混凝土早期裂缝问题研究

曾淼清

混凝土早期裂缝问题研究

曾淼清

混凝土早期抗裂性能是耐久性能评价的一个重要指标。众所周知，混凝土的早期开裂对其整体性能、力学性能和耐久性能会产生一定的影响，早期裂缝的研究也就成为当前混凝土材料界和工程界的热点问题。本文，笔者结合多年的工作实践经验，对混凝土的早期裂缝的成因进行了分析，提出了切实可行的预防措施来减少早期裂缝的发生，有效地保证了建筑工程的质量。

一、早期裂缝产生的原因

按照作用和效应的关系法则，现浇混凝土结构早期受到的直接作用主要是施工荷载。以往的施工技术规范和结构设计规范已经有明确的规定，即直接作用可以采用成熟的结构分析方法计算。因此，本文，笔者着重讨论早期裂缝生成效应相关的间接作用。它可以归纳为温度作用、湿度作用、收缩变形作用等。另外，混凝土应力松弛和徐变对早期裂缝也有一定的影响。

1. 温度作用。现浇混凝土构件置于现场环境中，除混凝土水化发展的水化热外，还要受到环境温度变化的影响。环境温度来源于太阳辐射或施工后的加热养护等。此外，混凝土材料的热工特性参数也非常重要。它会随混凝土的不同而变化，从而导致相同环境条件所得温度发展结果也不尽相同。

（1）水化热。水泥在水化过程中会产生水化热，如果一次浇筑混凝土的体积量很大，产生的大量水化热散不出去，表面和内部升温、降温速度不同，会产生表面裂缝，甚至贯穿裂缝。其中，尤其以坝体的大体积混凝土温度裂缝问题最为突出。

（2）环境温度、湿度。现浇混凝土结构与其他混凝土结构形式不同的是，混凝土在其成型阶段往往会受到季节变化、昼夜温度、湿度变化等的影响。例如，某地区昼夜温差可达15℃左右， 而春秋季的湿度比夏天雨季低得多。这样的变化会导致现浇混凝土结构材料强度发展的不均衡性。

（3）混凝土材料的热工特征。结构设计中一般只涉及成熟混凝土的热膨胀系数（TDC）。一般认为，热膨胀系数取决于混凝土孔隙结构中的湿度状态。孔隙结构干燥和湿饱和的混凝土的热膨胀系数较低，孔隙结构部分饱和的混凝土的热膨胀系数较高。另外，热膨胀系数还取决于混凝土骨料的选用，例如石灰石骨料的热膨胀系数只有1.0×10－6/℃。

2. 收缩变形作用。一般情况下，混凝土的收缩变形主要有塑性收缩、自干燥收缩（自身收缩）、干燥收缩、温度收缩和碳化收缩等5种收缩形式。

（1）塑性收缩。混凝土的塑性收缩多发生在塑性阶段，由水泥水化反应决定，因此也被称为化学收缩。虽然体积变化量很大，但内部混凝土尚未硬化。一般认为，在施工作业振捣充分时不会影响后期质量。

（2）自干燥收缩。自干燥收缩常发生在水泥硬化过程（早前期阶段）中，源于混凝土内部尚未完全水化的水泥颗粒继续反应消耗自由水，不与环境介质接触，因此被称为自身收缩。高强度混凝土因水灰比较低，后续水化产生的自收缩量值较高，这也是高强度混凝土早期裂缝出现较多的原因之一。

（3）干燥收缩。由于水分的散失而导致的干燥收缩在早期最为常见，也是造成收缩裂缝的主要原因。水分散失既包括大气蒸发，也包括地基土壤的吸收。

（4）温度收缩。温度收缩主要是在混凝土初凝之后，水泥水化热的释出量逐渐减少，导致稍后阶段与外界发生热交换后混凝土的温度降低而产生的。此外，随外界温度变化的张缩也是产生温度收缩的主要因素之一。

（5）碳化收缩。碳化收缩主要是指表层混凝土由于同空气中的CO2发生作用而引起的收缩。一般发生于年代较长、暴露于潮湿环境中的混凝土。

大量的工程实践表明，混凝土早期裂缝的生成，一般不是直接作用（结构荷载和施工荷载） 的结果，大部分可归结为温度变形和收缩变形等间接作用的效应。

3. 应力松弛和徐变变形效应。固体材料在固定荷载的长期作用下将产生缓慢的变形，力学术语为蠕变，混凝土学科中习惯地称之为徐变。固体材料在固定变形约束下，其内部的应力随时间逐渐变化的现象定义为应力的松弛。徐变对混凝土收缩开裂影响的机理关系如图1所示。

图1 收缩和徐变对混凝土开裂的影响

从图1可知，当混凝土构件受到限制，收缩应变诱发弹性拉伸应力，（图1 曲线a）， 徐变效应使这个拉伸应力随时间逐渐减小，从而引起应力松弛（图1 曲线b）。为此，在混凝土中存在受限制条件时徐变应变所松弛的应力与收缩应变产生的应力之间的相互关系，是大多数结构中变形与开裂的核心所在。因此，必须考虑混凝土在受约束限制条件下如何承担持续应力的问题。

需要指出的是徐变是材料在直接或间接作用下的效应，在一定条件下它还可以舒缓结构构件中生成的拉应力。这在某种程度上延缓了混凝土的早期裂缝。由此可见，了解混凝土的弹性（或弹塑性）、干燥收缩、热收缩和徐变性质，以及影响这些性质的诸因素，对于正确分析混凝土早期裂缝产生的机理是十分重要的。

二、早期裂缝的控制措施

1. 裂缝控制的设计措施。

（1）增配构造筋提高抗裂性能。薄壁结构（壁厚200～ 600 mm）如墙、板、梁等，通过增配构造钢筋，使构造筋起到温度筋的作用，从而有效提高抗裂性能。配筋应尽可能采用小直径、小间距，直径8～14 mm、间距100～150 mm是比较合理的。全截面的配筋率不小于0.3%，应在0.3%～0.5%。受力筋能满足变形构造要求的，不再增加温度筋；构造筋不能起到抗约束作用的，应增配温度筋。一些国家的电工程中，设计受力筋的配置大大超过实际需要，而构造筋却非常薄弱，值得注意。但在我国的设计中也存在忽略构造筋作用的现象。

（2）设滑动层和压缩层。即在垫层上表面和底板下表面贴一毡一油作为滑动层。

（3）避免结构突变（或断面突变）产生应力集中。当不能避免断面突变时，应作局部处理， 改为逐渐变化的过渡形式，同时加配钢筋。

（4）控制应力集中裂缝。 工业与民用建筑的各种底板、立墙、顶板以及地下箱形基础和其他特殊构筑物都可能遇到各种形状的孔洞，还有一些结构在长度方向遇到断面突变的情况。 在孔洞和变断面的转角部位，由于温度收缩作用，也会引起应力集中，导致裂缝的产生。

（5）设置“暗梁”。可以增加易裂的薄弱部位含钢率，提高混凝土的权限拉伸，增强结构的抗裂性。

（6）从构造上提高混凝土的极限拉伸及抗拉强度。

（7）“后浇缝”与“跳仓打”的作用相同，可控制施工期间的较大温差与收缩应力。

（8）以预防为主。在设计阶段，就应考虑出现裂缝的可能性以及经济可靠的修复方法。

（9）从未来的发展方向看，无论是静动荷载作用还是变形作用，提高混凝土材料的韧性将是十分有意义的。

2. 裂缝控制的施工措施。

（1）严格控制混凝土原材料质量，特别是在泵送混凝土工艺中，一定要采取精料方针。 粗细骨料的含泥量应尽量减少（1%～1.5%），一些重要工程的原料必须预先多一些选择。

（2）混凝土集料的配比应作细致分析，强度等级和水化热及收缩有矛盾，应根据工程所处条件，如防水、防渗、防气、防射线等进行最优方案的选择。设备基础的强度等级一般为C20～C25，重要特殊构筑物为C30。混凝土的水灰比很重要，应在满足强度要求及泵送工艺要求的条件下尽可能降低，为此掺入减水剂是必要的。

（3）根据工程特点，可以利用后期强度，如60 d、90 d、120 d强度，即允许工程在60 d、90 d或120 d达到设计强度。这样可以减少水泥用量，减少水化热和收缩。

（4）混凝土的浇灌振捣技术对混凝土密实度是很重要的，最宜振捣时间5～15 s。另外泵送流态混凝土也需要振捣。

（5）相对大块式、厚壁的混凝土工程，产生裂缝的主要因素是水化热降温引起的拉应力， 所以必须尽可能减少入模温度，薄层连续浇筑，随后采取保温养护，以减少内外温差。重要的是一定要缓慢降温，越慢越好，为混凝土创造充分应力松弛的条件。与此同时还要使混凝土保持良好的潮湿状态，这对增加强度和减少收缩是十分有利的。

（6）对于薄壁结构，裂缝产生的主要因素是收缩，所以应分层散热浇灌，其后保湿养护很重要，而无须专门保温。预防激烈的温度变化与湿度变化对控制裂缝是十分有利的。薄壁结构中要设法保证混凝土浇灌振捣的密实性。

（7）混凝土拆模时间可根据工程具体条件（如工序要求、施工荷载状况）确定，应尽可能多养护一段时间。拆模后，混凝土表面的温度不应下降15℃以上。拆模时，混凝土的现场试块强度等级不宜低于C5。

（8）混凝土的施工缝可留出接头，设止水带。一般工程采用施工缝，只要凿毛清理干净， 是可以满足设计要求的。确保施工质量，止水带的施工质量很重要，止水效果就能达到优良的。

（9）关于施工季节的选择，一般难以准确确定。较冷、较暖的季节比炎热季节好。但季节不是唯一的条件。如果组织得好，措施可靠，即使在最高气温35 ℃时，也可保证工程质量。

（10）对于地下工程，拆模后及时回填土是控制早期、中期开裂的有效手段。土是混凝土最佳的养护介质。实践证明，迟迟不回填的暴露工程发生裂缝是最多的。

（11）为了减少地基与基础间的摩阻力，可在两者之间设一层沥青油毡，或涂抹两道海藻酸钠隔离剂，将地基水平阻力系数减少至（0.1～0.3）×10–2N/mm3。

三、结论

早期裂缝产生的形式和种类很多，正确分析和判断混凝土早期裂缝的成因和发展趋势决定了应对此类裂缝的基本思路。为了研究在混凝土施工过程中出现的早期裂缝对建筑的结构性能产生的不良影响因素，本文，笔者把复杂的微观机理与宏观工程实践相联系，对现浇混凝土早期裂缝产生的原因进行了分析，并总结了现浇混凝土早期裂缝的控制方法，以期能够对建筑工程质量的提高提供一定的借鉴。