混凝土早期收缩裂缝成因分析及控制措施

第7卷　第7期　2007年4月167121819(2007)721495204科　学　技　术　与　工　程

Science Technol ogy and Engineering

Vol17　No17　Ap r12007

Ζ　2007　Sci1Tech1Engng.

建筑技术

混凝土早期收缩裂缝成因分析及控制措施

尹玉先1,2 杨新华1

(华中科技大学1,武汉430074;平顶山工学院2,平顶山467001)

摘　要　围绕混凝土早期收缩裂缝这一主题,分析了混凝土早期收缩裂缝形成的原因,从工程现状的角度,总结出相应控制措施,提出“早期养护为主,材料减缩为辅”的控裂理念。

关键词　混凝土　早期收缩裂缝　成因分析　控制措施

中图分类号:T U528.07;文献标识码　B

混凝土结构裂缝的出现是一个普遍现象,从微观的角度看,混凝土开裂是必然的。一般肉眼可见的裂缝宽度≥0105mm,即所谓的“宏观裂缝”;而宽度小于0105mm以下的则为“微观裂缝”。宏观裂缝是混凝土微观裂缝扩展的结果。裂缝的出现是结构构件在外力或变形的作用下引起局部应力超过材料强度的结果。

概况地讲,裂缝可分两大类,第一类是由各种外荷载(包括静荷载、动荷载)作用下产生的结构内力(如弯矩、扭矩、剪力、拉力等)及结构次应力引起的裂缝,这类裂缝称为荷载裂缝,或结构性裂缝;第二类是由各种变形作用引起的裂缝,包括混凝土结构因周围环境或自身的温度与湿润变化引起的收缩裂缝、混凝土因内部含有的某些膨胀源在硬化过程中出现的胀裂,以及不均匀沉降等因素引起的沉降裂缝。大量的工程实践表明,当前工程中绝大部分裂缝主要是由于变形作用引起的,这类裂缝约占80%,而这当中收缩裂缝又占了很大的比例。通常荷载裂缝仅占20%,甚至更小,这也说明了随着设计理论的进一步完善,这类裂缝是可以得到很好地控制的。

根据国内外规范及相关试验资料,混凝土最大裂缝宽度的控制标准大致如下:

(1)无侵蚀介质,无防渗要求,(013～014)mm;

(2)轻微侵蚀,无防渗要求,(012～013mm);

　2006年11月20日收到

第一作者简介:尹玉先(1965—)男河南邓州人,华中科技大学硕士研究生,平顶山工学院副教授,研究方向:结构工程。

(3)严重侵蚀,有防渗要求,(011～012mm).

对裂缝的控制验算,规范(G B50010—2002)第八章给出了具体的计算公式,这是针对于荷载直接作用下的一套裂缝验算理论,经过多年实践应用与完善,该理论已相当成熟。然而,对变形等间接作用下的裂缝控制,目前仅仅是给出一些构造措施,也就是说对变形因素作用下的裂缝定量计算还不具备理论支持,这是目前规范所欠缺的。当然,这是变形裂缝本身的复杂性决定的,国外规范对此也未有很好的计算理论。随着当前混凝土趋于高性能化,新的材料不断出现,以及人们对结构耐久性的逐渐重视,很多新的问题或者一直被忽视的现象亟待解决与研究,尤其是涉及混凝土早期性能方面的。

混凝土早期裂缝主要是由伴随水泥水化发生的温度与湿度变化引起的各种体积变形(主要是自收缩、干燥收缩、温度变形)造成的,而早期混凝土的各种性能本身又是在不断发展变化当中,影响因素又众多。因此,对这一问题的研究涉及到热力学、物理化学、断裂力学、流变力学、计算力学、扩散理论等诸多学科,是一个多学科交叉的复杂边缘问题。

1　混凝土早期开裂成因分析

近10多年来,混凝土早期开裂问题越来越严重,很多结构在施工期间便出现不同程度的裂缝,一些大坝、桥面板在浇筑后(2～3)d内就出现了贯穿性裂缝,许多现浇梁、板在刚拆除模板甚至浇筑后6

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～12h内就出现了不同程度的裂缝。一些现浇梁、板甚至在拆模或养护过程中便出现了裂缝。大家知道,早期使用荷载尚未作用,而施工荷载或自重通常可以通过支撑结构传递;也就是说,早期因荷载因素造成的混凝土裂缝并不是主要的。可以认为,90%以上的“早期裂缝”是由于变形因素造成的;确切地讲,应该是收缩作用的结果。引起混凝土收缩的驱动力可分为两类:温度作用与湿度作用。温度收缩包括大体积混凝土中因水化急剧温升后导致的温降收缩(一般混凝土中也存在这一温度收缩,只是不显著),以及因昼夜温差或季节温差引起的温度收缩。湿度相关的收缩包括混凝土因内、外湿度条件引起的各种收缩,如干缩、自收缩、塑性收缩、碳化收缩。值得注意的是,温度作用与湿度作用引起的收缩是同时发生,相互作用的。

111　温度收缩

温度收缩主要是混凝土在水泥水化放热出现温峰后的降温过程中产生的。水泥在早期水化过程中将放出大量的热,在没有缓凝剂的条件下,通常在开始时出现温度峰值。随后,由于水化,放缓放热减小,在与外界环境热交换下温度开始下降。由于混凝土内、外散热条件的不一致,表层混凝土温度降低得快,沿混凝土截面出现温度梯度,使得温降过程中出现的收缩沿截面不一致,从而将导致表层混凝土受拉。事实上,在最初水化的过程中也会因温度的升高而产生温度膨胀;但由于此时混凝土通常还是流塑性状态,且温升过程迅速,因而沿截面也相对均匀;因此,温升膨胀过程对混凝土的抗裂影响不大。而随后的散热降温过程,由于较为缓慢、均匀性又较差,且混凝土已逐渐硬化,往往在这一过程中出现温度收缩裂缝。除了水化热引起的温度收缩外,由于昼夜温差或季节性的温度变化也会引起相应的温度变形。

112　塑性收缩

塑性收缩发生在混凝土终凝前的塑性阶段,通常在浇筑后(4～15)h出现,绝大部分发生在初凝前的流塑性阶段。这一阶段水泥水化反应激烈,出现泌水、水分急剧蒸发以及骨料与浆体的不均匀沉降等现象。塑性收缩又可以细分为失水凝缩、化学减缩(或化学收缩)、沉降收缩三类。

11211　失水凝缩

新拌混凝土在激烈的水化过程中,出现泌水或因受外界温、湿度的作用(阳光照射、风吹),水分从混凝土内部向外迁移,并在表面迅速蒸发,造成失水凝缩。这类收缩多发生在干热与刮风天气中。11212　化学减缩

它的产生与外界湿度变化无关,主要是由于水泥熟料与水起化学反应的过程中,反应后生成物的平均密度比反应物小,从而产生了体系的体积收缩。若所选用的水泥品种的水化产物中化学结合水量越大,则最终的化学减缩量也越大。

11213　沉降收缩

这类收缩形成原因是混凝土组成材料在浇捣后发生不均匀沉落,出现分层离析现象,粗骨料下沉,水泥净浆上浮。当受到钢筋或预埋件等阻挡时,使混凝土相互分离而开裂。这在现浇钢筋混凝土结构中,尤其在采用泵送施工的混凝土工程中经常出现。

早期的塑性收缩裂缝通常是以上三类收缩共同作用的结果,这类裂缝发生在混凝土表面,裂缝较浅,中间宽、两端细,长短不一,且互不连贯。在养护不良的地方极易出现,呈龟裂状。

113　干燥收缩

干燥收缩通常是混凝土停止养护后,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。随着相对湿度的降低,水泥浆体的干缩增大。干缩主要发生在浇筑后(3～90)d龄期内;事实上,若养护不好,早期(龄期<3d前)的干缩相当大。干缩是混凝土浇捣3d以后的最主要收缩组成部分,在后期,干缩的发展往往与荷载因素共同作用,从而加速裂缝的产生。

114　自收缩

混凝土的自收缩是指混凝土在没有与周围环境发生湿度交换的情况下发生的体积变化,它是水泥水化过程中由于没有外界水供应或外界水通过毛细孔迁移到体系内部的速度小于水化耗水速度时引起的混凝土内部的自干燥过程导致。

115　碳酸化收缩

碳酸化收缩的是由于碳酸化作用所产生的游离态水蒸发引起的浆体收缩。碳酸化作用是指大气中的CO

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在有水的条件下与水泥水化产物作用生成CaCO3、铝胶、硅胶以及游离态水,并由此引起混凝土体积收缩变形,其实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。碳酸化收缩量的大小与水泥水化产物的碱度、

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