混凝土早期收縮開裂研究綜述

(武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430000)

在大多數(shù)基建項目中，由于混凝土外露表面積較大，在早期澆筑完混凝土后，混凝土暴露在自然環(huán)境中，高溫和低濕的環(huán)境與養(yǎng)護不當都會造成混凝土早期開裂。而混凝土過早開裂會使得鋼筋過早的暴露于環(huán)境中而導(dǎo)致其銹蝕，耐久性降低，使得建筑物的使用壽命大大降低。

一、混凝土收縮開裂帶來的危害

1999年在全球由于混凝土開裂、鋼筋被腐蝕導(dǎo)致的耐久性降低而造成的損失就已高達1800～3600億元[1]。早期裂縫的產(chǎn)生不僅會對建筑物的耐久性、承載力有影響，也會讓人在主觀上產(chǎn)生不信任感；還有某些有特殊用途的建筑物，如生化試驗室等，也要求建筑物長期處于無裂縫狀態(tài)，這些都說明對于早期收縮開裂現(xiàn)象的研究與探討具有重要的現(xiàn)實意義。

二、混凝土收縮開裂的機理與成因

混凝土早期收縮開裂與三個因素有關(guān)，混凝土實時抗拉強度、收縮變形、約束作用。早期混凝土在約束作用下產(chǎn)生收縮變形時會產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力，當內(nèi)拉應(yīng)力超過混凝土的實時抗拉強度時，則混凝土開裂。其中，混凝土的抗拉強度與混凝土材料組成、養(yǎng)護手段、齡期有關(guān)；而約束作用則是指混凝土在體積變化的過程中受到外界的約束，由于外界的約束使得混凝土不能自由變形，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

混凝土的早期收縮可分為溫度收縮、干燥收縮、化學(xué)收縮、自收縮、碳化收縮，其中一般情況下環(huán)境中二氧化碳濃度較低，從而導(dǎo)致碳化收縮的量很小。

溫度收縮，混凝土的體積因為水化溫度的變化產(chǎn)生的先膨脹后收縮的現(xiàn)象稱為溫度收縮。在大體積混凝土澆筑早期，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量，外部表面積也很大，散熱速度快。但內(nèi)部溫度與外部溫度始終會存在較大溫差，當外部混凝土已經(jīng)降溫至收縮狀態(tài)時，內(nèi)部混凝土可能還處于膨脹狀態(tài)，而后內(nèi)部溫度降低時會產(chǎn)生收縮，則內(nèi)部混凝土?xí)ν獠炕炷廉a(chǎn)生一個拉應(yīng)力，在加上外界約束對混凝土作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使得大體積混凝土受溫度收縮開裂的影響更大。

干燥收縮，在混凝土早期養(yǎng)護不是很好時，環(huán)境濕度較低，混凝土內(nèi)部毛細孔和凝膠體內(nèi)部空隙中的水分向外界散失從而受毛細管張力的作用致使混凝土體積發(fā)生不可逆的收縮[2]。這一現(xiàn)象可以用毛細管張力理論解釋，當混凝土周邊環(huán)境的相對濕度小于100%，混凝土各孔隙內(nèi)的水分開始向外流失，隨著水分的逐漸喪失，毛細管水凹液面的曲率半徑越來越小，使得毛細負壓力越來越大，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生收縮。所以進行合理的養(yǎng)護，使得環(huán)境內(nèi)的相對濕度維持在較高的水平上，會減小干燥收縮，從而對早期裂縫的產(chǎn)生起到一定的抑制作用。

化學(xué)收縮，化學(xué)收縮指的是水化反應(yīng)這一化學(xué)過程造成的混凝土體積上的收縮。水化反應(yīng)前水泥與水的總體積是小于水化后的水化反應(yīng)生成物的，而且具研究表明大多數(shù)硅酸鹽水泥漿體水化后的體積總減縮量大概為7%～9%[3]。水化收縮主要受水泥品種、用量和摻合料的種類、用量的影響。據(jù)資料顯示：水化反應(yīng)前后，水泥熟料中的C3A、C3S、C2S等的收縮量分別為29.9%、5.3%、1.9%。

自收縮，自收縮與干燥收縮的機理都可以用毛細管表面張力理論來解釋，均是由于混凝土內(nèi)部孔隙和凝膠體內(nèi)部空隙中的水分散失后使得孔隙內(nèi)凹液面的曲率半徑變小而導(dǎo)致的毛細孔內(nèi)負壓力變大，從而使得混凝土的體積減小。然而，干燥收縮是由于外界環(huán)境的濕度原因使得內(nèi)部水分散失，而自收縮是由于混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)消耗了水分從而導(dǎo)致的水分喪失。目前混凝土都朝著高強高性能的方向發(fā)展，使得混凝土的水膠比越來越低。雖然強度越來越高，但自收縮量卻隨著混凝土水膠比的降低而增大，增大了混凝土的早期開裂可能性。

三、試驗手段

對混凝土早期的抗裂性能進行評估并研究多種因素對于抗裂性能的貢獻對于混凝土原材料的優(yōu)選、設(shè)計、施工等有著很重要的意義。為此，多國專家均對這方面進行了相關(guān)的研究，國際、國內(nèi)專家通過多年的實踐與研究逐漸開發(fā)出了多種對混凝土早期抗裂性能進行研究與評價的試驗裝置和試驗方法。目前流行的大概有圓環(huán)法約束收縮試驗、平板法約束收縮試驗。

平板法：我國《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[4]中推薦了一種混凝土早期抗裂試驗裝置，該裝置尺寸為800mm×600mm×100mm的平面薄板型鋼材料模具，其要求每組試件至少為兩個。試件內(nèi)部有7根裂縫誘導(dǎo)器，混凝土澆筑完成后，平板模具和混凝土試件作為一個整體進行試驗。要求保證試件中心表面的風(fēng)速≥5m/s，刻度放大鏡的放大倍數(shù)應(yīng)≥40倍，且分度值≤0.01mm。試驗環(huán)境應(yīng)在溫度為(20±2℃)、相對濕度為(60±5)%的恒溫恒濕環(huán)境中進行。在24h后測讀裂縫，用鋼直尺量取裂縫長度，將裂縫兩端的直線距離作為裂縫長度，當一個刀口誘導(dǎo)器上方有兩條或兩條以上裂縫時，可以將各條裂縫長度相加折算為一條裂縫的長度。裂縫寬度用放大倍數(shù)大于40倍的刻度放大鏡測量讀取，并按照規(guī)范上的方法來計算裂縫面積。將裂縫面積作為衡量混凝土早期抗裂性能的評價指標。

圓環(huán)法：麻省理工學(xué)院的Roy Carlson教授在1942年提出了圓環(huán)法[5]，并用其來研究水泥凈漿和砂漿的抗裂性能，該裝置示意圖見圖1。

圖1 Roy Carlson采用的圓環(huán)

圖2 Dahl改進的圓環(huán)裝置

Roy Carlson教授提出的上述圓環(huán)法雖為早期抗裂性能的試驗研究起了很好的頭，但也存在著許多不足的地方，例如無法預(yù)知開裂的位置。針對這一問題，Dahl 提出了一種改進的圓環(huán)法[6]，其思想是在外鋼環(huán)上焊接許多條垂直于環(huán)向的鋼肋板，以此來增加裝置對混凝土試件的約束作用，裝置圖詳見圖2。

混凝土早期收縮開裂問題涉及的因素較多，本文也只是介紹了試驗方面的有關(guān)內(nèi)容，希望后人能從軟件模擬的方向?qū)炷恋脑缙谑湛s開裂問題進行研究探討，目前關(guān)于該方面的模擬還較少。