淺析混凝土的開裂問題

徐 馳，徐曉楓，趙揚成

(江蘇潤揚交通工程集團有限公司)

1 結構性裂縫

主要是荷載引起，表現為橫向開裂。

因此，混凝土在澆注后的養護期內，不能讓其承受荷載。

因結構性裂縫的寬度與保護層的厚度是矛盾的，英國：裂縫寬度為保護層厚度×0.04，因此對保護層的厚度應控制在3 cm左右。

圖1 混凝土受彎、受剪構件的裂縫

2 變形作用引起的裂縫(80%)

在溫度變化時，混凝土結構的伸長或縮短的變形值(△L)與長度、溫差和材料有關

式中：△L為隨溫度變化而伸長或縮短的變形值，cm;L為結構長度，cm;t2-t1為溫度差，℃;α為材料的膨脹系數，混凝土為1.0×10-5。

這個問題的關鍵是控制溫差，我們應控制溫差不大于25℃。(規范規定)。

對于大體積混凝土，它的中心點各齡期水化熱升降溫度曲線。

圖2 混凝土入模溫度28℃

為控制由溫差引起的變形而導致混凝土開裂，規范規定，一般混凝土澆注完成后，應在收漿后盡快予以覆蓋和灑水養護。對于炎熱天氣澆筑的混凝土以及橋面等大面積裸露的混凝土，有條件的可在澆筑后立即加設棚罩，待收漿后再予覆蓋和灑水養生。當氣溫低與5℃時，應覆蓋保溫，不得向混凝土面上灑水。

3 混凝土收縮變形

終凝前的收縮，主要是水分蒸發，骨料下沉，砂漿上浮。

各齡期混凝土收縮變形值εy(t)隨許多具體條件和因素的差異而變化，一般按下列指數函數表達式計算：

混凝土(鋼筋混凝土)是多相復合材料(不同的膨脹系數，不同的收縮)，內部潛伏著隨時間變化的殘余應力，在自發和誘發因素作用下引起內部與外部裂縫，混凝土微觀裂縫是不可避免，一定程度宏觀裂縫也是不可避免，就將裂縫定了有害與無害裂縫的界限。0.1～0.2mm防滲混凝土，0.3～0.4mm正常混凝土，我國允許無害為＜0.3mm。

預應力為0，因預應力鋼筋的銹蝕比普通鋼筋快，預應力混凝土不允許開裂，但混凝土的強度高C50，混凝土就易開裂，這是一個矛盾，08奧運規定混凝土不許超過設計強度30%，當裂縫寬度W≥0.02～0.05mm，就成為肉眼可見，當W＜0.02mm時，肉眼不可見。

4 混凝土裂縫控制施工計算

(1)水化熱絕熱溫升值，按下式計算。

式中：T(t)為澆完一段時間后，混凝土的絕熱溫升值，℃;mc為每立方米混凝土水泥用量，kg/m3;Qc為水泥水化熱量，J/kg，見表;c為混凝土的比熱，一般取0.92 ～1.00，取0.965/kg·k;ρ為混凝土的質量密度，取2 400kg/m3;e為常數，為2.718;m為與水泥品種，澆搗時與溫度有關的經驗系數，一般為0.2～0.4;t為混凝土澆筑后至計算時的天數d。

(2)各齡期混凝土的收縮變形值，見前三。

(3)混凝土的收縮變形換成當量的溫差，按下式計算。

式中：Ty(t)為各齡期(d)混凝土收縮當量溫差，℃，負號表示降溫;εy(t)為各齡期混凝土的收縮相對變形值;α為混凝土的線膨脹系數，取1.0×10-5。

(4)各齡期混凝土的彈性模量按下式計算。

式中：E(t)為混凝土從澆筑后至計算時的彈性模量，MPa;計算溫度應力時，一般取平均值;Ec為混凝土的最終彈性模量，MPa，可近似取28 d 的彈性模量：C20為 2.55 ×104，C25為2.8 ×104，C30為 3.0×104，C35為 3.15 ×104，C40為 3.25 ×104，C45為3.35 ×104，C50為3.45 ×104，C55為3.555 ×104，C60為3.6 ×104。

(5)混凝土的溫度收縮應力。

大體積結構(厚度大于1m)貫穿性或深進的裂縫，主要是由平均降溫差和收縮差引起過大溫度收縮應力所造成的，混凝土因外約束引起的溫度(包括收縮)應力(二維時)可按下簡化公式計算：

式中：σ為混凝土的溫度，(包括收縮)應力，MPa;△T為混凝土的最大綜合溫差，℃;T0為混凝土的入模溫度，℃，如為負則是降溫;Th為混凝土澆筑后達到穩定時的溫度，一般根據歷年氣象資料取當年平均溫度，℃;S(t)為考慮徐變影響的松弛系數，一般取0.3～0.5，(可見徐變不產生裂縫);R為混凝土的外約束系數，當為巖石地基時R=1;當為可滑動墊時，R=0;一般基地取0.25～0.5;ν為混凝土的泊松比，可采用0.15 ～0.20。

例：大型基礎混凝土采用C20，用425#礦渣水泥配制，水泥用量為275 kg/m3，水灰比為0.6，Ec=2.55 ×104MPa，T(y)=9，S(t)=0.3，R=0.32，混凝土澆筑灌入模溫度為14 ℃，當地平均溫度為15℃，由天氣預報知養護期間月平均最低溫度為3℃，試計算可能產生的最大收縮應力和露天養護期間(15 d)可能產生的溫度收縮應力及抗裂安全度。

解：由表可知，Q=335 J/kg·c;c=0.96 J/kg·k，ρ=2 400kg/m3。

混凝土15 d水化熱絕熱溫度及最大的水化熱絕熱溫度為：

由計算知基礎在露天養護期間混凝土有可能出現裂縫，在此期間混凝土表面應采取養護和保溫措施，使養護溫度加大(即Th加大)，綜合混差△T減小，使計算的 σ15小于0.975/1.15=0.85 MPa，則可控制裂縫出現。

在大體積混凝土澆灌后，根據實測溫度值和繪制的溫度升降曲線，分別計算各降溫階段的混凝土溫度收縮拉應力，如果累計總拉應力不超過同齡期的混凝土抗拉強度，則表示可采取防裂措施能有效的控制預防裂縫的出現，如超過該階段時的混凝土抗拉強度，則應采取加強養護，保溫(即使覆蓋回填土)等措施，使其緩慢降溫和收縮，提高該齡期的混凝土的抗拉強度，以控制裂縫的出現。