混凝土结构产生裂缝的原因及控制的必要

! 混凝土结构产生裂缝的原因及控制的必要
　　混凝土是一种非均质的复杂多相混相材料，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。因此，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，也就是说必须同时考虑三个条件：变形的大小、约束的程度、实时抗拉强度。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。也就是说不能笼统地认为收缩必然开裂。所产生的应力大小和实时的弹性模量有关，和能够松弛应力的徐变有关；是否引起开裂还和混凝土的抗拉强度有关。
　　凡是组成良好并经适当捣固和养护的混凝土，只要内部孔隙和裂缝尚未形成相互连接而直达表面的通道，则基本上是水密性的；在使用中，结构的荷载以及大气环境的影响如冷热交替、干湿循环，可使这些内部微裂缝发展并传播，成为环境中侵蚀性介质浸入的通道[1]。早期裂缝控制的意义在于，已有裂缝的扩展比新生成裂缝容易。
　　可能引起开裂的变形主要是收缩，影响最大的早期收缩如下：
　　干缩：停止养护后，环境相对湿度低于100%，混凝土干缩即开始；在干燥的空气中，收缩会持续进行，甚至在28年后仍能观察到一些变化[2]。对于普通混凝土，28天收缩约40%, 3个月收缩60%左右，180天收缩约70%，1年收缩平均75%，完全收缩的时间可长达20年。完全干缩值为10000微应变，F. M. Lee曾实测到4000微应变[2]。影响收缩的主要因素是骨料的品种和用量。当骨料品种一定时，单方混凝土中骨料用量越大，即浆骨比越小，则干缩越小。骨料的“骨架”作用即在于此。当水泥(或胶凝材料，以下同)用量不变时，水灰比(或水胶比，以下同)越大时，浆骨比越大，干缩也越大。因此混凝土的配合比中应当尽量减小用水量。
　　温度收缩：随着水泥实际强度的提高、比表面积的增大，水化热也相应较大，再加上因要求混凝土具有较高早期强度而使用较大的水泥用量，使现在用于厚度为30cm的混凝土构件也需要控制内部温度的变化。混凝土温度每下降15℃时，收缩约150微应变。例如抗压强度约30MPa的混凝土，其弹性模量为约30GPa(按我国结构设计规范)，则在约束下可产生弹性拉应力约4.5MPa，而30MPa的混凝土的直接抗拉强度约为2 .7MPa。常有工程中的混凝土拆除模板时就发现已产生裂缝，显然是由温度变形所致。
　　自收缩：是在与外界无水分交换情况下因水泥水化消耗浆体内部自身的水分而产生的。自收缩从混凝土初凝就开始产生，在1天以内发展最快，3天以后减慢，此后就发展得很缓慢了。自收缩不同于化学收缩，但由化学收缩引起。化学收缩的原因是水泥和水发生水化反应，产物的固相体积增大，而与反应前水泥与水的体积之和相比则减小，故也称化学减缩。化学收缩在初凝前导致整个体系体积减缩，在初凝后导致体系产生孔隙，而对体系体积无影响；自收缩则导致毛细孔收缩而产生体系的收缩。胶凝材料(包括水泥和活性掺和料)的活性越大、水灰比越低，则自收缩越大。例如根据安明喆的试验[3]，w/c=0.36时，3天自收缩约100微应变，而w/c=0.275时，3天自收缩可超过270微应变。
　　按目前的标准方法（GBJ82-85）检测水泥或混凝土收缩值，检测不到全部的自收缩值，而是停止养护 (1天或3天)后的干燥收缩和一小部分自收缩值。而所测不到的那部分自收缩值恰恰是影响早期开裂的重要部分。水灰比越低，这部分所占比例越大 [4]，而混凝土的总收缩几乎和水胶比无关。在目前大量使用较低水灰比和较大水泥用量的混凝土中，早期收缩最重要的就是温度收缩和自收缩；如果拆模较早而养护不当，则早期还可产生较大的干缩。
　　由于近年来混凝土所用的水泥强度高，尤其是早期强度高，混凝土水灰比较低，使混凝土温度变形和自收缩变形较大，即使早期未开裂，已产生的应力未消除，在后期使用阶段有时因外界条件如急剧的温度和湿度的变化，又会有新的应力生成，与已有应力叠加后如果超过混凝土实时的抗拉强度，就有可能在原有不可见微裂缝处扩展成可见的裂缝。因此控制混凝土早期内部的应力尽量减小，才是提高混凝土耐久性最重要的环节。为了减小早期内部应力，就要减小温度变形和自收缩变形，同时尽量避免高早强以降低早期弹性模量，增大早期徐变。
　　2、裂缝控制总则
　　影响开裂的因素很复杂，往往不是单一因素造成的。控制裂缝也不只是施工人员和混凝土生产者的事，而是涉及包括设计、混凝土及其原材料生产、施工甚至监理和业主（开发商、房主或政府主管）在内各方面的责任。因此需要各方共同努力解决，但是混凝土的施工，包括混凝土原材料的控制、混凝土的制备和现场施工的各个环节，则对于控制早期裂缝、减小后期开裂倾向、保证实现设计的混凝土结构耐久性是至关重要的。不能把施工看成什么人都能干的事，相反，需要知识面很宽的、能运用哲学思想（例如能根据具体情况，具体分析，具体处理工程中的问题）的管理人员和技术人员共同筹划、决策和把关。
　　混凝土施工中影响混凝土质量的并不只是养护的问题；养护也不只是浇水保湿的问题，而是包括模板种类、浇筑方式、浇筑顺序、振捣方法等的选择，以及混凝土内部温度的控制、拆模时间和方式等等各方面的内容。由于现代水泥成分中较高水化速率的组分因素增加，即使不是早强水泥的品种，水化放热速率也都加快，加之，为耐久性而设计的混凝土水胶比低，混凝土的自收缩变形和温度变形都会较大，上述施工的各环节就更加重要。
　　每项工程施工前，应针对不同工程的特点、环境、施工季节、条件，由监理(必要时可还有甲方代表参加)和技术人员按照设计要求，参考本指南和有关混凝土结构施工验收规范，共同制定具体保证措施和实施计划。
　　混凝土的制备应当密切配合混凝土的施工，提供混凝土合适的流变性能和浇筑温度，并且应当做好售后服务，跟踪混凝土施工中重要阶段的质量控制。国内已有混凝土生产企业做到了“混凝土生产和施工现场浇筑及质量控制的一体化”，这是很值得提倡的。但是要做到这一点，在经济核算和责任方面必须有相应政策性的调整。
　　3、混凝土的制备和运输
　　混凝土的生产者应当改变只按强度要求购买原材料的观念，而应更关心水泥的抗裂性能以及与抗裂性有关的指标以及含碱量，美国垦务局的Burrows根据现场监测和其他科学家的实验认为即使所用骨料没有碱活性，含碱量超过水泥质量的0.6%时，也会因为促进水泥增大收缩而降低抗裂性，K2O比Na2O的影响更大[5]。更应关心所供应的水泥质量稳定性（对主要性能指标，要求厂方提供其标准差）。水泥的实际强度不应超出标称强度太多，如果考虑储存，则一般要求富余系数约1.13倍即可。如果立即使用，则富余系数为1.10即可。高强度等级的水泥由于比表面积大，强度不易保持。例如某工程C40混凝土使用的42.5硅酸盐水泥，复验28天实际抗压强度可达67Mpa，C60混凝土用52.5水泥，复验28天实际抗压强度则为64Mpa，二者相差无几。这种水泥超强度太多，抗裂性很难控制。此外，购进散装水泥的温度常常很高，甚至可达到90℃，入仓后散热较慢，对混凝土的早期抗裂性不利，需要与水泥厂协商解决，或自行解决配制混凝土前水泥的散热。
　　任何工程必须根据本工程原材料、工艺条件、施工水平，选择合适的配合比进行试配，当原材料变化时还要进行调整，不能使用现成的“配方”。
　　应根据试配优选的配合比检测混凝土的抗裂性能和收缩值。由于混凝土自收缩在初凝时就开始，即使没有条件检测，也应在终凝后尽早测定初长。试件的养护条件应与现场实际养护条件相当。例如现场构件湿养护7天，则试验试试件也应湿养护或密封养护7天，则7天内所测收缩可包含一部分自收缩值，撤除养护后继续检测的收缩值主要是干缩。除按标准制作检测抗压强度的试件外，要检测1天的抗压强度。有条件时，最好能测定直接抗拉强度，以便控制混凝土内部应力始终低于其抗拉强度。
　　重要工程混凝土性能宜在现场制作模拟试件钻心取样进行检测。
　　热天施工的混凝土可掺入适量缓凝剂和引气剂，以延迟温峰的出现，并抑制初期强度的发展。但不可过于缓凝，否则可能引起后期的开裂。
　　掺用粉煤灰后混凝土拌和物粘聚性增加，达到相同流动度的流动速率减小，但与容器的粘附力下降，而且触变性明显，国内外都有经验表明，大掺量粉煤灰的混凝土拌和物坍落度大于100mm即可泵送[6]。坍落度不要太大，有利于控制裂缝。但这必须有级配和粒形良好的骨料为前提。为了方便浇筑和振捣，对中等强度的混凝土，目前宜控制在140±20mm。坍落度可用减水剂调整。
　　热天用的砂石料场应当有棚子以遮盖直射的阳光和雨水，冷天要保温，避免其中的含水结冰。在砂石料场取料时，应取用距底部以上300mm以上的砂石。含水率以饱和面干计，每天检测应不少于两次，如下过雨，则应增加检测次数。
　　搅拌机称量装置应定期校核，并经过试验控制下料的冲量。
　　运送混凝土拌和物的输送车在装料前，筒体应湿润，但不得积水。