混凝土变形开裂性能研究

(重庆交通大学 材料科学与工程学院， 重庆 400074)

混凝土变形开裂性能研究

郭时跃

(重庆交通大学 材料科学与工程学院， 重庆 400074)

变形开裂是混凝土材料的常见问题之一，本文通过对混凝土变形开裂的成因进行归纳整理，介绍了实验室常用的研究变形开裂的试验方法，并提出了相应的防治措施，旨在推动对混凝土变形开裂研究的进一步深入。

变形开裂；成因；试验方法；防治措施

0 前言

现代建筑中，混凝土是使用最广泛的材料之一，它具有材料来源广泛、强度高、可塑性强等诸多优点，在现代工程建设中占有重要地位。然而在使用过程中，混凝土普遍存在变形开裂等问题，影响混凝土的正常使用。尽管我们在施工中采取各种措施，但裂缝仍然存在。

混凝土裂缝主要分为两类：一类是由荷载（包括施工和使用阶段的静荷载、动荷载）引起的裂缝，一类是由变形（包括温度、湿度变形，不均匀沉降、化学反应等）引起的裂缝。前者会直接导致混凝土构件的破坏甚至倒塌，是不允许出现的；后者则不一定会直接影响混凝土的承载力，但会影响混凝土的耐久性和使用寿命。本文仅就混凝土工程变形引起裂缝的成因和处理措施做一些探讨。

1 引起混凝土变形裂缝的主要原因

混凝土中产生变形裂缝的原因：温度和湿度的变化，混凝土的膨胀和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。

1.1 温度的变化

混凝土由于温度变化发生体积变形、膨胀或收缩，这是材料固有的物理特性。当这种体积变化受到约束时就会混凝土内部产生产生拉应力，当由此产生的拉应力超过混凝土抗拉强度极限时，混凝土便产生温度裂缝。

1.2 收缩裂缝

混凝土的收缩分为自生收缩、塑性收缩、碳化收缩、干缩。自生收缩也称硬化收缩，这是混凝土凝结硬化过程中由于化学作用引起的收缩，是化学结合水与水泥的化合结果，这种收缩与外界温度变化是没有关系的。自生收缩可能是正的变形，也可能是负的(膨胀）。

1.3 不均匀沉降（地基沉陷裂缝）

一般情况下，当混凝土结构主体和基础刚度较大时，其抵抗地基沉陷的能力还是较强的。但是，地基处理不满足规范要求时，特别是在严重湿陷性黄土、冻胀土、膨胀土、盐渍土、软弱土等不良场地，仍时常产生地基沉陷（膨胀）裂缝，地基沉陷裂缝具有底层重，上层轻，外墙重、内墙轻，开洞墙重、实体墙轻等特点，且大多为斜向裂缝，少数为竖向和水平向裂缝。地基沉陷裂缝首先在混凝土梁上出现或在梁柱交接处发生，当上部主体结构刚度较大时，有时也在独立基础与柱跟处出现水平裂缝。

1.4 化学反应裂缝

①碱性反应裂缝，它是由于混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材料及水中的碱性物质与骨料中的活性物质发生膨胀的化学反应。如果混凝土构件处于比较干燥的条件下，其骨碱反应是很缓慢的，通常在进行浇筑成型若干年后出现，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力而开裂；但是处于潮湿和水中条件下时，则在较短的时间内就会出现裂缝。②氯离子的侵蚀裂缝，当混凝土中使用外加剂不当（超量氯离子的外加剂）或混凝土结构处于有腐蚀性气体或液体的环境中，以及施工时控制不严，混凝土保护层过薄或漏筋，使混凝土中钢筋生锈，铁锈体积膨胀，致使产生裂缝。在高碱性环境下钢筋表面形成氧化铁保护膜，而当混凝土中碱度降低时，这层氧化膜遭到破坏，从而加速了钢筋锈蚀使混凝土出现裂缝。这种裂缝多纵向顺筋裂缝，严重者将破坏钢筋与混凝土之间的粘结力。

2 混凝土变形开裂试验方法

目前国内外采用较为普遍的几种研究早期开裂的试验方法有平板式约束收缩试验法、圆环式约束收缩试验法。

2.1 平板式约束收缩试验法

平板式约束收缩试验法试件为大小600mm×600mm×63mm的薄板,模具四侧的边框上设有两排Φ10×100mm焊接(或双螺帽固定)的螺栓,每边14个,底部铺有低摩阻的聚四氟乙烯片材。试验结果需要得到试件表面裂缝的初裂时间、裂缝最大宽度、裂缝的数量以及总长。

平板试验法具有如下优点：处于双向受约束状态的板状试件较好地符合了工程实际中的板状构件的开裂情况；平板法可以提供较多的约束种类，可以在板四周用铆钉加以约束，在板底加以约束，或者二者结合等。缺点是板式约束收缩试验影响因素较多，试验结果对试件尺寸、材料特性、环境状况等的依赖性很大，不利于相互比较及标准化；约束程度不可预见，想进行精确的理论分析也比较困难。

2.2 圆环式约束收缩试验法

目前,圆环法是各国研究者们研究水泥基材料早期开裂敏感性时较普遍采用的一种方法。在内、外钢环之间浇注环形混凝土、砂浆或净浆试件,拆除外模后,内钢环对试件收缩起到约束作用,因此试件内部将产生环向拉应力,当拉应力超过抗拉强度,试件即开裂。圆环式约束收缩试验法存在如下假定:认为环向应力沿环均匀分布;忽略径向应力;忽略高度方向边界和重力的影响。在假定成立的条件下,认为环处于环向均匀受拉状态。

圆环试验法有诸多优点:试验装置简单,试验方法易操作;钢环可以为试件环的收缩提供足够的约束,比起单轴约束试验,有效地克服了施加端部约束的困难和易产生偏心等缺点;因为试件的轴对称特性,同一半径上的应力大小比较均匀,并且可通过测量钢环内壁上的应变来计算试件中应力;在一定的范围内,试件尺寸、边界情况对试验结果影响不大,易于推广及标准化,有利于对试验结果进行分析比较。但也有其不足之处:物理意义不直观,混凝土受力状态与实际工况不符;约束程度不明确;内表面与钢材相接触成为密闭状态,收缩状态表里不均一;只能用于素混凝土以及砂浆的试验,而无法应用于配筋试件。

3 混凝土变形开裂防治措施

必须控制好原材料的质量，特别是砂石的含泥量，它对混凝土的抗拉强度及收缩变形影响很大。对大体积混凝土来说，尽可能在保证强度的前提下，减少水泥的用量，可以用优质的粉煤灰取代一部分水泥，这样既可降低成本又能够降低水化热，减少混凝土收缩，对防止裂缝是有利的。严格控制混凝土的水灰比，混凝土的水灰比越大，其体积收缩也就越大，特别是在混凝土初凝时水灰比过大将出现大量不规则的裂缝。加强养护，使混凝土表面保持湿润状态，不断补充蒸发的水分，这样既可以防止混凝土的干缩裂缝，又可以加速混凝土的水化，提高混凝土的抗拉强度。对大体积混凝土加强保温养护，是减少温度裂缝的最有效的措施。大体积混凝土的保温养护可以采用草袋同塑料薄膜联合使用，用草袋进行保湿，用塑料薄膜保温，保温层的拆除应根据测温情况而定，要确认内外温差低于 25℃时方可拆除，避免因为降温速度过快而引起混凝土开裂。严格控制水泥、外加剂及掺合料的含碱量。同时对其骨料应进行碱活性测定，从根本上避免碱骨料反应发生。掺加纤维是提高混凝土抗拉强度和韧性、预防开裂和改善抗渗性的有效措施。纤维随机均匀分布于混凝土之中，与水泥石基体之间形成良好的粘结力，能够有效减小各类收缩，同时通过粘结力将变形能量分散，有效提高混凝土的韧性，避免开裂。

4 结语

混凝土是活性材料，在其水化及与外界环境相互作用的过程中不可避免地产生了各类收缩变形。混凝土又是脆性材料，其抗拉强度很低。当收缩变形受到约束而产生的拉应力超出抗拉强度时，混凝土便会产生开裂，严重影响混凝土结构的力学性能、渗透性及耐久性。因此，深人探究各类收缩变形的产生机理、影响因素及解决办法，对于提高混凝土的耐久性具有重要的意义。

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