混凝土早期收缩裂缝的形成机理与控制研究
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摘 要： 裂缝是导致混凝土结构耐久性和使用寿命降低的主要因素。混凝土处于硬化阶段的早期开裂是困扰现代混凝土工程界的一个普遍问题。本文主要研究由湿度变化所引起的收缩裂缝，此处主要考虑干燥收缩和自收缩，借助于大型有限元分析软件ANSYS模拟一块混凝土板内部的湿度场与干缩应力场，得出了混凝土内部湿度的扩散规律及应力的分布、发展规律。
1.引言
混凝土是一种准脆性多相复合材料，而多相复合体材料内部潜伏着随时间变化的残余应力，在自发和诱发因素的作用下引起混凝土内部和外部的裂缝[1]。裂缝是导致混凝土结构耐久性和使用寿命降低的主要因素[2]。因此，国内外对混凝土早期收缩的研究非常热门，一直是一个重要课题，受到了各个领域专家学者的极大重视与关注，对这一问题的研究在上世纪90年代中期迎来了一个学术研究的高峰[3]。
2.对干燥收缩和自收缩的认识
引起混凝土发生收缩的直接驱动力可分为两类：温度作用和湿度作用。其中，湿度收缩包括因混凝土内外湿度变化所引起的各类收缩，如干燥收缩、自生收缩、塑性收缩、碳化收缩等，但干燥收缩、自生收缩是最主要的。
处于低湿环境下的混凝土因水分散失而导致的体积收缩现象称为干燥收缩，简称为干缩。它一般是由塑性阶段结束后由于水分的迁移和散失所引起的。研究发现，蒸发失水和干缩之间存在线性关系[4]。干缩持续发生于混凝土水化的早期和后期。自生收缩是指混凝土在恒温绝湿条件下，由于胶凝材料的水化反应产生的化学收缩表现在宏观体积上的收缩现象。混凝土内部胶凝材料的水化作用，消耗了毛细管孔隙中的水分，即使混凝土不向外界损失水分，内部的相对湿度也会有一定的降低，由此产生的干燥收缩称为自生收缩（即自干燥收缩）。自收缩不包括混凝土与环境发生物质交换、温度变化、外部作用力和外来约束导致的体积变化[5]。它由化学反应引起，因此也是化学收缩的一种。
3.混凝土结构湿度及干缩应力非线性有限元分析
本文利用大型有限元通用软件ANSYS进行混凝土的湿度场与干缩应力场的仿真分析。
3.1理论模型的建立
3.1.1模型的建立
此处模拟一素混凝土路面板湿养护28d后至360d的湿度场及干缩应力的变化，旨在分析混凝土板不同厚度处在不同时刻的湿度分布、变化规律及干缩应力的变化发展过程。混凝土路面板的几何尺寸为6000mm×3000mm×200mm。
3.1.2参数的确定
此处采用C20素混凝土，浇筑结束后湿养护28d。当地平均风速为1.8m/s，年平均相对湿度为60%左右。经分析选取后，湿度场及干缩应力计算参数的最终选取结果如表1所示。
3.1.3单元选取与边界条件
选取solid65单元，混凝土底部采用绝湿边界，不考虑底部的湿度损失，其他部分与空气接触进行湿度交换，属于第三类边界条件。
3.2理论结果分析
3.2.1有限元模型的建立
为了分析方便，这里选取了5个典型的节点进行湿度场与干缩应力场的仿真分析，其中1号节点位于混凝土的表面，5号节点位于混凝土板的中心处。各节点间的竖向间距为25mm。
3.2.2湿度场模拟结果分析
分别提取距离混凝土板表面0mm（板表面）、25mm、50mm、75mm、100mm（板中心）处1d、2d、3d、7d、30d、180d、360d时混凝土板内部的湿度分布，如下图所示：
由上图可以看出，经过7d后湿度有20%变化的区域只限于距板表面28mm，30d后约为48mm，180d后约为55mm。深度为75mm的混凝土一年的相对湿度减小量仅为8%左右，板中心处湿度一年的减少量甚至仅为5%。故可得出如下结论：
（1）混凝土的湿度传导过程非常缓慢，混凝土是一种典型的弱导湿复合材料。
（2）湿度的变化速率呈现出越靠近内部变化速率越小的趋势，混凝土板的表面由于与空气直接接触，湿度损失较大，越靠近内部湿度损失越小。
（3）虽然混凝土湿度传导很慢，但经过一段时间后，表面区域的湿度场的变化还是很明显的，混凝土板内外出现较大的湿度梯度，正是这种内外湿差的不均匀性导致表面拉应力的产生而引起表面首先开裂。
3.2.3干缩应力场模拟结果分析
为了明晰地分析混凝土内部应力的变化发展情况，此处将ANSYS分析得到的数据以图表的形式给出，压应力取负值，拉应力取正值。分别提取距离混凝土板表面25mm、50mm、75mm处各节点，得出应力随时间的变化规律如下图所示：
分析图2，可得出以下结论：
（1）距混凝土板表面25mm以内混凝土的干缩应力全部为拉应力，在湿养护结束后第32d达到拉应力最大值1.13MPa，之后随着外界环境湿度的影响及混凝土内部湿度扩散的不断进行，此拉应力会保持一段时间但略有降低。75d后由于湿度扩散的降低，混凝土的内外湿度差降低，表面拉应力开始有较大幅度的降低并逐渐向结构内部扩散，随着拉应力的扩展，在50mm处混凝土内部的应力由初始的压应力逐渐变为拉应力，但应力大小相比混凝土板表面已大大降低，最大值为0.34MPa。
（2）由于湿度变化所引起的拉应力主要分布在混凝土板的表面，早期最大拉应力已达1.13MPa，且干缩拉应力是由表及里逐渐向内部发展的，大小随之降低。早期虽然混凝土的弹性模量相对较小，但内外的湿度梯度较大，因此表现出了较大的拉应力。
（3）正是混凝土表面的较大拉应力最容易导致混凝土板表面的细微裂缝，虽然此拉应力不足以超过混凝土的抗拉强度，但若叠加其他早期应力（比如温度应力）等则极有可能导致混凝土裂缝的出现。
（4）由应力—时间曲线可以看出，混凝土由于湿度的变化可能导致的开裂主要发生在早期。这是因为在早期混凝土的抗拉强度较低，且混凝土的徐变效应尚未发挥。因此，尤其对混凝土板而言，早期裂缝的出现应是关注的重点，若早期不开裂，则后期由于湿度的变化而引起开裂的可能性将大大降低。因此加强早期的湿养护是预防干缩开裂的好方法。
4.结语
本文通过理论分析和合理建模，得出以下结论：（1）自收缩是混凝土早期收缩的重要组成部分，之前无论在工程实践与理论分析中将其忽略不计是不可取的，这一点应引起工程界的足够重视。（2）通过有限元软件模拟混凝土内部的湿度场和干缩应力场，得出的结论如第三部分所述。（3）裂缝控制是一个系统工程，只有根据裂缝控制的难点、重点综合考虑，才能有的放矢，达到预控裂缝的目的。
参考文献：
[1]孙跃生，仲朝明，等.混凝土裂缝控制中的材料选择.北京：化学工业出版社，2009.
[2]Jensen A D，Chatterj I S.State of the Art Report on Microcracking and Lifetime of Concrete：Part I.Materials and Structures，1996，29（1）.
[3]Ole Mejlhede Jensen.Autogenous deformation and RH-Change in perspeclive[J].Cern ConcRes，2001.
[4]朱耀台.混凝土结构早期收缩裂缝的试验研究与收缩应力场的理论建模.浙江大学硕士学位论文，2005.
[5]Ei-ichi Tazawa.Autogenous shrinkage of concrete.E&FN Spon，London and New York，1999.