/12，而對(duì)于長(zhǎng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)，其開(kāi)裂主要是由于濕度變化造成干燥收縮和自收縮，產(chǎn)生收縮變形，同時(shí)疊加溫度變化造成溫度變形，兩種主要變形在受到底板和頂板混凝土的約束時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)裂縫。

因此，控制開(kāi)裂主要手段：控制形變、減小約束、提高混凝土抗拉強(qiáng)度。

圖1 收縮與約束示意圖

控制形變：首先在自身收縮變形方面，控制混凝土的收縮性能；其次，在溫度變形方面，控制混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差、溫升溫降速率是關(guān)鍵，墻體發(fā)生裂縫的時(shí)間主要在降溫階段，受老混凝土（基礎(chǔ)底板）的約束較大，散熱差，急劇的溫升溫降，特別對(duì)于地下室剪力墻內(nèi)面和外面溫差太大，內(nèi)面幾乎是一個(gè)封閉的空間散熱差，外面則直接接觸自然溫度，變化很大。

減小約束：在施工和設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性的進(jìn)行布筋改善，底板澆筑完成后及早進(jìn)行側(cè)墻澆筑，使底板和側(cè)墻盡可能收縮同步。

提高混凝土抗拉強(qiáng)度：合理選用原材料和配合比設(shè)計(jì)，使用功能材料等提高抗拉強(qiáng)度。

取開(kāi)裂控制系數(shù)1.4，即抗拉強(qiáng)度/拉應(yīng)力≥1.4時(shí)，認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)裂縫（國(guó)標(biāo)大體積混凝土中取值為1.15），1.4≥抗拉強(qiáng)度/拉應(yīng)力≥1時(shí)，存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，1≥抗拉強(qiáng)度/拉應(yīng)力時(shí)，一定開(kāi)裂。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

使用低水化熱水泥：選用低水化熱和低含堿量水泥，避免使用早強(qiáng)水泥和高C3A含量的水泥，摻加粉煤灰等礦物摻和料，降低水泥用量。水泥比表面積宜≤350m2/㎏、C3A≤8%、堿含量≤0.06%，盡可能選用標(biāo)稠小、不帶R、三天強(qiáng)度不高、二十八天強(qiáng)度正常的水泥；

提高混凝土勻質(zhì)性：使用性能優(yōu)良的聚羧酸減水劑，降低單位用水量，降低膠凝材料用量，提高混凝土的和易性，使骨料分布均勻，保水效果好，不容易離析泌水；

降低混凝土收縮：選用粒型級(jí)配良好、空隙率小的粗細(xì)骨料，加大粗骨料用量，減少細(xì)骨料用量，降低混凝土漿體體積；選用熱力學(xué)良好的骨料，減少溫度變形；控制合適的坍落度，盡量≤180mm；摻加補(bǔ)償有效果的收縮材料，補(bǔ)償收縮；

提高混凝土抗裂性能：適當(dāng)采用纖維等功能材料，選擇單摻或復(fù)摻，提高混凝土的抗裂性能。

3 配合比用混凝土原材料

⑴水泥：封開(kāi)華潤(rùn)P.II42.5R，其性能技術(shù)指標(biāo)如表1、表2、表3。

表1 水泥物理性能

表2 水泥化學(xué)組成

表3 水泥礦物組成

⑵粉煤灰：沙角電廠II級(jí)粉煤灰，其技術(shù)指標(biāo)如表4。

表4 粉煤灰性能指標(biāo)(%)

⑶外加劑：江蘇蘇博特高性能外加劑，其技術(shù)指標(biāo)如表5。

表5 礦粉性能指標(biāo)

⑷砂：深圳砂場(chǎng)的水洗砂，其技術(shù)指標(biāo)如表6。

表6 砂性能指標(biāo)

⑸碎石：廣東肇慶天宇石場(chǎng)，其技術(shù)指標(biāo)如表7。

表7 碎石性能指標(biāo)

⑹礦粉：廣西柳州鋼鐵廠S95級(jí)礦渣粉，其技術(shù)指標(biāo)如表8。

表8 礦粉物理性能指標(biāo)

4 配合比試驗(yàn)

⑴試驗(yàn)方法：按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》GB/T50082中接觸法測(cè)量在無(wú)約束和規(guī)定的溫濕度條件下混凝土試件的收縮變形性能。使用尺寸為100mm×100mm×515mm的棱柱體試模成型試件，每組成型3個(gè)試件，試件兩端預(yù)埋不銹鋼測(cè)頭（20mm×35mm），24h后拆模，馬上置于（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）℃的恒溫恒濕環(huán)境中，使用HSP-540型臥式收縮儀，數(shù)顯千分表讀數(shù)，立即測(cè)量試件的長(zhǎng)度，作為試件的初始長(zhǎng)度值，然后分別測(cè)量2～21d齡期的收縮變形值（按加水時(shí)間計(jì)）?；炷恋氖湛s率按照式⑴計(jì)算：

式中：

εst——試驗(yàn)期t(d)的混凝土收縮率，t從混凝土加水時(shí)算起；

L0——試件的初始讀數(shù)；

Lt——試件在試驗(yàn)期t(d)時(shí)測(cè)得的長(zhǎng)度讀數(shù)；

表9 混凝土配合比

Lb——試件的測(cè)量標(biāo)距，即有效長(zhǎng)度，用混凝土收縮儀測(cè)量時(shí)應(yīng)等于兩側(cè)測(cè)頭內(nèi)側(cè)的距離。

取3個(gè)試件的算數(shù)平均值，計(jì)算精確至1.0×10-6。

圖2 攪拌站混凝土收縮試驗(yàn)

⑵拌合物性能（見(jiàn)表10）。

表10 拌合物性能

優(yōu)異的和易性，良好的勻質(zhì)性是提高混凝土抗拉強(qiáng)度的有力保證。

⑶硬化混凝土性能。

3天的平均抗折強(qiáng)度為3.2MPa，抗折強(qiáng)度最高的為A2（3.5MPa）和A3（3.5MPa）；7天的平均抗折強(qiáng)度為4.3MPa，抗折強(qiáng)度最高的為A2（5.1MPa）；28天平均抗折強(qiáng)度為5.1MPa，A2最高為5.5MPa，A1最低為4.6MPa。在水膠比為0.4時(shí)，抗折強(qiáng)度均可以到達(dá)4.5MPa以上。

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度

3天的平均抗壓強(qiáng)度為16.3MPa，抗壓強(qiáng)度最高的為A4（17.1MPa），其次為A2（16.7MPa）和A3（16.6MPa）；7天的平均抗壓強(qiáng)度為24.9MPa，抗壓強(qiáng)度最高的為A2；28天平均抗壓強(qiáng)度為38.0MPa，A2最高為39.9MPa，A4最低為35.0MPa。在水膠比為0.4時(shí)，抗壓強(qiáng)度均可以到達(dá)35.0MPa以上。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度

在0.4水膠比時(shí)，3天的平均折壓比為20%，7天平均折壓比為17%，28天平均折壓比為13%，28天的折壓比低于早期的折壓比。

圖5 折壓比關(guān)系

0.4水膠比情況下，礦粉摻量在0%～21%范圍內(nèi)，隨著礦粉摻量的增加，56d抗壓強(qiáng)度增加；粉煤灰摻量在44%～55%范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，56d抗壓強(qiáng)度降低；粉煤灰加礦粉雙摻在55%～65%范圍內(nèi)，隨著水泥用量的減少，強(qiáng)度增加。由此可以看出，在上述參量范圍內(nèi)，28d～56d抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)受礦粉的影響大，且礦粉的影響量超過(guò)了粉煤灰的影響量，與水泥用量關(guān)系不大，主要受礦物摻和料中礦粉的影響。

首選A2、A3配合比，其次選用A1配合比。

⑷中心溫度變化。

圖6 礦物摻和料與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

使用瑞士Proceq公司的Hygropin（溫濕度測(cè)試儀）對(duì)成型25L桶裝混凝土樣品進(jìn)行中心溫度測(cè)試，在試塊接近初凝時(shí)，將測(cè)試空心桿插入試件的正中心，每隔一個(gè)小時(shí)將探頭放入空心桿中間，穩(wěn)定1min，然后直接讀取試件中間的溫度。

從圖7可以看出，在最初的20小時(shí)左右，溫升達(dá)到峰值，30小時(shí)左右下降，50～60小時(shí)又稍微有溫升，從70小時(shí)候開(kāi)始下降?？傮w來(lái)說(shuō)A4的絕對(duì)溫升最高，A2最低。

圖7 25 L中心溫濕度

A4的水泥用量最多，溫升最高，其次為A3和A2，A2和A3比較接近，A1的水泥用量最少，10小時(shí)左右的溫升最低。由此也可以看出溫升主要受水泥用量多少的影響，水泥用量越少，溫升越低。注意觀察到雖然A1、A2、A3水泥用量有差別（A1：130，A2：150，A3：160），但是溫升總體相差不大，而A4只比A3多用10kg水泥，溫升卻比較明顯，可以理解為在水泥用量達(dá)到一個(gè)閾值后對(duì)溫升影響的敏感性增強(qiáng)。

選用A1、A2、A3配合比合適。

⑸收縮性能。

從圖8可以看出發(fā)生收縮最大的時(shí)候是第二天到第三天時(shí)間，特別是A1的幅度達(dá)到了0.016；A2、A3兩條曲線重合率較高，其收縮值均較接近；A1的收縮率均大于A2、A3、A4，3天之后A1比A4平均高0.006，A1比A2、A3平均高0.008；A4在5天以前，收縮量最低，在第6天時(shí)，超過(guò)了A2和A3的收縮量，超過(guò)了約0.002。

圖8 收縮曲線圖

在0.4水膠比時(shí)，從配方可知，A1的水泥用量最少，礦粉用量最多，收縮值最大，可見(jiàn)礦粉用量較大時(shí)，在前21天內(nèi)，收縮量受礦粉的影響很大；而A2、A3的水泥和礦粉量相差不大，收縮相近且低于A1；A4的水泥用量最多，沒(méi)有加礦粉，摻和料全部為粉煤灰，極大的降低了早期的收縮，特別是在5天前，但是隨著粉煤灰的二次水化反應(yīng)的增加，以及較A2和A3水泥用量多，5天后的收縮逐漸超過(guò)A2和A3，但是比A1低，可見(jiàn)大摻量粉煤灰在前21天內(nèi)比大摻量礦粉的收縮量要低。

如果要從此四組配合比中選出較合適的配合比，可以從A2和A3中考慮，結(jié)合抗壓、抗折強(qiáng)度，選用A2配合比。

5 溫度應(yīng)力驗(yàn)算

按照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB50496-2018附錄B進(jìn)行溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力計(jì)算，按照防裂安全系數(shù)1.15，選用A2配合比進(jìn)行溫度應(yīng)力驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表11所示。

表11 A2配合比溫度應(yīng)力驗(yàn)算

各齡期混凝土ftk(t)/σ(t)均滿足≥1.15且全部滿足≥1.4，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知，由于降溫和收縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，A2配合比可行。

6 總結(jié)

造成剪力墻長(zhǎng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要原因是濕度和溫度的變化，形成變形，造成混凝土的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力疊加大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，目前按照攪拌站的技術(shù)力量和檢測(cè)手段，以及普通工程的投入不注意溫濕度的控制，很難完全避免該類裂縫的形成。為了盡可能減少該類型裂縫的出現(xiàn)，應(yīng)從以下幾方面著手：

⑴使用合格的原材料，控制骨料的含泥量，使水泥的C3A不超過(guò)8%，盡可能選用早期強(qiáng)度不高、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較好的水泥；

⑵配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土56天強(qiáng)度符合要求的前提下，盡可能地多加礦物摻和料，使用粉煤灰和礦粉雙摻；

⑶控制較小的坍落度和砂率，多用骨料；控制好混凝土的勻質(zhì)性，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度；

⑷延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，延緩水化溫升的時(shí)間；

⑸降低混凝土的入模溫度，避開(kāi)高溫期間施工，從而降低混凝土的總溫升，降低溫降速率；

⑹選用合格的功能材料，纖維等可以增加混凝土的抗拉強(qiáng)度，膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土的收縮性能，另外還可以選用減縮型外加劑；

⑺重要工程建立溫控、濕控措施，建立監(jiān)測(cè)流程，做到溫度、濕度可控，精準(zhǔn)把控，減少裂縫的產(chǎn)生。