混凝土早期开裂原因分析

2012-08-07张亚涛武允超

治淮 2012年5期

张亚涛武允超徐伟

（安徽省·水利部淮委水利科学研究院蚌埠 233000）

1 引言

混凝土早期裂缝主要是体积变化受到约束而产生的应力造成的。在混凝土硬化过程中，水泥水化和外部环境骤冷骤热造成混凝土的热胀冷缩，产生大量的温度应力，这是目前预拌混凝土开裂的重要因素之一；另外，水分的蒸发、体积的缩小会产生大量的干缩应力，极易在截面薄弱的地方产生干缩裂缝。R.Springenschmid认为，混凝土三分之二的应力来自于温度变化，三分之一来自干缩和湿胀。胡如进认为，混凝土早期开裂主要是由于初凝前后干燥失水引起的收缩应变和水化热产生的热应变所引起。因此收缩应变和热应变的大小直接影响着混凝土是否产生早期开裂。

混凝土结构最易出现裂缝的两个时期分别是混凝土成型后的6～8h和浇筑后的3～6d。要想更好地预防混凝土的早期开裂现象，知道混凝土结构收缩应变和温度应变产生的机理就显得至关重要。笔者在总结前人工作的基础上，重点分析了收缩应变和温度应变产生的机理，并从理论上找出减少早期开裂的措施。

2 早期开裂机理分析

2.1 收缩应变机理

混凝土早期收缩应变主要包括塑性收缩、干缩和自收缩。

2.1.1 塑性收缩机理

塑性收缩主要是混凝土凝结前，因泌水、表面水分蒸发以及骨料和胶凝材料不均匀沉降而造成的体积减小。混凝土拌合物成型的最初几个小时，主要表现为黏塑性。随着水化的进行，塑性减小，弹性模量增大，成型4～8h，弹性模量从10～102MPa迅速增长至104～105MPa，增大了1000倍左右，而此期间的抗压和抗拉强度以正常速度增长，从而导致极限抗拉应变由2h的4.0×10-3急剧下降至6～8h的0.04×10-3左右，此时的极限抗拉应变达到最低值。因此，混凝土成型后的6～8h，尽管收缩产生的拉应力相对较小，但极限抗拉应变降到了最低，故此时存在产生裂缝的极大可能性。

2.2.2 干缩和自收缩机理

处于硬化阶段的混凝土，其体积收缩主要是干缩和自收缩。干缩是混凝土中多余水分蒸发，体积减小而产生的收缩，干缩应变产生的收缩量约占混凝土全部收缩量的80%～90%，由此产生的裂缝极易形成贯穿裂缝；自收缩是由于水泥的水化作用而使内部水分减少，进而体积减小的收缩，约占混凝土全部收缩量的10%左右，由此形成的裂缝一般是内部微裂缝。这些收缩产生的本质都是湿度梯度的存在。

由于外界环境与混凝土表层间存在湿度梯度，致使毛细孔内水分开始蒸发，在图2所示的各种力作用下逐渐形成气液弯月面，如图1所示，由于液面是凹的，曲率中心在液体外部，根据球形液面的拉普拉斯方程（1），可知毛细孔张力△p是负值，说明液体内压强小于液体外的压强，形成了毛细孔负压（收缩拉力），如图3所示。随着毛细孔内水分蒸发的进行，气液弯月面如图1所示后退，气液弯月面的曲率半径R逐渐减小，毛细孔的收缩拉力逐渐增大，并最终使混凝土结构的收缩应变逐渐增大。

式中：σ——表面张力系数，N/m；

△p——收缩拉力（毛细孔所受压强），Pa；

R——曲率半径，m。

公式（1）和表1表明，孔径越大，其内的水分越容易蒸发，孔径越小，其内的水分越难蒸发。混凝土结构内，较粗毛细孔内的水分先蒸发，但由于曲率半径较大，产生的收缩拉力较小，收缩量也较小；然后是较小、较细毛细孔内水分蒸发，但由于曲率半径较小，产生的收缩拉力较大，收缩量也较大。

2.2 温度应变机理

水泥水化热的释放主要集中在早期，典型的波特兰水泥在开始3d内大致会放出50%的水化热。混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3～4d，掺粉煤灰后可推迟至第5～6d。当混凝土中水化热产生的温度达到峰值后，开始逐渐降温，而混凝土是热的不良导体，外层温度降低又较快，这就在混凝土结构内部形成温度梯度，如图4所示，这时外部温度较低的混凝土约束内部温度较高混凝土的膨胀，从而产生温度应力（也可称为拉应力），当拉应力大过混凝土的抗拉强度时，就会使混凝土发生开裂。这种因温度应力产生的开裂可分为两种：当水化热产生的温度梯度为主要原因时，开裂一般较深，且经常出现在大体积混凝土结构中；当外部环境产生的温度梯度为主要原因时，开裂主要以细小的裂纹为主，出现于大多数混凝土结构的表面。

3 实例分析

置于地面上的一个混凝土立方体结构，在受到因温度梯度和湿度梯度产生的拉应力时，就会产生如图5所示的拉应变，从中可以看出，下底面由于整个面受到地基的约束，抵抗拉应力的能力最强；上表面受到的外部约束最少，抵抗拉应力的能力最弱；侧面相比上表面，多了一个端面的约束作用，并且竖直方向上的拉应力实际就是压应力，而混凝土的抗压强度是抗拉强度的十倍左右，抵抗拉应力的能力介于下底面和上表面之间。在相同拉应力作用下，混凝土结构的下底面产生的拉应变最小，四个侧面次之，上表面最大，也就是说裂缝最易出现在混凝土结构的上表面，且纵向裂缝与横向裂缝的概率基本相同；侧面出现纵向裂缝的概率更大些；裂缝最不易出现在下底面。