混凝土塑性裂缝产生机制及对策

研究生课程考核试卷

科目：建设工程质量控制与管理教师：王冲

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专业：建筑材料类别：学术上课时间：2015 年 3 月至2015 年 5 月考生成绩：

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混凝土塑性裂缝产生机制及对策

摘要：塑性裂缝是一种常见的混凝土早期裂缝，发生以后会影响混凝土外观质量和耐久性。本文简述了塑性裂缝形成的毛细管应力机理和塑性沉降机理，并讨论了塑性裂缝的影响因素及预防措施。

关键词：塑性裂缝、产生机制、影响因素、预防措施

1 前言

混凝土是目前使用量最大、应用最广泛的一类建筑材料，但是许多混凝土结构在建设与使用过程中出现了不同程度、不同形式的裂缝。这不仅影响建筑物的外观，更危及建筑物的正常使用和结构的耐久性。因此，裂缝问题倍受人们关注。混凝土裂缝从成因上分通常有两大类：结构性裂缝和非结构性裂缝。结构性裂缝是指由于荷载不当或过大造成混凝土构件的强度或刚度不足，裂缝的宽度失去控制而引起的较为规律的裂缝。这类裂缝会危及到结构的安全，必须对其进行补强。一般来说，这类裂缝在混凝土构件施工和使用阶段都可能出现。非结构性裂缝是指由于施工、材料、温度等原因引起的裂缝，一般这类裂缝都较有规律，并且会影响到建筑的正常使用和混凝土的寿命，必须加以处理。这类裂缝一般仅在施工阶段出现。[1]非结构性裂缝主要包括塑性收缩裂缝、自生收缩裂缝、干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝等几种形式。

塑性收缩裂缝和干缩裂缝不同，虽然都是由于混凝土失水产生的表面张力引起，但干缩主要是由混凝土终凝后内部水泥石的孔隙（气孔、毛细孔、凝胶孔）水蒸发而产生，干缩量随龄期逐渐增长，形成的干缩裂缝一般垂直于长度方向或在边角呈45°；塑性收缩是由于混凝土终凝以前表面失水引起毛细管压力而产生的表面收缩，裂缝在混凝土终凝之前形成，一般分布不规则，易出现龟裂状。

图1塑性裂缝示意图

塑性收缩是指发生在水泥浆、砂浆或者混凝土凝结前的收缩。塑性收缩发生在混凝土成型后的几小时内，此时混凝土仍为塑性状态，无法提供足够的强度抵抗收缩应力。[2]当收缩拉应力超过一定值时，就会引起混凝土塑性开裂。塑性裂缝为有害物质提供有效的通道，且相比硬化混凝土，此时有害物质更易渗入混凝土，同时塑性裂缝为后期其他收缩提供开裂的基础。[3]这都将导致混凝土的强度、耐久性以及外观受到影响，因此必须严格控制混凝土塑性收缩开裂。

2 塑性裂缝产生机制

塑性裂缝的产生形式主要分为塑性收缩和塑性沉降两种，两者有时没有明显区别，相互交织在一起。塑性沉降出现在混凝土浇筑后半小时直到混凝土硬化时方停止。当塑性沉降受到抑制时也要产生裂缝。一般来说，塑性沉降裂缝是由沉降差异，即剪切应力产生的裂缝，而塑性收缩裂缝是由约束塑性收缩，即由新拌混凝土中的拉伸应力产生的裂缝。[4]

2.1 塑性收缩

塑性收缩裂缝是指硬化前的混凝土在凝结过程中因表面水分蒸发而引起的干缩裂缝，常见于浇筑后混凝土构件的表面，尤其是大块混凝土板面。新拌混凝土的收缩过程大体如图1所示。在阶段Ⅰ，速度大于蒸发干燥速度，混凝土表面不会出现收缩现象；在阶段Ⅱ，蒸发速度大于泌水速度，混凝土表面开始收缩，但由于此时的混凝土有足够的塑性，能适应提及变化而不开裂；在阶段Ⅲ，混凝土因凝结而变稠，塑性降低，而蒸发又继续不断进行，就有可能引发塑性开裂；在阶段Ⅳ，混凝土终凝后硬化，混凝土的塑性干燥收缩结束。[5]

图2混凝土塑性干缩与时间关系

当新鲜混凝土表面水的蒸发速度大于混凝土的泌水速度时，水的蒸发面由表面（图3-a）深入到新鲜混凝土浆体表面以内，使蒸发面形成凹液面（图3-b），凹液面产生的毛细管压力使固体颗粒之间产生引力。在第一阶段（图3-a），颗粒

之间距离较大，形成的毛细管压力较小。进入第二阶段（图3-b），颗粒之间的水形成弯液面而且曲率半径不断减小，毛细管压力也随之显著增大，并达到最大值，此时的毛细管压力称之为临界压力（或突破压力）。进入第三阶段（图3-c），由于水泥水化的不断进行，混凝土表面的水不能填充所有空隙而呈非连续状态，毛细管压力随之迅速降低。[6]

图3新鲜混凝土液面的不同发展阶段

混凝土在浇筑后的最初几个小时，在干燥或炎热气候条件下，当蒸发速率超过了泌水达到表面的速率时，在靠近表面的粒子（水泥和骨料）之间的水将形成复杂的弯月面体系（如图4）

图4毛细管压力简图

Powers[7]提出如下计算毛细管压力的计算公式P=1×10−3γS/(w/s)，公式中P为颗粒之间的毛细管压力，γ为水的表面张力，s为颗粒的比表面积，W/C 为混凝土的水胶比。Wittman[8]已用试验证实了毛细管压力和塑性收缩之间的相互作用，它们之间存在着直接关系。由Laplace方程可得毛细管压力Pc=σ(1/R1+1/R2)，公式中σ为液体表面张力，R1和R2液体表面曲线半径。由公式可知，被布满毛细管的液体分隔开的粒子之间常存在的引力大小与几何尺寸和表面张力有关。新拌混凝土中所有单个粒子相对于其他粒子来说是运动着的。因此，较小的引力就可减小粒子之间的平均距离。这样一来，整个体系就变得密实了。随着水化作用的继续，最初分离的粒子被逐渐地相互固定住且最终形成了一个固体骨架。随后毛细作用就很快停止了。

2.2 塑性沉降

混凝土浇筑后，由于浆体的密度比骨料小、水泥颗粒又重于水，骨料在浆体中有下沉趋势，而水分则向混凝土表面转移。当垂直下沉的固体颗粒迂到水平设置的钢筋或紧固螺栓等埋设件处，或受到侧面模板的摩擦阻力时，就会受到阻拦并与周围的混凝土形成沉降差，导致在混凝土顶部表面处造成塑性沉降裂缝。此外，如果同时浇筑梁、板或柱的混凝土，由于这些构件的深度不同，有着不同的沉降，从而在这些构件交接面处形成沉降差并产生塑性裂缝。[9]混凝土的坍落度越大，产生沉降开裂的可能性也越大。在接近表面的水平钢筋上方最容易形成沉降裂缝，并随钢筋直径加粗和保护层减薄而越趋严重。当保护层过薄时，塑性沉降裂缝甚至会伸入钢筋表面并沿着钢筋通长发展形成纵向裂缝（见图5）。[5]与塑性收缩裂缝不同，塑性沉降裂缝有明确的部位和方向性，通常沿着钢筋延伸发展或在不同深度构件结构改变处易出现沉降裂缝。

图5保护层厚度、钢筋尺寸、塌落度对沉降裂缝的影响

3 影响塑性收缩裂缝的因素

3.1 环境因素

当水分蒸发率很高时，新拌混凝土通常易产生塑性收缩裂缝。虽然对水分蒸发速率的测试提供了关于干燥强烈度的有价值的信息，但决不能在任何情况下都能把它用来预测塑性收缩裂缝是否出现的指标。水分蒸发速率1.0 Kg/m2/h这个门槛值被建议用于混凝土，这就意味着当蒸发速率超过此值时就应对混凝土表面水分蒸发采取恰当的预防性措施。[10]

高温、高风速和低相对湿度都会引起水分蒸发率较高，另外还有太阳辐射也在蒸发和塑性收缩裂缝形成过程中起着关键性的作用，这些环境因素对塑性收缩