混凝土缺陷判斷中的“破案”分析

聞寶聯

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

經常有學員發圖片或視頻給我，并詢問：“混凝土開裂了，聞老師，能幫我分析下原因嗎？”凡此時，我只得說：“你再發我幾張吧，關鍵是要把細節給我描述下，畢竟我沒在現場，不了解情況。”然后對方發了我幾張照片，描述了一下。一些常見的缺陷，我會給出參考意見，但絕大多數，我也不能很確定，因為很多描述也可能是不準確的，因為每個人的著眼點不同，可能會誤判，最終我只能回答我也不是太清楚，不結合現場不敢給明確意見，恐會誤人子弟。

實際情況確實是這樣的。就像得了感冒，表現都是一把鼻涕一把淚，鼻子也不通氣了，找到大夫，一般大夫也不會掃一眼就明確病因，肯定要詢問一些細節及患者的感覺，然后再加上化驗結果，綜合所有信息，才判斷是哪一種感冒類型，再給開藥，即便如此，也不一定準確，一樣存在誤診的風險。混凝土裂縫亦是如此。

前段我去河北某工地處理墩柱開裂問題，照片見圖1。老實說，通過這張圖可能很難看出問題，能看到的就是外觀顏色不好看，模板沒處理好，脫模用的是廢機油加柴油，裂紋很難看出來，我用另外一張與之相似的圖來說明下（見圖 2）。散碎不規則裂紋，沒有明顯方向性。

圖 1 墩柱表面

圖 2 墩柱表面裂紋示意

現場的技術員比較熟悉情況，觀察也很細心，給我介紹說剛拆模時候沒發現，后來才有的，而且很有特點，每根柱子開裂都是朝著下午陽光照射方向，他百思不得其解，問這與陽光照射有何關系？我仔細看了一下，幾根柱子確實都如此，正如他所說，西面下午朝陽方向裂紋多，其他方向也有，但東面方向很少，這很有意思。仔細詢問情況后，我提出：與下午陽光沒關系，裂紋的成因另有其他。

首先要明確的是邏輯關系，任何現象的產生都有其背后的機理，區別在于是否被知曉。比如光線的傳播一直被認為直線，費馬原理指出：真空中，光沿著最短的路徑傳播。在平直的空間中，最短兩點的連線是直線段，而在彎曲的空間中，最短兩點的連線是曲線段，這里出現了一個悖論，根據現實，曲面兩點之間直線最短。邏輯與現實發生矛盾，怎么辦？

愛因斯坦說，純邏輯沒問題。如果邏輯和現實發生矛盾，那就改變現實。兩點之間直線最短，背后的隱含假設是：空間是平直的，才直線最短。如果事實是兩點之間曲線最短，那只能打破這個隱含假設，推出一個新的關于時空的假設出來——時空是彎曲的，彎曲時空現在已經被廣泛接受，而且也被觀測和實驗證實。

這也是我在以前的文章中一直強調的，邏輯關系的重要性，違反邏輯關系的現象是不存在的，所以被認為是不合邏輯是還沒掌握相關知識，比如量子力學。

為說明前面的裂紋問題，先了解下相關知識。

首先，可以確定裂紋與材料本身相關性不強。墩柱混凝土是一段一段往上澆筑的，如果一段四周都出現一樣的問題，不排除材料問題，但如果不是這樣，基本可以排除。

其次，日照因素。面向下午日照面也就是西側有裂紋，而面向上午面也就是東側很少，日照因素也基本排除。

那么，應該是這以外的因素為主。說到這個，先了解一下風向玫瑰圖做個鋪墊。

風向玫瑰圖用圖象表示風向和風頻（用百分數表示）的原理，因形狀像玫瑰花，故得此名（見圖 3）。

圖 3 風向的十六個方位

在 16 個方位上，經多年統計，我們可以將一年、多年的風向統計資料編制成圖象，這就是風向玫瑰圖。根據玫瑰圖，把有大氣污染的企業設置在居民區最小風頻的上風地帶或常年盛行風向垂直的郊外，是最科學的。

事實上風向有明顯的季節變化，甚至是年際變化，所以通常要選取數十年的風向資料作為研究對象，比如石家莊的風向玫瑰圖（圖 4），以西北風為主風向。

圖 4 石家莊風向玫瑰圖

了解了玫瑰圖和今年三月份，也就是墩柱的施工季節溫度（圖 5）情況，下面還要了解一些空氣動力學和熱力學知識。

圖 5 石家莊 2021 年 3 月天氣

按照勢流理論，流體在圓柱體的前部流速會逐步增大而壓力會逐步減小；流體在圓柱體的后部流速會逐步減小而壓力會逐步增大。

但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的前部會形成流動邊界層，速度會從勢流流速逐步改變到壁面上的零速度，這種速度改變是以消耗流體動量為代價的，這一過程特征會保持到勢流流速達到最大值。

在其后的增壓減速過程，流場由壓力轉變來的動量會逐步地再轉變為流場的壓力，此時近壁流體不但會因動量的耗散而沒有足夠的動量轉化為壓力，而且還會在逆向壓力的作用下產生逆向流動，從而導致流體在邊界層發生分離（見圖 6）。在其后的增壓減速過程，流場由壓力轉變來的動量會逐步地再轉變為流場的壓力，此時近壁流體不但會因動量的耗散而沒有足夠的動量轉化為壓力，而且和會在逆向壓力的作用下產生逆向流動，從而導致流體在邊界層發生分離。如果流體在分離之前流動邊界層已經從層流發展到紊流，由于紊流邊界層中紊流動量交換的加強，從而使邊界層流動的分離向后推移。

圖 6 空氣流過墩柱流線和速度分布

繞流圓柱的流體當 Re＜10（雷諾數）時流動不會發生分離現象；當 10≤Re≤105時，流動分離點在 80°≤φ≤85° 之間；而當 Re＞105時，流動分離點在 φ=140° 處。雷諾數為 Re=u∞d/v，式中，u∞為來流速度，d 為圓柱體外直徑。雷諾數的物理意義是慣性力與粘性力的比值。比如取特征尺度也就是墩柱直徑d=1m，根據三月份氣象資料空氣速度取為 3～5m/s，20℃ 空氣運動粘度 v＝1.4×10-5m2/s，則 Re=21428～35714。如圖 7 所示為繞流圓柱體的表面傳熱系數沿著圓柱體壁面變化的情況。其中 Nu（努塞爾數）為對流熱導 h 與特征長度 L 的乘積除以流體熱導率 k。即：Nu=h·L/k，特征長度為墩柱直徑，這樣，導熱系數 h 與Nu 成正比。可以看出：在圓柱體的前端 φ=0° 處換熱系數 h 最大，而在分離點 φ=82° 處換熱系數 h 最小；如果在邊界層從層流變為紊流，那么轉變點 φ=140° 處有一個換熱系數 h 的最低點，紊流邊界層的分離點是另一個換熱系數 h 的最低點。

計算流體繞流圓柱體的平均換熱系數的準則關系式：

圖 7 不同雷諾數下的不同角度換熱系數

準則的特征流速為流體最小截面處的最大流速umax；特征尺寸為圓柱體外直徑 d；定性溫度除 Prw按壁面溫 tw取值之外，皆用流體的主流溫度是在選用 tf為定性溫度時考慮熱流方向不同對換熱性能產生影響的一個修正系數。

按主風向為西北風，雷諾數 Re=21428～35714，參照圖 7，雷諾數不是太大時，按圖趨勢，顯然散熱在迎風面大，然后隨著圓柱表面逐漸降低，在 80° 方向換熱系數最低，之后逐漸增大，但也要小于迎風面，而一旦風很大，大雷諾數紊流態，反而背風面散熱快。但目前的流動與傳熱特性，與西面裂紋多相悖，不符合邏輯關系。

重新網上查閱石家莊地區今年 3 月份氣象資料，發現 3 月份主風向為西風，但風向也是隨時波動的，并不會只沿著標準的幾個方位流動，這樣也解釋了為何西側裂紋多而東側裂紋少，當然這更多也是定性的而非定量。通過以上的分析，要確立一個觀念，就是任何現象都有其內在邏輯關系，能解釋才能解決，混凝土問題不要總局限于材料，多了解相關學科很重要！這也基本判定，拆模后由于混凝土墩柱溫度較高，保溫養護不及時，在低溫西風作用下，表面溫降過快，同時也伴隨著失水，造成局部表層收縮開裂，而背風面由于風速較低、換熱系數低、溫降要慢于迎風面，沒有發生明顯的表面裂紋。

在冬季以后類似的工程，拆除模板后一定要注意及時保溫保濕。