基于材料性能的混凝土早期裂縫成因與控制措施

摘 要：在現(xiàn)代建筑工程中，混凝土是一種至關(guān)重要的建筑材料，其力學(xué)特性直接影響著建筑物的強度和使用壽命。然而，在施工過程中，混凝土的早期開裂問題已成為了一個難題。因此，本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和維修三個方面展開論述，深入探討混凝土早期開裂的問題。

關(guān)鍵詞：混凝土；早期裂縫；材料性能文章編號：2095-4085（2025）02-0093-03

0 引言

混凝土早期開裂的原因主要包括原材料質(zhì)量和外加劑的選擇、配合比和拌和工藝、施工環(huán)境和養(yǎng)護情況。其中，原材料質(zhì)量和外加劑的選擇是導(dǎo)致早期開裂的主要原因，而混凝土內(nèi)部微裂紋和孔洞是導(dǎo)致混凝土破壞的主要根源。因此，控制原材料和外加劑對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響至關(guān)重要，可以減少混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。

1 研究背景及意義

在施工期間，存在一些導(dǎo)致混凝土開裂的問題，如箱形梁腹板、薄壁構(gòu)件與厚件連接的部位和錨固區(qū)。在箱梁橋中，由于箱梁腹板與腹板之間的溫差較大，容易導(dǎo)致腹板開裂。當(dāng)?shù)装搴穸冗^小時，腹板上段容易產(chǎn)生裂縫；而當(dāng)樓板厚度過大時，其下部容易開裂，并且由于其對底板溫度變形的抵抗能力更強，因此，在連接部位容易產(chǎn)生裂紋。薄壁構(gòu)件由于溫度變化大，收縮較快，容易受到拉應(yīng)力的影響而開裂。在錨固區(qū)施工縫中，新老混凝土難以共同承擔(dān)抗拉強度，導(dǎo)致混凝土發(fā)生局部變形，從而產(chǎn)生裂縫。此外，在澆筑大體積混凝土過程中，由于內(nèi)外溫差過大，也容易產(chǎn)生溫度應(yīng)力變化，導(dǎo)致混凝土開裂。同時，混凝土的配比、攪拌工藝等因素也對早期開裂起著重要影響。過大的水灰比，尤其是在干旱地區(qū)，容易導(dǎo)致較大的裂縫。因此，在配制混凝土?xí)r，應(yīng)選擇合適的配比，防止過量摻水。

另外，在施工環(huán)境和養(yǎng)護狀況方面，也需要注意氣候因素，如大風(fēng)、高溫、低溫等會導(dǎo)致混凝土表層水分快速蒸發(fā)，造成開裂。因此，在施工時需密切關(guān)注氣候條件，并合理規(guī)劃施工時段，以保障混凝土養(yǎng)護期間充分吸水、有效硬化，并保持適宜的濕度。目前，商品混凝土在市政建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在工程實踐中，特別是在高層住宅建設(shè)中，容易出現(xiàn)混凝土澆筑后不久就產(chǎn)生抹灰的現(xiàn)象。這是由于混凝土在硬化和收縮過程中產(chǎn)生了許多細小的裂紋，并逐漸向板底延伸，這種裂紋被稱為混凝土收縮開裂，屬于非結(jié)構(gòu)性開裂。雖然這類裂紋與荷載作用產(chǎn)生的裂紋不同，對結(jié)構(gòu)的承載能力基本沒有影響，但鑒于當(dāng)前住戶對住宅品質(zhì)的高標(biāo)準需求，因此，必須在工程上避免這類裂紋的產(chǎn)生。

2 工程概況

本文研究對象為某廠房樓面，該樓面長143m，寬41m，厚0.35m。樓面支撐網(wǎng)格為3×4.2m2，配有雙面筋，雙向間距為0.15m，使用F16mm鋼筋。在正常工作荷載下，立柱對垂直位移有較大影響，并對樓板的伸縮有較強的限制作用。

在澆筑完8層柱子的混凝土3d后，混凝土柱的局部部位出現(xiàn)了裂縫；在8層頂板澆注完畢后，在拆除模板之前，某些部位已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了貫穿的裂紋。這8層樓的柱子和屋頂?shù)脑O(shè)計強度均為C40，使用的是普通商品混凝土，并且使用了水泵進行澆筑。

試驗中選取了一根8層柱和另一根8層頂板，對它們的裂縫分布狀況、縫寬、縫深等進行了檢測。結(jié)果顯示，在8層頂板的上部出現(xiàn)了大范圍的裂隙，總體呈不規(guī)則分布。寬裂隙已穿透了頂板，而窄裂隙尚未完全貫通。已穿透的裂隙整體呈現(xiàn)上寬下窄的特點，最大的裂隙寬度可達到1.05mm。

3 基于材料性能的混凝土早期裂縫的成因

3.1 水泥

水泥在混凝土早期開裂中起著重要作用。不同水泥種類因礦物質(zhì)組成不同，收縮性各異，應(yīng)避免混用。水泥細度也會影響早期開裂，細粒度水泥凝固、硬化和水化快，初期強度高，比表面積大，但收縮率也高。大體積混凝土因水化熱難以及時散發(fā)，內(nèi)外溫差大，易導(dǎo)致表層受拉伸應(yīng)力超過極限抗拉強度而產(chǎn)生早期裂紋。此外，水泥中的慢水化組分如自由CaO水化緩慢，其水化生物體積比混凝土凝固前大得多，會造成硬化后混凝土內(nèi)部體積變化，引發(fā)內(nèi)膨脹開裂。

3.2 骨料

配制混凝土?xí)r，用不同粒徑碎石作為集料的混凝土，比用單一小石子作為集料的混凝土具有更高的強度。同時，骨料的粒度越大，所需用水越少，泌水和收縮也越小。然而，本項目中采用了小石子作為粗骨料，致使混凝土整體強度不足，為后續(xù)裂縫的產(chǎn)生埋下了隱患。雖然在相同的水灰比和坍落度條件下，增加灰砂率可以提高混凝土的強度，但在實踐中為了保證泵送混凝土的順利進行，對骨料的粒徑有較嚴格的要求。而對于高強混凝土，砂率的標(biāo)準會偏低一些，一般控制在40%～50%范圍內(nèi)；碎石粒徑分5～10㎜、10～20㎜之間。粗骨料顆粒粒徑小，會導(dǎo)致混凝土粘結(jié)性能差，進而增加混凝土局部開裂的風(fēng)險［1］。

3.3 外摻合料

礦物摻合料是一種能夠提高混凝土耐久性的輔助材料。其中，粉煤灰與礦粉是常用的礦物摻合料。它在混凝土水化過程中能夠?qū)λa(chǎn)物進行二次水化，加快膠體形成，從而迅速填補混凝土裂縫。同時，粉煤灰還能隔離混凝土中的毛細孔，提高混凝土的致密效應(yīng)，減少混凝土的收縮。在實際工程中，使用粉煤灰時需要嚴格控制用量，否則會導(dǎo)致混凝土強度提高過慢，從而增加混凝土開裂的風(fēng)險。另外使用外加劑時，需要先了解具體的施工條件，然后再確定合適的摻量。由于剛澆筑的混凝土強度較低，容易在外部載荷作用下產(chǎn)生裂紋。而礦物摻合料的密度較水泥小，若振搗不充分，且外加劑摻量過多時會出現(xiàn)浮漿現(xiàn)象，進而導(dǎo)致混凝土表面裂紋的產(chǎn)生?；炷羶?nèi)部的水分也會迅速蒸發(fā)，進一步增加了早期裂紋的形成。因此，在混凝土中，塑性收縮會引起混凝土內(nèi)部的拉伸應(yīng)力，從而導(dǎo)致早期裂紋的增多。

3.4 堿-骨料反應(yīng)

在特定的環(huán)境條件下，當(dāng)堿含量超過一定程度時，會與堿性集料發(fā)生反應(yīng)。在堿-骨料作用下，混凝土?xí)l(fā)生明顯的體積膨脹，并產(chǎn)生裂縫，從而引起混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化。這種反應(yīng)會嚴重影響混凝土的抗壓強度、彈性模量和彎曲強度，進而對結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴重威脅。

3.5 水膠比和坍落度

當(dāng)膠凝材料用量相同時，較低的水膠比可以提高混凝土的整體強度。但也不能一味地追求減少水泥砂漿的用量，因為這會對混凝土的整體性能產(chǎn)生影響。在高層建筑工程中，為了方便泵送混凝土，通常選擇的坍落度或擴展度不能過小，以免影響泵送。降低水膠比，增加沉陷率，有利于提高泵送效率，但這也意味著從拌站到施工現(xiàn)場的時間要大大縮短。當(dāng)混凝土的和易性不符合要求時，可能需要重新加水、調(diào)整膠凝材料，這很可能會導(dǎo)致水膠比偏高，從而影響混凝土的工程質(zhì)量，同時也增加了混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生早期裂紋的可能性。

4 混凝土早期裂縫的控制優(yōu)化方案

4.1 保障原材料質(zhì)量

在市政建筑施工過程中，混凝土的質(zhì)量對整個工程的質(zhì)量有著重要影響。因此，確保各種原材料的質(zhì)量至關(guān)重要。在此前提下，生產(chǎn)單位尤其在選擇水泥原料時，充分了解各類水泥的優(yōu)缺點及不同水泥對混凝土施工的影響非常關(guān)鍵。

一般而言，應(yīng)選擇具有良好收縮性和低水化熱的水泥。這種水泥在開始和結(jié)束時釋放的熱量較少，間接減少了混凝土內(nèi)外溫度差異，進而降低了早期裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險。當(dāng)水泥水化熱難以完全控制時，應(yīng)根據(jù)工程要求合理使用礦物摻合量，例如在水泥中加入適量的粉煤灰，以減少混凝土的水化熱。在選擇集料時，需要嚴格把握集料的質(zhì)量標(biāo)準。對于細集料，主要注意砂子（中砂）的含量，尤其含泥量不能過高，必須在標(biāo)準規(guī)程范圍內(nèi)。對于粗骨料，關(guān)鍵是控制顆粒粒徑和空隙率，要確保顆粒大小和空隙率的適當(dāng)匹配，以充分發(fā)揮骨料的凝結(jié)性能，從而提高混凝土的質(zhì)量。

4.2 設(shè)計混凝土配合比

在設(shè)計混凝土配合比時，應(yīng)在保證混凝土工作性能的前提下，盡可能地降低單位用水量。為了提高混凝土的使用性能，需兼顧高強度、高流動性和低收縮等性能。根據(jù)“三低二摻”的設(shè)計準則，可在確保低水灰比、低坍落度和低砂率的前提下，采用高性能的外加劑和礦物摻合料來提高混凝土的綜合性能和使用性能［2］。

4.3 科學(xué)控制外摻料的用量

為了控制混合料的用量，保證混凝土的質(zhì)量，可以通過二次摻料的方法來進行。即將等體積的混合料分兩次摻入，在混凝土預(yù)制和攪拌階段進行第一次摻入，其摻入量占總摻入量的70%。待混凝土運到工地后，再摻入剩余30%。這樣可以有效地控制混凝土的水灰比和坍落度。同時，適量使用減水劑也有助于提高混凝土的各項性能，且對混凝土的收縮性能無明顯影響。但在使用過程中，需嚴格控制摻量，以防止超細粉材料對高強混凝土的綜合性能造成影響。為了防止因混凝土收縮而引起的開裂問題，通常采用微膨脹材料來調(diào)節(jié)混凝土的收縮情況，此舉可有效減少開裂的發(fā)生。

4.4 設(shè)置膨脹加強帶和后澆帶

為控制混凝土熱脹冷縮引起的問題，通常會在混凝土中設(shè)置鋼筋網(wǎng)或后澆帶，以減小混凝土的收縮，并達到控制裂縫的目的。后澆帶適用于分階段澆注作業(yè)，其原理是通過縮短單次澆筑長度并采取分段硬化的方法，來有效減少裂紋產(chǎn)生的可能性。當(dāng)采用膨脹筋代替后澆帶時，應(yīng)以連續(xù)澆注為主，以保證各構(gòu)件的脹縮應(yīng)力適當(dāng)，并減小其膨脹強度，從而實現(xiàn)無縫連接的目的［3］。

4.5 加強后期維護

混凝土施工完成后，需對其進行保溫保濕養(yǎng)護，特別是要對回填材料進行養(yǎng)護，以減少裂縫的產(chǎn)生。在養(yǎng)護過程中，可以采用冷循環(huán)水來保持混凝土表面的水分，并提高其內(nèi)部的散熱速率。為了提高混凝土的抗裂能力，必須按照特定的溫控規(guī)范對其進行合理的養(yǎng)護。同時，應(yīng)盡量提高周圍的氣溫，以減小混凝土內(nèi)外溫度的差異，防止溫度過快降低。在遇到雷雨天氣時，應(yīng)采取防雨條等防護措施進行遮蓋，并設(shè)置明溝以增強排水效能。此外，現(xiàn)澆板的澆筑和養(yǎng)護也是非常重要的工作，特別是在氣溫較高的情況下。為了控制混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，防止開裂的發(fā)生，應(yīng)適當(dāng)增加澆注的次數(shù)。

4.6 裂縫處理措施

對于混凝土中出現(xiàn)的裂縫，若其深度還未到達鋼筋表層，且砂漿難以灌注填充，可以及時進行表面處理。對于能夠順暢充填的裂隙，可以采用注漿法，利用壓泵裝置向裂隙內(nèi)注入漿液。在混凝土損傷較嚴重的情況下，可以選擇使用新的混凝土替代已有裂紋的混凝土，但需要注意裂紋的數(shù)量或深度對混凝土的正常承載能力所產(chǎn)生的影響。加固方法可以采用預(yù)應(yīng)力法、外包鋼法、加大截面法等。在本項目中，對于裂縫寬度＜0.3mm的部位，可以使用水溶性聚氨酯和環(huán)氧樹脂進行封堵；對于寬度＞0.3mm的部位，可以采用改性環(huán)氧樹脂進行封堵［4］。待漿液固化到一定強度后，可以進行注漿處理。注漿時，灌注壓力應(yīng)控制在0.2～0.5MPa范圍內(nèi)。對于樓面部位的裂縫，宜采用高滲透性水溶環(huán)氧砂漿，以防止?jié)B漏問題的發(fā)生，注漿壓力應(yīng)控制在0.5～0.8MPa。如果存在較大的裂縫，可以先在裂縫方向縱向粘貼一層碳纖維增強聚合物（CFRP），然后進行注漿處理；假如裂縫已經(jīng)穿透，但尚未出現(xiàn)滲漏的狀態(tài)，可以先使用環(huán)氧樹脂進行加固，然后再貼上碳纖維。

5 結(jié)語

綜上所述，混凝土早期開裂的原因有很多，但建材特性是影響混凝土早期開裂的關(guān)鍵因素，因此，有必要對建材性能進行重點研究。其主要效果包括以下幾個方面。（1）確保原材料的質(zhì)量，減少水化熱的產(chǎn)生。（2）合理選擇水泥類型。宜選用干縮值較小、早期強度較高的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或粉煤灰水泥，以減少收縮。（3）最佳砂率的確定?；炷恋母稍锸湛s隨著砂率的增大而增大，其中泵送混凝土宜加大砂率，但也應(yīng)通過理論計算和工程實踐結(jié)合確定。（4）選用化學(xué)外加劑時，盡量選用干燥收縮小的減水劑或泵送劑。（5）嚴格控制水灰比?？赏ㄟ^添加高效減水劑與適量粉煤灰，有效提升混凝土的坍落度及和易性，同時降低水泥與水的使用量，從而縮減沉降量與塑性收縮。（6）正確的用水量。水灰比越大，干燥收縮越大。在同一水泥用量條件下，注意適當(dāng)控制用水量?？刹捎脟栏竦氖┕す芾?，確保混凝土的各項工序合理完成。同時，也要重視后期的養(yǎng)護工作，以防止溫度變化等引起的混凝土伸縮開裂。一旦出現(xiàn)裂縫，應(yīng)立即采取相應(yīng)的處理措施，以保障混凝土的使用品質(zhì)，進而積極推動建材生產(chǎn)與混凝土制品行業(yè)的協(xié)同發(fā)展與進步。

參考文獻：

［1］蔣超.基于材料性能的混凝土早期裂縫成因與控制［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2023，22（7）：75-77.

［2］尹玉先，楊新華.混凝土早期收縮裂縫成因分析及控制措施［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（7）：1495-1498.

［3］魏曉紅.再議混凝土早期裂縫的成因及控制措施［J］.河南科技，2011（11）：89.

［4］賈金磊，賈杰.高層建筑常見施工管理問題及對策分析［J］.山西建筑，2015，41（14）：227-228.