(重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

混凝土變形開裂性能研究

郭時(shí)躍

(重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

變形開裂是混凝土材料的常見問題之一，本文通過對(duì)混凝土變形開裂的成因進(jìn)行歸納整理，介紹了實(shí)驗(yàn)室常用的研究變形開裂的試驗(yàn)方法，并提出了相應(yīng)的防治措施，旨在推動(dòng)對(duì)混凝土變形開裂研究的進(jìn)一步深入。

變形開裂；成因；試驗(yàn)方法；防治措施

0 前言

現(xiàn)代建筑中，混凝土是使用最廣泛的材料之一，它具有材料來源廣泛、強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。然而在使用過程中，混凝土普遍存在變形開裂等問題，影響混凝土的正常使用。盡管我們?cè)谑┕ぶ胁扇「鞣N措施，但裂縫仍然存在。

混凝土裂縫主要分為兩類：一類是由荷載（包括施工和使用階段的靜荷載、動(dòng)荷載）引起的裂縫，一類是由變形（包括溫度、濕度變形，不均勻沉降、化學(xué)反應(yīng)等）引起的裂縫。前者會(huì)直接導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的破壞甚至倒塌，是不允許出現(xiàn)的；后者則不一定會(huì)直接影響混凝土的承載力，但會(huì)影響混凝土的耐久性和使用壽命。本文僅就混凝土工程變形引起裂縫的成因和處理措施做一些探討。

1 引起混凝土變形裂縫的主要原因

混凝土中產(chǎn)生變形裂縫的原因：溫度和濕度的變化，混凝土的膨脹和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。

1.1 溫度的變化

混凝土由于溫度變化發(fā)生體積變形、膨脹或收縮，這是材料固有的物理特性。當(dāng)這種體積變化受到約束時(shí)就會(huì)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土便產(chǎn)生溫度裂縫。

1.2 收縮裂縫

混凝土的收縮分為自生收縮、塑性收縮、碳化收縮、干縮。自生收縮也稱硬化收縮，這是混凝土凝結(jié)硬化過程中由于化學(xué)作用引起的收縮，是化學(xué)結(jié)合水與水泥的化合結(jié)果，這種收縮與外界溫度變化是沒有關(guān)系的。自生收縮可能是正的變形，也可能是負(fù)的(膨脹）。

1.3 不均勻沉降（地基沉陷裂縫）

一般情況下，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)主體和基礎(chǔ)剛度較大時(shí)，其抵抗地基沉陷的能力還是較強(qiáng)的。但是，地基處理不滿足規(guī)范要求時(shí)，特別是在嚴(yán)重濕陷性黃土、凍脹土、膨脹土、鹽漬土、軟弱土等不良場(chǎng)地，仍時(shí)常產(chǎn)生地基沉陷（膨脹）裂縫，地基沉陷裂縫具有底層重，上層輕，外墻重、內(nèi)墻輕，開洞墻重、實(shí)體墻輕等特點(diǎn)，且大多為斜向裂縫，少數(shù)為豎向和水平向裂縫。地基沉陷裂縫首先在混凝土梁上出現(xiàn)或在梁柱交接處發(fā)生，當(dāng)上部主體結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，有時(shí)也在獨(dú)立基礎(chǔ)與柱跟處出現(xiàn)水平裂縫。

1.4 化學(xué)反應(yīng)裂縫

①堿性反應(yīng)裂縫，它是由于混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材料及水中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性物質(zhì)發(fā)生膨脹的化學(xué)反應(yīng)。如果混凝土構(gòu)件處于比較干燥的條件下，其骨堿反應(yīng)是很緩慢的，通常在進(jìn)行澆筑成型若干年后出現(xiàn)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力而開裂；但是處于潮濕和水中條件下時(shí)，則在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)裂縫。②氯離子的侵蝕裂縫，當(dāng)混凝土中使用外加劑不當(dāng)（超量氯離子的外加劑）或混凝土結(jié)構(gòu)處于有腐蝕性氣體或液體的環(huán)境中，以及施工時(shí)控制不嚴(yán)，混凝土保護(hù)層過薄或漏筋，使混凝土中鋼筋生銹，鐵銹體積膨脹，致使產(chǎn)生裂縫。在高堿性環(huán)境下鋼筋表面形成氧化鐵保護(hù)膜，而當(dāng)混凝土中堿度降低時(shí)，這層氧化膜遭到破壞，從而加速了鋼筋銹蝕使混凝土出現(xiàn)裂縫。這種裂縫多縱向順筋裂縫，嚴(yán)重者將破壞鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。

2 混凝土變形開裂試驗(yàn)方法

目前國內(nèi)外采用較為普遍的幾種研究早期開裂的試驗(yàn)方法有平板式約束收縮試驗(yàn)法、圓環(huán)式約束收縮試驗(yàn)法。

2.1 平板式約束收縮試驗(yàn)法

平板式約束收縮試驗(yàn)法試件為大小600mm×600mm×63mm的薄板,模具四側(cè)的邊框上設(shè)有兩排Φ10×100mm焊接(或雙螺帽固定)的螺栓,每邊14個(gè),底部鋪有低摩阻的聚四氟乙烯片材。試驗(yàn)結(jié)果需要得到試件表面裂縫的初裂時(shí)間、裂縫最大寬度、裂縫的數(shù)量以及總長(zhǎng)。

平板試驗(yàn)法具有如下優(yōu)點(diǎn)：處于雙向受約束狀態(tài)的板狀試件較好地符合了工程實(shí)際中的板狀構(gòu)件的開裂情況；平板法可以提供較多的約束種類，可以在板四周用鉚釘加以約束，在板底加以約束，或者二者結(jié)合等。缺點(diǎn)是板式約束收縮試驗(yàn)影響因素較多，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)試件尺寸、材料特性、環(huán)境狀況等的依賴性很大，不利于相互比較及標(biāo)準(zhǔn)化；約束程度不可預(yù)見，想進(jìn)行精確的理論分析也比較困難。

2.2 圓環(huán)式約束收縮試驗(yàn)法

目前,圓環(huán)法是各國研究者們研究水泥基材料早期開裂敏感性時(shí)較普遍采用的一種方法。在內(nèi)、外鋼環(huán)之間澆注環(huán)形混凝土、砂漿或凈漿試件,拆除外模后,內(nèi)鋼環(huán)對(duì)試件收縮起到約束作用,因此試件內(nèi)部將產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度,試件即開裂。圓環(huán)式約束收縮試驗(yàn)法存在如下假定:認(rèn)為環(huán)向應(yīng)力沿環(huán)均勻分布;忽略徑向應(yīng)力;忽略高度方向邊界和重力的影響。在假定成立的條件下,認(rèn)為環(huán)處于環(huán)向均勻受拉狀態(tài)。

圓環(huán)試驗(yàn)法有諸多優(yōu)點(diǎn):試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,試驗(yàn)方法易操作;鋼環(huán)可以為試件環(huán)的收縮提供足夠的約束,比起單軸約束試驗(yàn),有效地克服了施加端部約束的困難和易產(chǎn)生偏心等缺點(diǎn);因?yàn)樵嚰妮S對(duì)稱特性,同一半徑上的應(yīng)力大小比較均勻,并且可通過測(cè)量鋼環(huán)內(nèi)壁上的應(yīng)變來計(jì)算試件中應(yīng)力;在一定的范圍內(nèi),試件尺寸、邊界情況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大,易于推廣及標(biāo)準(zhǔn)化,有利于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。但也有其不足之處:物理意義不直觀,混凝土受力狀態(tài)與實(shí)際工況不符;約束程度不明確;內(nèi)表面與鋼材相接觸成為密閉狀態(tài),收縮狀態(tài)表里不均一;只能用于素混凝土以及砂漿的試驗(yàn),而無法應(yīng)用于配筋試件。

3 混凝土變形開裂防治措施

必須控制好原材料的質(zhì)量，特別是砂石的含泥量，它對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度及收縮變形影響很大。對(duì)大體積混凝土來說，盡可能在保證強(qiáng)度的前提下，減少水泥的用量，可以用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰取代一部分水泥，這樣既可降低成本又能夠降低水化熱，減少混凝土收縮，對(duì)防止裂縫是有利的。嚴(yán)格控制混凝土的水灰比，混凝土的水灰比越大，其體積收縮也就越大，特別是在混凝土初凝時(shí)水灰比過大將出現(xiàn)大量不規(guī)則的裂縫。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，使混凝土表面保持濕潤(rùn)狀態(tài)，不斷補(bǔ)充蒸發(fā)的水分，這樣既可以防止混凝土的干縮裂縫，又可以加速混凝土的水化，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。對(duì)大體積混凝土加強(qiáng)保溫養(yǎng)護(hù)，是減少溫度裂縫的最有效的措施。大體積混凝土的保溫養(yǎng)護(hù)可以采用草袋同塑料薄膜聯(lián)合使用，用草袋進(jìn)行保濕，用塑料薄膜保溫，保溫層的拆除應(yīng)根據(jù)測(cè)溫情況而定，要確認(rèn)內(nèi)外溫差低于 25℃時(shí)方可拆除，避免因?yàn)榻禍厮俣冗^快而引起混凝土開裂。嚴(yán)格控制水泥、外加劑及摻合料的含堿量。同時(shí)對(duì)其骨料應(yīng)進(jìn)行堿活性測(cè)定，從根本上避免堿骨料反應(yīng)發(fā)生。摻加纖維是提高混凝土抗拉強(qiáng)度和韌性、預(yù)防開裂和改善抗?jié)B性的有效措施。纖維隨機(jī)均勻分布于混凝土之中，與水泥石基體之間形成良好的粘結(jié)力，能夠有效減小各類收縮，同時(shí)通過粘結(jié)力將變形能量分散，有效提高混凝土的韌性，避免開裂。

4 結(jié)語

混凝土是活性材料，在其水化及與外界環(huán)境相互作用的過程中不可避免地產(chǎn)生了各類收縮變形?；炷劣质谴嘈圆牧?，其抗拉強(qiáng)度很低。當(dāng)收縮變形受到約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土便會(huì)產(chǎn)生開裂，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、滲透性及耐久性。因此，深人探究各類收縮變形的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及解決辦法，對(duì)于提高混凝土的耐久性具有重要的意義。

[1]吳中偉，廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中國鐵道出版社，1999.

[2]中國土木工程學(xué)會(huì)·混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南,2003

[3]覃維祖.混凝土技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展前景[J].施工技術(shù)，2006，（4）：1- 4.

[4]鞠麗艷.混凝土裂縫抑制措施的研究進(jìn)展[J].混凝土,2002(5):39.

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