浅谈混凝土早期开裂原因及抗裂措施

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摘要

混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性复合材料。由于配合比设计及原材使用不当，以及施工水平等原因，造成混凝土早期开裂。大多数的混凝土裂缝属于非荷载裂缝，其中因不均匀收缩、温度等因素造成的混凝土早期开裂，是非荷载裂缝的主要原因之一。混凝土发生开裂的条件就是：在约束下变形产生的拉应力超过实时的抗拉强度。通过对混凝土配合比的优化设计，以及施工措施的控制，可以减少混凝土早期开裂。混凝土早期防裂是综合性课题，对各种因素应该综合考虑。

关键词：早期开裂非荷载裂缝 温度应力 约束变形

0．前言

随着我国国民经济的不断增长以及建筑业的快速发展，混凝土已经成为现代使用最广泛人造建筑材料，其配合比、施工技术、质量控制技术都得到了迅速发展，达到了一个新水平。各项重点工程的陆续开建，对混凝土的耐久性提出了严格的要求。耐久性问题引起了人们足够的重视，也相应开展了不少有意义和卓有成效的研究工作。混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料。混凝土早期开裂问题成为影响其耐久性的主要原因之一。

实际工程调查表明，早期的混凝土抗拉强度低，较大的变形受到约束时容易引起开裂，这取决于混凝土自身组成材料、配合比以及其所处环境和约束条件。大多数的混凝土裂缝属于非荷载裂缝，其中因不均匀收缩、温度等因素造成的混凝土早期开裂，是非荷载裂缝的主要原因之一。本文简单分析了几种常见的混凝土早期开裂的原因，并提出了一些抗裂措施。

1．混凝土早期开裂的力学分析

混凝土是一种非均质的复杂多相复合材料，在其微观结构相组成之间主要的结合力是范德华力。因此其抗拉强度远低于抗压强度。当混凝土内部产生拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝。那么，混凝土发生开裂的条件就是：在约束下变形产生的拉应力超过实时的抗拉强度。理想状态下混凝土早期开裂公式：

―混凝土所受的实时拉应力

―拉应力与约束变形的相关系数

―约束变形。无约束的自由变形=0

―混凝土的实时抗拉强度

从上面公式看可以看出，不受约束的自由变形不会产生应力；抗拉强度足以抵抗所产生的拉应力时则不会开裂。然而，早期混凝土的抗拉强度极低，其更容易形成早期裂缝。

2．混凝土收缩开裂的机理及防裂措施

2.1干燥收缩裂缝

干燥收缩是指混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。随着环境中相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大。混凝土早期内部的水分主要以自由水、吸附水、结晶水的形式存在。混凝土暴露在干燥的空气中先失去自由水，其次是存在毛细孔和凝胶孔的吸附水。由于在大多数情况下，混凝土不会连续暴露在使水泥浆体中C―S―H失去结构水的相对湿度下，故引起收缩的主要是失去自由水、毛细孔和凝胶孔的吸附水。

混凝土的干缩是由表面逐步扩展到内部的，在混凝土中呈现湿度梯度，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，致使表面混凝土承受拉力，内部混凝土承受压力，当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时，混凝土便产生裂缝。

混凝土内的固体水泥浆体体积会随含水量而改变，而骨料对水泥浆体体积的变化则起很大的约束作用，约束变形使混凝土产生拉应力，如果该拉应力大于其抗拉强度时，便产生裂缝。混凝土刚拆模后表现尤为明显，这时混凝土的强度很低，干缩却非常大，同时由于混凝土拆模后和空气接触使周围空气温度上升，由此导致周围空气的湿度降低，进一步加大了混凝土干缩。

因此为了避免或者尽量减少干燥收缩，应加强混凝土早期养护，保证早期混凝土表面相对湿度不低于100%；配合比设计时应尽量采用较小水胶比和砂率，以及尽量降低胶集比；在满足施工要求的条件下,尽量采用较小的混凝土坍落度。冯乃谦等讨论了众多引起混凝土裂缝的问题,提出减少用水量,提倡用粉煤灰混凝土以对付混凝土的干缩[1]。

2.2 化学收缩裂缝

由水泥水化反应而引起的混凝土体积变小称为化学收缩。水泥水化反应的主要产物是C-S-H凝胶，水泥水化的过程也是混凝土体积减小的过程。大部分硅酸盐水泥在水化后体积总减少量为7%～9%，在硬化前，所增加的固相体积填充原来被水所占据的空间，使混凝土密实，而宏观体积减缩。而混凝土并非均质材料，不均匀有约束的收缩会引起混凝土的开裂。从硅酸盐水泥的组分矿物来分析，C3A(铝酸三钙)水化后体积减少量可达23%左右，是化学收缩最严重的矿物， 其次分别是C4AF(铁铝酸四钙)、C3S (硅酸三钙) 、C2S (硅酸二钙)。

因此混凝土中水泥用量越多，混凝土的化学收缩也越大。在水泥品种方面，水泥中C3A (铝酸三钙)含量越高，混凝土的化学收缩也越大。在配合比设计的时候尽量减少水泥用量，同时选择C3A (铝酸三钙)含量低的水泥。

2.3 沉降收缩裂缝

混凝土浇灌振捣后，骨料颗料悬浮在一定稠度的水泥浆体中，浆体的重量密度较低， 对于W/C= 0.6 的浆体而言，大概只有骨料重度密度的一半，所以骨料在浆体中有下沉趋势,而浆体中的水泥颗粒又远重于水，使得新拌混凝土中的水泥向上转移， 即发生沉降与泌水现象， 形成竖向体积缩小沉落， 这种沉落直到混凝土硬化时才停止。骨料沉落若受到钢筋、预埋件、模板、大的粗骨料以及先期凝固混凝土的局部阻碍。或混凝土本身各部分沉落不同就会产生沉降收缩裂缝。

在混凝土配合比设计过程，尽量降低水胶比，降低浆集比，使混凝土具有较好的和易性，从而达到减少沉降收缩裂缝的形成的目的。

2.4 塑性收缩裂缝

这种裂缝发生在混凝土浇筑后数小时、硬化之前仍处于塑性状态的时刻。塑性阶段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而产生的收缩，多见于道路、地坪、楼板、箱梁等大面积的工程，以夏季有风的情况下施工最为普遍。混凝土在新拌的状态下，拌和物中颗粒间充满水，混凝土浇筑后表面没有及时覆盖， 受风吹日晒， 表面游离水蒸发过快，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，则会造成毛细管中产生负压，使浆体产生急剧的体积收缩， 而此时混凝土强度很低， 不能抵抗这种变形应力而导致塑性收缩裂缝。

影响塑性收缩开裂的外部因素是风速、环境温度、凝结时间和相对湿度等，内部因素是水灰比、辅助胶凝材料、浆集比、混凝土的温度；延缓混凝土凝结速率等措施都能控制塑性收缩，最有效的方法是终凝前（开始常规养护）保持混凝土表面的湿润，如在表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等。

3．混凝土温度引起开裂的机理及防裂措施

3.1混凝土温度裂缝

在施工过程中，混凝土工程，特别是大体积混凝土由于温差过大，引起混凝土内部温度应力，造成混凝土开裂。温差一般分为共时温差(在同一时间内，结构内任意两点的温度差值)和历时温差(同一结构在任意两个时间的温度差值)。混凝土温度导致开裂病害一般都是由于共时温差引起的。

共时温差的影响：混凝土结构， 特别是大体积混凝土结构浇灌后，在硬化期间水泥释放出大量的水化热而不易散发，内部温度不断上升，达到较高温度，而混凝土表面散热较快，使混凝土表面和内部温差较大。如果施工过程中注意不够或拆模过早；或冬季施工，过早拆除保温层； 或受到寒流袭击，均会导致混凝土表面温度急剧变化，使混凝土内外产生较大的温差，在混凝土内部形成温度应力，而混凝土早期抗拉强度和弹性模量很低，使混凝土结构破坏。深进的和贯通的温度裂缝大多数是由于结构降温差较大，受到外界的约束而引起的。

混凝土实际的升温过程和达到的峰值温度以及随之而来的降温过程取决于许多因素，主要有：环境大气温度， 混凝土的入模温度， 模板的类型(热学性能) 及拆模时间， 混凝土外露表面与其体积的比值， 混凝土浇筑后的截面厚度， 水泥类别与水泥用量，拆模后是否有隔温措施， 以及养护方法等等。混凝土表面温度裂缝的走向无一定规律性。梁、板式结构或长度较大的结构，裂缝多平行于短边；大面积结构， 裂缝常纵横交错;深进的和贯穿的温度裂缝， 一般与短边平行或接近于平行， 裂缝沿全长分段出现， 中间较密；裂缝宽度大小不一，一般在0.5mm 以下，且沿全长没有多大变化； 温度裂缝多半发生在施工期间，裂缝宽度受温度变化较明显，冬季较宽，夏季较细；大多数温度裂缝沿结构截面呈上宽下窄情况。遇上下边缘区配筋较多的梁，有时亦出现中间宽、两端窄的梭形裂缝。

3.2混凝土温度裂缝防治措施

混凝土早期温度裂缝有一大部分原因是因为配合比设计不当，原材料使用不当引起的。施工措施的控制能起到减少温度裂缝形成的可能。

（一）配合比及原材设计

水泥： 水泥是由C3S (硅酸三钙) 、C2S (硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)、 C4AF(铁铝酸四钙)等四种矿相组成。其中C3A(铝酸三钙)水化反应最快，集中放热量最大，C3S (硅酸三钙)次之，C2S (硅酸二钙)最小[2]。因此在水泥品种的选取上应尽量选择C3A(铝酸三钙)和C3S (硅酸三钙)含量相对较少的水泥。同时在满足要求的情况下，尽量减少水泥用量，这样可以减少水化放热量。

矿物掺合料：矿物掺和料一方面可以取代一部分的水泥，减少了水泥用量。另一方面，矿物掺和料的掺入可以延长水化的时间，避免集中放热。同时矿物掺合料掺入起到了填充和细化混凝土孔隙的作用，提高了硬化水泥石的密实度，使内部水分不易蒸发出来，减小了干缩。

外加剂：特别是缓凝型外加剂，起到延长凝结时间的作用，也避免了水化集中放热。但要注意减水剂的收缩比和泌水率，收缩比大、泌水率大的减水剂会引起混凝土较大的收缩。

纤维：聚丙烯纤维价格比较低廉，在实际工程使用较多。掺入聚丙烯纤维提高了混凝土的整体性，在混凝土基体中形成三维网格结构。纤维丝乱向分布形成了网状增强系统，聚丙烯纤维与胶凝材料具有极强的结合力，纤维的乱向分布形式可削弱混凝土的塑性收缩，从而有效地增强混凝土的韧性，减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹和裂缝。同时,无数的纤维丝在混凝土中形成的支持体系可以有效阻止混凝土骨料的离析，保证混凝土早期均匀的泌水性，从而阻碍了沉降裂缝的形成[3]。纤维本身具有限缩阻裂的作用，增强混凝土早期抗拉强度，抵抗因收缩而产生微裂缝的能力,从而抑制裂缝的生成与发展。

（二）施工控制

天气炎热的夏季，通过加入冰块等搅拌措施，降低混凝土的入模温度，从而降低混凝土的内外温差。避免在温度骤变的天气下施工，减少混凝因土温度骤变产生较大温差的可能。对于大体积混凝土，可以在混凝土结构内通冷却水管，从而降低混凝土内部的温度。采用保温法,通过保温材料、碘钨灯或定时喷浇热水等办法,以提高混凝土表面及四周散热面的温度，得以降低混凝土内外温差。

4.结论

总之，有约束的变形才会导致混凝土的开裂。引起混凝土早期开裂的因素是多种多样的，混凝土的收缩和温度应力是其开裂的主要因素之一。通过对混凝土配合比的优化设计，以及施工措施的控制，可以起到减少混凝土早期开裂的作用。所采取的各种措施也是相互作用的，比方说减少混凝土中水泥的用量在可以减少混凝土干燥收缩裂缝的同时，也可以减少混凝土的温度裂缝；注重早期的养护，既可以减少混凝土干燥收缩又可以减少混凝土塑性收缩。因此，混凝土早期防裂是综合性课题，对各种因素应该综合考虑。

参考文献

[1]冯乃谦等编著.混凝土结构的裂缝与对策[M].机械工业出版社.2006年6月.

[2]林宗寿.无机非金属材料工学.武汉理工大学出版社.2008年8月

[3] 虞孝伟等.掺聚丙烯纤维抗裂防渗混凝土的研制与应用.商品混凝土.2006年第6期.