混凝土變形開裂性能研究

(重慶交通大學 材料科學與工程學院， 重慶 400074)

混凝土變形開裂性能研究

郭時躍

(重慶交通大學 材料科學與工程學院， 重慶 400074)

變形開裂是混凝土材料的常見問題之一，本文通過對混凝土變形開裂的成因進行歸納整理，介紹了實驗室常用的研究變形開裂的試驗方法，并提出了相應的防治措施，旨在推動對混凝土變形開裂研究的進一步深入。

變形開裂；成因；試驗方法；防治措施

0 前言

現代建筑中，混凝土是使用最廣泛的材料之一，它具有材料來源廣泛、強度高、可塑性強等諸多優點，在現代工程建設中占有重要地位。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。盡管我們在施工中采取各種措施，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、化學反應等）引起的裂縫。前者會直接導致混凝土構件的破壞甚至倒塌，是不允許出現的；后者則不一定會直接影響混凝土的承載力，但會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，以及結構不合理，原材料不合格（如堿骨料反應），模板變形，基礎不均勻沉降等。

1.1 溫度的變化

混凝土由于溫度變化發生體積變形、膨脹或收縮，這是材料固有的物理特性。當這種體積變化受到約束時就會混凝土內部產生產生拉應力，當由此產生的拉應力超過混凝土抗拉強度極限時，混凝土便產生溫度裂縫。

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，這是混凝土凝結硬化過程中由于化學作用引起的收縮，是化學結合水與水泥的化合結果，這種收縮與外界溫度變化是沒有關系的。自生收縮可能是正的變形，也可能是負的(膨脹）。

1.3 不均勻沉降（地基沉陷裂縫）

一般情況下，當混凝土結構主體和基礎剛度較大時，其抵抗地基沉陷的能力還是較強的。但是，地基處理不滿足規范要求時，特別是在嚴重濕陷性黃土、凍脹土、膨脹土、鹽漬土、軟弱土等不良場地，仍時常產生地基沉陷（膨脹）裂縫，地基沉陷裂縫具有底層重，上層輕，外墻重、內墻輕，開洞墻重、實體墻輕等特點，且大多為斜向裂縫，少數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或在梁柱交接處發生，當上部主體結構剛度較大時，有時也在獨立基礎與柱跟處出現水平裂縫。

1.4 化學反應裂縫

①堿性反應裂縫，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與骨料中的活性物質發生膨脹的化學反應。如果混凝土構件處于比較干燥的條件下，其骨堿反應是很緩慢的，通常在進行澆筑成型若干年后出現，反應生成物吸水膨脹使混凝土產生內部應力而開裂；但是處于潮濕和水中條件下時，則在較短的時間內就會出現裂縫。②氯離子的侵蝕裂縫，當混凝土中使用外加劑不當（超量氯離子的外加劑）或混凝土結構處于有腐蝕性氣體或液體的環境中，以及施工時控制不嚴，混凝土保護層過薄或漏筋，使混凝土中鋼筋生銹，鐵銹體積膨脹，致使產生裂縫。在高堿性環境下鋼筋表面形成氧化鐵保護膜，而當混凝土中堿度降低時，這層氧化膜遭到破壞，從而加速了鋼筋銹蝕使混凝土出現裂縫。這種裂縫多縱向順筋裂縫，嚴重者將破壞鋼筋與混凝土之間的粘結力。

2 混凝土變形開裂試驗方法

目前國內外采用較為普遍的幾種研究早期開裂的試驗方法有平板式約束收縮試驗法、圓環式約束收縮試驗法。

2.1 平板式約束收縮試驗法

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

平板試驗法具有如下優點：處于雙向受約束狀態的板狀試件較好地符合了工程實際中的板狀構件的開裂情況；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，或者二者結合等。缺點是板式約束收縮試驗影響因素較多，試驗結果對試件尺寸、材料特性、環境狀況等的依賴性很大，不利于相互比較及標準化；約束程度不可預見，想進行精確的理論分析也比較困難。

2.2 圓環式約束收縮試驗法

目前,圓環法是各國研究者們研究水泥基材料早期開裂敏感性時較普遍采用的一種方法。在內、外鋼環之間澆注環形混凝土、砂漿或凈漿試件,拆除外模后,內鋼環對試件收縮起到約束作用,因此試件內部將產生環向拉應力,當拉應力超過抗拉強度,試件即開裂。圓環式約束收縮試驗法存在如下假定:認為環向應力沿環均勻分布;忽略徑向應力;忽略高度方向邊界和重力的影響。在假定成立的條件下,認為環處于環向均勻受拉狀態。

圓環試驗法有諸多優點:試驗裝置簡單,試驗方法易操作;鋼環可以為試件環的收縮提供足夠的約束,比起單軸約束試驗,有效地克服了施加端部約束的困難和易產生偏心等缺點;因為試件的軸對稱特性,同一半徑上的應力大小比較均勻,并且可通過測量鋼環內壁上的應變來計算試件中應力;在一定的范圍內,試件尺寸、邊界情況對試驗結果影響不大,易于推廣及標準化,有利于對試驗結果進行分析比較。但也有其不足之處:物理意義不直觀,混凝土受力狀態與實際工況不符;約束程度不明確;內表面與鋼材相接觸成為密閉狀態,收縮狀態表里不均一;只能用于素混凝土以及砂漿的試驗,而無法應用于配筋試件。

3 混凝土變形開裂防治措施

必須控制好原材料的質量，特別是砂石的含泥量，它對混凝土的抗拉強度及收縮變形影響很大。對大體積混凝土來說，盡可能在保證強度的前提下，減少水泥的用量，可以用優質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，對防止裂縫是有利的。嚴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水灰比過大將出現大量不規則的裂縫。加強養護，使混凝土表面保持濕潤狀態，不斷補充蒸發的水分，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度。對大體積混凝土加強保溫養護，是減少溫度裂縫的最有效的措施。大體積混凝土的保溫養護可以采用草袋同塑料薄膜聯合使用，用草袋進行保濕，用塑料薄膜保溫，保溫層的拆除應根據測溫情況而定，要確認內外溫差低于 25℃時方可拆除，避免因為降溫速度過快而引起混凝土開裂。嚴格控制水泥、外加劑及摻合料的含堿量。同時對其骨料應進行堿活性測定，從根本上避免堿骨料反應發生。摻加纖維是提高混凝土抗拉強度和韌性、預防開裂和改善抗滲性的有效措施。纖維隨機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力，能夠有效減小各類收縮，同時通過粘結力將變形能量分散，有效提高混凝土的韌性，避免開裂。

4 結語

混凝土是活性材料，在其水化及與外界環境相互作用的過程中不可避免地產生了各類收縮變形。混凝土又是脆性材料，其抗拉強度很低。當收縮變形受到約束而產生的拉應力超出抗拉強度時，混凝土便會產生開裂，嚴重影響混凝土結構的力學性能、滲透性及耐久性。因此，深人探究各類收縮變形的產生機理、影響因素及解決辦法，對于提高混凝土的耐久性具有重要的意義。

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