混凝土結(jié)構(gòu)防裂探討

　　[摘要]數(shù)十年來(lái)我國(guó)的混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)取得了突出的進(jìn)步。大量新型混凝土材料被用于建造高層建筑、大跨橋梁、重載鐵路和核電站等重要建筑。由于普遍使用早強(qiáng)高強(qiáng)的商品混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)列問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。目前混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂主要不是由于荷載的作用，而是變形所致，如溫度變形、收縮變形和基礎(chǔ)不均勻沉降變形等都可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂。 

　　[關(guān)鍵詞]混凝土結(jié)構(gòu)；裂縫；變形；耐久性 
　　 
　　1.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫種類(lèi) 
　　 
　　導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞的變形裂縫主要包括：塑性裂縫、溫度裂縫和收縮裂縫。 
　　 
　　1.1塑性裂縫。在大水膠比的普通混凝土在澆筑時(shí)，在振動(dòng)和重力的作用下，水泥漿上升，混凝土拌和物中粗骨料顆粒下沉，而這種塑性沉落受到模板、鋼筋和預(yù)埋件的擬制所引起。這種沉落一半到混凝土硬化時(shí)方停止。這種裂縫大多出現(xiàn)在混凝土澆筑后0.5～3ｈ之間，混凝土尚處在塑性狀態(tài)，混凝土表面水消失時(shí)立即產(chǎn)生，沿著梁及板上面鋼筋的走向出現(xiàn)。另外在施工過(guò)程中如果模板綁扎的不好，模板沉陷、移動(dòng)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)裂縫。在低水膠比的高強(qiáng)高性能混凝土中，澆筑后拌和物基本不沉降，也不泌水。當(dāng)混凝土表面泌水速率小于水分蒸發(fā)速率時(shí)，由于表面失水干燥而產(chǎn)生裂縫。 
　　 
　　1.2溫度裂縫。除環(huán)境溫度劇烈變化，造成溫度劇烈變化或結(jié)構(gòu)溫度劇烈變化或結(jié)構(gòu)中各部分溫度差別懸殊所導(dǎo)致的裂縫外，目前導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早開(kāi)裂的主要原因之一是混凝土硬化過(guò)程中水泥水化放熱，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度過(guò)分升高、內(nèi)外溫差加大以及混凝土硬化后期降溫速率過(guò)大。雖然我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)施工規(guī)范有具體規(guī)定，但許多工程并未嚴(yán)格控制上述參數(shù)。由此造成的混凝土溫度收縮裂縫是十分普遍的。 
　　 
　　1.3收縮裂縫。混凝土在體積收縮時(shí)受到外部或內(nèi)部約束引起的裂縫。除溫度收縮裂縫外，還有干燥收縮裂縫是混凝土硬化后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由于水分蒸發(fā)引起水泥石干燥收縮而導(dǎo)致的?；炷恋乃终舭l(fā)、干燥過(guò)程是由外向內(nèi)、由表及里逐漸發(fā)展的，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干燥收縮裂縫。由于混凝土中水分蒸發(fā)、干燥非常緩慢，產(chǎn)生干燥收縮裂縫多數(shù)在一個(gè)月以上，有時(shí)甚至一年半載，而且裂縫多在表面很淺的位置，裂縫細(xì)微，呈平行線(xiàn)狀或網(wǎng)狀。自生干燥收縮，指混凝土與外界無(wú)濕度交換，由于水化反應(yīng)使內(nèi)部濕度降低所引起收縮。在普通混凝土中，主要是干燥收縮，自生收縮不超過(guò)50微應(yīng)變，在總收縮量中所占比例很小，不必過(guò)分重視。而在高強(qiáng)或高性能混凝土中，自生收縮可達(dá)數(shù)百微應(yīng)變，占總收縮量的一半左右，不可忽視。 
　　 
　　2.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因 
　　 
　　變形作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的原因很復(fù)雜，它涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料組成、施工技術(shù)、環(huán)境狀態(tài)等諸多因素。而混凝土材料本身的組成與性質(zhì)的變化，以及隨之而來(lái)的施工技術(shù)變化是現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)容易開(kāi)裂的重要原因。 

　　隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)十年來(lái)水泥的礦物組成與性能都有了很大變化。為了加快建設(shè)速度，要求水泥具有較高的早期強(qiáng)度和較快的強(qiáng)度發(fā)展速率，因此硅酸鹽水泥熟料的C3S含量越來(lái)越高，水泥的比表面積越來(lái)越大?，F(xiàn)在我國(guó)大型水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的硅酸鹽水泥的C3S含量從20世紀(jì)30年代的30％左右到現(xiàn)在已超過(guò)50％，比表面積從過(guò)去的220m²/Kg到現(xiàn)在控制在340～370m²/Kg之間，根據(jù)1995年Gebhardt發(fā)表的調(diào)查報(bào)告[1]，過(guò)去的70年，美國(guó)ASTMI型硅酸鹽水泥的7d強(qiáng)度翻了一翻，從17MPa提高到31MPa；直到1953年，至少50％的具有中等水化熱的ASTMⅡ型硅酸鹽水泥的7d強(qiáng)度低于21MPa，而到1994年，這樣低強(qiáng)度的水泥已經(jīng)沒(méi)有了，50％以上的ASTMⅡ硅酸鹽水泥的7d強(qiáng)度在31～38MPa之間。現(xiàn)在美國(guó)市場(chǎng)上出售的硅酸鹽水泥很容易在3～7d達(dá)到ASTM28d最低強(qiáng)度要求。需求規(guī)律已將硬化較慢、但耐久性較好的水泥驅(qū)逐出市場(chǎng)。 

　　水泥組成與性能的巨大變化對(duì)混凝土耐久性的影響體現(xiàn)為：可以使用較少的水泥和較大的水灰比配置28d強(qiáng)度相同，但滲透性較大，而耐久性較差的混凝土。根據(jù)英國(guó)Wischer的報(bào)道，在1960年，需要配置30～35MPa的混凝土?xí)r，可以用350Kg/m³水泥、水灰比0.45來(lái)達(dá)到；在1985年，同樣的混凝土只需250Kg/m³水泥、0.6的水灰比就可以了。對(duì)于進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的設(shè)計(jì)者而言，這兩種混凝土是一樣的。然而，從微結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，兩種混凝土的空隙率和滲透性就大不相同了。水灰比為0.6的混凝土的碳化速率比水灰比為0.45的混凝土大，前者對(duì)海水、凍融與化冰鹽導(dǎo)致的侵濕的抵抗能力也不如后者。 

　　受傳統(tǒng)觀念的束縛以及泵送施工的要求，我國(guó)許多商品混凝土攪拌站供應(yīng)的預(yù)拌混凝土，普遍使用強(qiáng)度等級(jí)為32.5或42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥用量多大于300Kg/m³，礦物摻和料用量不超過(guò)膠凝材料總量的15％。由此使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化溫升大，早期強(qiáng)度發(fā)展快，28d強(qiáng)度高。許多混凝土配合比的3d強(qiáng)度可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值的150％～200％。這樣的混凝土除浪費(fèi)大量寶貴的自然資源外，還對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的防止開(kāi)裂帶來(lái)很大困難。 

　　Mehta和Burrows認(rèn)為美國(guó)自1974年以來(lái)橋面板的耐久性問(wèn)題日益突出的直接原因是使用具有較高早期強(qiáng)度的水泥和混凝土^[2]。Nevill指出標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水泥的細(xì)度、C3S含量和早期強(qiáng)度沒(méi)有限制導(dǎo)致了混凝土損壞程度增加^[3]。高強(qiáng)混凝土在早期即具有高強(qiáng)度和彈性模量，如根據(jù)Krass和Rogalla實(shí)驗(yàn)結(jié)果，1d抗壓強(qiáng)度為27.6～55MPa的高強(qiáng)混凝土的彈性模量可達(dá)28.8～35.8GPa，為普通混凝土的3至7倍。這導(dǎo)致混凝土的脆性增加和徐變能力明顯下降，由此引發(fā)早期裂縫的產(chǎn)生。所以在許多國(guó)家的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于水泥的強(qiáng)度是有限制的。美國(guó)ASTMC1157-98a“水硬性水泥的標(biāo)準(zhǔn)性能規(guī)范”中，規(guī)定通用水泥的3d和7d強(qiáng)度分別不得大于20MPa和30MPa；中熱水泥的3d和7d強(qiáng)度分別不得大于15MPa和20MPa。歐洲現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ENV97－1中，規(guī)定32.5級(jí)和42.5級(jí)水泥的28d強(qiáng)度最高分別不得超過(guò)42.5MPa和52.5MPa。這有利于控制混凝土的早期水化放熱和強(qiáng)度發(fā)展，降低其開(kāi)裂趨勢(shì)；而且還可以減少資源消耗，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。

　　3.控制混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的措施 
　　 
　　3.1混凝土設(shè)計(jì)質(zhì)量控制?；炷恋牧芽p是不可避免的，其微觀裂縫是由本身物理力學(xué)性質(zhì)決定的，但可以通過(guò)合理調(diào)整混凝土配合比設(shè)計(jì)、提高混凝土生產(chǎn)質(zhì)量、加強(qiáng)混凝土施工質(zhì)量的措施來(lái)控制。 

　　混凝土設(shè)計(jì)質(zhì)量控制首先要合理設(shè)計(jì)混凝土配合比，單方混凝土水泥的用量應(yīng)合理，水泥用量大、收縮大?；炷了冶仁怯绊憦?qiáng)度和裂縫的主要因素之一，水灰比大的混凝土，其收縮亦大，也就容易產(chǎn)生裂縫，塑性沉落裂縫、干燥收縮裂縫都是由于混凝土單方用水量過(guò)大、混凝土過(guò)稀、坍落度過(guò)大，而且水分蒸發(fā)過(guò)快、過(guò)多造成的。因此嚴(yán)格控制混凝土水灰比即嚴(yán)格控制混凝土的用水量是減少裂縫的根本措施^[4]。 

　　調(diào)整混凝土配合比首先應(yīng)降低硅酸鹽水泥的用量，適當(dāng)增加礦物摻和料，特別是粉煤灰的用量。這一方面可充分利用資源，符合可持續(xù)發(fā)展的原則；更重要的是可降低混凝土的抗裂能力。大量摻加礦物摻和料將使水化產(chǎn)物量大幅度減少，不能有效地膠結(jié)集料和填充空隙，對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生不利影響。但現(xiàn)在由于高效減水劑的廣泛使用，混凝土的水膠比大大降低了。此時(shí)不再需要大量水化產(chǎn)物來(lái)填充空隙，只需要少量水化產(chǎn)物用于膠結(jié)各種顆粒。膠凝材料中的相當(dāng)部分，不論是水泥還是礦物摻和料，僅起著填充微粒的作用。由于礦物摻和料的水化速率低，用其取代部分水泥，使其余水泥的表觀水灰比增加，提高了水化程度，使其能充分地發(fā)揮膠凝作用。所以經(jīng)過(guò)適當(dāng)養(yǎng)護(hù)的大摻量礦物摻和料混凝土具有較低的開(kāi)裂趨勢(shì)、更好的密實(shí)性以及滿(mǎn)足要求的強(qiáng)度性能。如專(zhuān)門(mén)為深圳地鐵工程研制的高性能混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，膠凝材料總量440Kg/m³，硅酸鹽水泥用量160～180Kg/m³，摻加復(fù)合礦物摻和料，水膠比0.4左右。其28d立方體抗壓強(qiáng)度仍達(dá)5020MPa，抗?jié)B等級(jí)大于P12，抗硫酸鹽侵蝕性、抗氯離子滲透性、抗鋼筋銹蝕性均比深圳本地常用的C30普通混凝土有較大幅度提高，完全能夠在有多種中等程度腐蝕性介質(zhì)的地下環(huán)境中長(zhǎng)期使用，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壽命要求。 

　　摻加輔助材料，提高混凝土的抗裂性能；摻加膨脹劑，配置補(bǔ)償收縮混凝土；或摻加低彈性模量的有機(jī)合成纖維，配置纖維混凝土，均可有效地提高混凝土的抗裂性能。 

　　我國(guó)在實(shí)際工程中使用補(bǔ)償收縮混凝土已達(dá)數(shù)千立方米，有大量成功的實(shí)例，但也有許多失敗的工程。目前膨脹劑生產(chǎn)廠(chǎng)家僅提供常用摻量的參考值，但膨脹劑的補(bǔ)償收縮的效能能否正常發(fā)揮則受工程環(huán)境條件的控制。這包括混凝土的體積、強(qiáng)度等級(jí)與強(qiáng)度發(fā)展速率、結(jié)構(gòu)形式、配筋率、施工時(shí)的溫濕度和養(yǎng)護(hù)條件等。據(jù)有關(guān)資料得知：養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)膨脹劑膨脹效能的影響效果是，在配合比和配筋率相同的條件下，在30℃和40℃養(yǎng)護(hù)的試件，其限制膨脹率最大；在7d比在20℃養(yǎng)護(hù)的試件提高一倍以上。在50℃養(yǎng)護(hù)的試件，其限制膨脹率與在20℃養(yǎng)護(hù)的試件相近，而在60℃養(yǎng)護(hù)的試件，其限制膨脹率最低^[5]。如果以千篇一律的6％～8％，或8％～12％的摻量來(lái)應(yīng)對(duì)千差萬(wàn)別的實(shí)際工程，暗藏的風(fēng)險(xiǎn)是很大的。 

　　在混凝土中摻入體積含量小于0.1％的有機(jī)合成纖維，主要是聚丙烯纖維，基本不會(huì)提高強(qiáng)度，但能改善混凝土的脆性破壞特性，減少混凝土塑性收縮裂縫，提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，顯著改善混凝土的抗裂性能，尤其是防止塑性開(kāi)裂為最。但是根據(jù)中國(guó)建材研究院最新的試驗(yàn)結(jié)果，摻加廠(chǎng)家推薦摻量的單絲有機(jī)合成纖維對(duì)降低高強(qiáng)混凝土的開(kāi)裂趨勢(shì)沒(méi)有明顯的效果；而網(wǎng)狀PP纖維則可明顯降低高強(qiáng)混凝土的開(kāi)裂趨勢(shì)。廣州新中國(guó)大廈，建筑面積8000m²，在平均厚度超過(guò)600mm的地下室底板的施工中，采用聚丙烯纖維增強(qiáng)C60混凝土的方案，整個(gè)大面積底板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求^[6]。 
　　 
　　3.2混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制。 

　　混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度和很低的抗拉強(qiáng)度，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土原材料的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而降低收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力，減少裂縫的產(chǎn)生。優(yōu)先選用低水化熱的收縮量水泥，如中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，在摻加泵送劑或粉煤灰時(shí)，也可選用礦渣硅酸鹽水泥（幾種水泥的熟料含量及水化熱見(jiàn)下表）。水泥的細(xì)度要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)度大的水泥易產(chǎn)生干燥收縮裂縫。

表1幾種水泥的水化熱表  [Page]

　　粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量減少，含泥量大的砂石界面強(qiáng)度低、粘結(jié)力弱，影響混凝土的抗拉強(qiáng)度，易開(kāi)裂宜選用合理砂率，砂率過(guò)大，不僅會(huì)影響混凝土的工作性能和強(qiáng)度，而且能增大收縮和裂縫。優(yōu)先選用天然連續(xù)級(jí)配的粗集料，根據(jù)構(gòu)件最小斷面尺寸和泵送管道內(nèi)徑，選擇合理的最大粒徑，盡可能選用較大的粒徑。 

　　在生產(chǎn)時(shí)摻加適量的礦物細(xì)摻和料和外加劑。粉煤灰及磨細(xì)礦渣在混凝土中具有性態(tài)效應(yīng)，活性效應(yīng)，微集料效應(yīng)，因此它能改善和提高新拌混凝土和硬化混凝土的性能改善混凝土的和易性，降低混凝土的泌水性，特別對(duì)于泵送混凝土可改善其可泵性，減少在輸送管中的堵塞和分離，降低混凝土與管壁的阻力，延長(zhǎng)泵機(jī)和管道的壽命，由于其可泵性的提高和泌水性的降低，在相同坍落度情況下，混凝土用水量可降低，從而減少混凝土早期沉縮量，有利于裂縫的控制。具有減水、增塑、緩凝、引氣的泵送劑，可以改善混凝土拌和物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性。由于其減水作用和分散作用，在降低用水量和提高強(qiáng)度的同時(shí)，還可以降低水化熱，推遲裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，因而減少溫度裂縫。根據(jù)具體工程特點(diǎn)，還可采用摻加UEA補(bǔ)償混凝土的收縮。 
　　 
　　3.3混凝土施工質(zhì)量控制。 

　　不正確的振搗方式會(huì)導(dǎo)致混凝土分層離析、表面浮漿、混凝土面層開(kāi)裂或是混凝土產(chǎn)生不均勻沉降收縮裂縫。所以應(yīng)加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗，提高密實(shí)度。振搗要適宜，不過(guò)振、不漏振和少振，以混凝土振搗面無(wú)氣泡冒出為宜。振搗時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。澆筑混凝土?xí)r下料速度不宜過(guò)快。養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土的收縮影響很大，做好養(yǎng)護(hù)對(duì)裂縫的防治有很大作用。 

　　構(gòu)造與施工措施在結(jié)構(gòu)中正確設(shè)置各種變形縫，對(duì)于防止或限制混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂都有重要作用。設(shè)縫間距取決于多種因素，應(yīng)視構(gòu)件高度、厚度、所受約束程度、配筋率等因素合理確定。合理采取補(bǔ)償收縮的措施，也可取消收縮縫，進(jìn)行超長(zhǎng)無(wú)縫結(jié)構(gòu)施工^[7]。在構(gòu)件中配置構(gòu)造鋼筋可以控制裂縫的寬度并限制其發(fā)展。我國(guó)目前通常采用的構(gòu)造配筋率在0.2％左右，鋼筋間距200mm，鋼筋直徑10～12mm。由工程實(shí)際效果來(lái)看，如能增加構(gòu)造配筋率，減小鋼筋間距和直徑，對(duì)于控制裂縫的效果更好。 

　　單純依靠現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工與驗(yàn)收規(guī)范的要求進(jìn)行施工，遠(yuǎn)不能保證完全避免混凝土結(jié)構(gòu)在施工階段開(kāi)裂。美國(guó)的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，即使嚴(yán)格遵守現(xiàn)行的施工規(guī)范，也難于避免高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞^[2]。所以在有耐久性要求的場(chǎng)合，必須結(jié)合工程情況，對(duì)施工提出更為嚴(yán)格的要求，其中最為重要的是混凝土的溫度控制和養(yǎng)護(hù)要求。 

　　設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)針對(duì)具體工程，對(duì)構(gòu)件中的混凝土水化放熱所導(dǎo)致的溫度升高與降低過(guò)程和內(nèi)外溫差，以及由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力進(jìn)行估算；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在必要時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，并制定有效的施工措施以控制過(guò)大的溫度應(yīng)力的產(chǎn)生?；炷恋臏囟瓤刂浦饕枰刂苹炷寥肽囟取?nèi)部最高溫度和內(nèi)外溫差。我國(guó)現(xiàn)行的施工規(guī)范對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的溫度控制同樣有明確的規(guī)定，而且由于規(guī)范、經(jīng)濟(jì)成本和工期的限制，以及對(duì)于開(kāi)裂后果的嚴(yán)重性的認(rèn)識(shí)不足，許多時(shí)候在實(shí)際的施工過(guò)程中執(zhí)行不嚴(yán)格，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂嚴(yán)重。同樣，如果施工單位能夠嚴(yán)格執(zhí)行我國(guó)現(xiàn)行的施工規(guī)范關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)的規(guī)定，對(duì)于減少開(kāi)裂是很有幫助的。 
　　 
　　4.結(jié)論 
　　 
　　由于水泥和混凝土性能的變化，如水泥強(qiáng)度和強(qiáng)度發(fā)展速率提高、細(xì)度增加、混凝土中水泥用量增加等，現(xiàn)代混凝土的開(kāi)裂現(xiàn)象遠(yuǎn)比20世紀(jì)前半葉的混凝土嚴(yán)重，由此帶來(lái)嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早損壞。現(xiàn)行規(guī)范的落后更加劇了這種現(xiàn)象。為了控制混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，必須采取調(diào)整混凝土配合比，正確使用抗裂輔助材料，采取有效的施工技術(shù)等綜合措施。 
　　 
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