建筑混凝土结构早期裂缝原因及控制研究

李然

（云南省房地产开发经营公司，云南 昆明650051）

前言

然而大量的工程实践证明，混凝土结构产生裂缝实际上是不可避免的，完全避免混凝土裂缝是不现实的也是不经济的，重要的是正确认识裂缝的性质，扩展趋势和危害程度，并根据工程需要和结构所处的环境，合理确定裂缝控制水平。

1 混凝土裂缝形成原因分析

1.1 混凝土的早期裂缝

在混凝土凝结硬化的早期，从加水搅拌开始，混凝土正经历着从粘塑性体至粘弹性体至固体的过渡时期，此时混凝土的抗拉强度和弹性模量都很低，混凝土很容易开裂。早期裂缝可能是很严重的，也可能是很轻微的微裂纹，并没有超过各国规范所限定的最小裂缝宽度，但是它们是结构的隐伤，可能是结构在后期的承载过程中受力断裂的起点，也可能是外界有害物质侵入结构内部并使结构破坏的起点。

1.1.1 塑性沉降裂缝

在塑性阶段，混凝土的内部骨料在自重作用下会缓慢下沉，这种下沉会因钢筋或其它预埋件的存在而受阻，这样就会在钢筋或预埋件的周围形成裂缝，即塑性沉降裂缝．塑性沉降裂缝一般垂直于结构表面，其深度从表面一直延伸至钢筋上方，若不加控制则会加速钢筋锈蚀。

1.1.2 早期干缩裂缝

混凝土的早期干缩裂缝一般出现在较薄的梁板结构中，在干热和风较大的季节里施工时更为常见，这是因为混凝土浇注成型后，表面泌水在逐步减少，而蒸发量却很大，如果没有及时浇水养护，则会造成混凝土泌水收缩，这时混凝土尚处于塑性状态，收缩产生的很小的拉应力就可以使结构表面出现不规则的裂缝；裂缝出现后，混凝土内部的水分蒸发进一步加快，若不加以及时养护和处理，局部的浅层裂缝会迅速扩展，直至贯穿整个结构，危及结构安全。

1.1.3 混凝土的自收缩与水化热引起的早期裂缝

混凝土的硬化过程即是混凝土内部的水泥水化并凝结硬化的过程，水泥水化反应同时产生3种现象：(1)化学反应使无水成分变成水化物；(2)因所有的化学反应均为放热反应所引起的热量释放；(3)Le Chatelies和Powers发现的绝对体积的减缩。

绝对体积减缩受到水泥浆体结构和骨料与钢筋约束的结果是在水泥浆体中产生非常细小的孔，在无水的情况下或当水泥初凝后未水化水泥继续水化所引起的耗水速率大于外界水的迁移速率时，水化即从凝胶孔及毛细孔网络中吸收水而形成凹液面，在水泥浆体中产生拉应力，从而造成收缩，这种现象称为自收缩。水化热释放的结果是混凝土体温度升高，当温度开始上升时混凝土的弹性模量还很低，因此，只有小部分的热膨胀转化成为压应力，此时还有很大的松驰能力使预压应力进一步减小。而在此后的冷却过程中，弹性模量的增大和松弛作用的减小导致大得多的拉应力产生，从而导致混凝土出现早期热裂缝。

在大体积混凝土中，由于水化热的作用和混凝土的散热缓慢，使混凝土结构内外温差很大，有时可达50℃以上，这种很大的内外温差引起很大的温度应力而导致混凝土早期开裂。对于高强度混凝土，一方面由于水泥用量大，水泥活性高，因此水化热释放较多，使混凝土体温度上升较高，并在随后的降温过程中体积收缩受约束；另一方面，由于水胶比低，混凝土内部游离水较少，而水化速度较快，耗水速率较大，自收缩较大，因此，高强混凝土非常容易早期开裂。

由于自收缩和水化热引起的裂缝是混凝土在孤立环境中（与外界无物质和能量的交换）也可以产生的裂缝，因此主要是水泥的抗裂性能（还有矿物掺合料和外加剂）决定了混凝土的初始抗裂性能。从理论上看，在水泥的矿物组成中，C3S，C3A，Na2O，K2O含量较低，细度较小的水泥，水化热低，放热平缓，水化速度较慢，耗水速率低，因此有较小的自收缩与水化热，抗裂性能较好，R.Springenschmid的在开裂试验架上的大量试验结果也证实了这一点；而从混凝土的角度来说，水泥用量低（以活性较低的混合材代替部分水泥）自然有较小的自收缩与水化热，因此，在大体积混凝土或高强混凝土中，以粉煤灰代替部分水泥是减少早期开裂的非常有效的措施。

1.2 混凝土在后期(承载过程中)裂缝的形成原因

1.2.1 外界侵蚀性物质侵入所产生的裂缝

可以从周围环境侵入混凝土内部而导致混凝土开裂破坏的物质有CO2、SO42-和Cl-等，CO2从毛细孔和微裂纹侵入混凝土后，即与混凝土内部的Ca(OH)2发生化学反应，这一过程称为混凝土的碳化。由于Ca(OH)2结晶体的溶解和CaCO3的沉积，碳化使混凝土产生收缩，有增加混凝土后期开裂收缩的趋势；另一方面，碳化使混凝土的碱度降低，如碳化深度达到钢筋表面，则会使钢筋钝化保护膜破坏，引起钢筋锈蚀，同时使混凝土产生顺筋开裂，Cl-侵入混凝土内部也会导致钢筋锈蚀，SO42-侵入混凝土内部后，首先与Ca(OH)2反应生成石膏，石膏又与水泥石中水化铝酸钙反应生成含有大量结晶水的钙矾石（C3A·3CaSO4·32H2O），它比原有体积增大1.5倍以上，从而导致混凝土的膨胀破坏。

1.2.2 混凝土受过大拉应力产生的裂缝

在建筑结构体系中，由于各种原因，混凝土梁板等结构会处于受拉状态，当拉应力超过混凝土的承载力极限时，混凝土就会产生裂缝。过大的拉应力可以由以下几种途径产生：(1)荷载应力，如偶然的超载，地震等；(2)约束应力，如混凝土的干燥收缩或环境的温度降低所产生的结构变形受到支座的约束而产生的拉应力，或者是基础不均匀沉降所产生的拉应力；(3)在正常荷载的长期作用下，由于混凝土的徐变，混凝土的变形增大，而导致混凝土结构的微裂纹扩展，使混凝土的极限承载力降低，使正常载荷相对变大。

2 混凝土裂缝控制的方法

如前所述，混凝土在不同时期不同环境里开裂有着复杂的多方面的原因。混凝土的自身缺点是主要因素，不利的外界环境是裂缝产生和进一步扩展的诱因，因此，混凝土的裂缝控制工作是多方面的，系统的。可分为以下几个方面：

2.1 合理确定混凝土结构所要达到的裂缝控制水平

为了保证混凝土结构的安全和提高其耐久性，混凝土结构的裂缝是必须控制的；另一方面，由于混凝土结构产生裂缝是不可避免的，开裂的程度和对结构的危害程度也是不同的，而较严格的裂缝控制往往意味着较高的费用和资源，因此，应根据工程需要合理确定裂缝控制所要达到的水平。如一般的混凝土结构可以存在一些不影响混凝土使用功能和承载能力的裂缝，而有防水要求的结构和在腐蚀环境里工作的结构对裂缝的要求就较严格。

2.2 合理选择混凝土的原材料种类、用量和施工工艺

在实验研究的基础上，针对不同的混凝土结构在不同的环境里可能出现的裂缝形式，合理选择混凝土的原材料种类，用量和施工工艺。例如，对于现浇板一类的结构，由于混凝土暴露面积较大，应加强覆盖和浇水养护，以防止混凝土的塑性收缩裂缝;对于大体积混凝土底板，则应重点采取措施预防因水化热引起的裂缝，可以采用低热水泥，用粉煤灰代替部分水泥，降低混凝土的入模温度，预埋冷确水管等措施。

2.3 建立混凝土工程开裂档案

随着建筑技术的高度发展，人们对高强高性能混凝土的需求日益增加，各种外加剂和掺合料也越来越普遍的用于混凝土中，而水泥在各种外加剂和掺合料作用下的水化机理人们还不能透彻的了解；在混凝土漫长的承载过程中，外界环境因素又有很大的不确定性，使得裂缝的产生和扩展机制异常复杂，结构混凝土意外的开裂现象屡见不鲜。因此，在大范围内建立一个包括混凝土原材料、种类和用量，施工方案，设计方案，开裂时间，裂缝宽度、长度、扩展趋势，结构受力状态，环境条件等要素在内的混凝土开裂档案，可以使人们不断的积累经验，更好地开展混凝土开裂问题这一前沿课题的研究，更合理的控制混凝土工程的裂缝。

[1]周国均，牛青山，陈风英译.日本混凝土工程协会．混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程[M]．北京：地震出版社，1992．

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制，中国建筑工程出版社，1997.