混凝土裂缝形成机理研究

　　摘要：混凝土的主要缺点是抗拉强度低，难以独立承担拉应力，易于开裂。而本文正是针对混凝土裂缝形成机理的研究。

　　关键词：混凝土; 裂缝; 形成机理

　　1.混凝土裂缝形成机理

　　1.1混凝土裂缝的分类情况

　　混凝土裂缝可按产生原因、有害程度、深度与结构截面尺寸关系等因素进行分类，不同的分类标准表征着不同的意义。

　　1.1.1按产生原因分类

　　(l)荷载作用引发的裂缝(结构性裂缝约占10%);

　　(2)变形作用引发的裂缝(非结构性裂缝约占80%);

　　(3)混合作用(荷载与变形共同作用)所致的裂缝(约占5%一10%);

　　(4)碱骨料反应造成的裂缝(AAR、ASR碱硅酸反应、碱碳酸盐反应，超量CaO，MgO膨胀应力引起的裂缝所占比例小于1%);

　　(5)惯性力引起的裂缝。

　　1.1.2按裂缝的有害程度分类

　　(1)有害裂缝(轻度，其宽度略超规定20%;中度。超规定50%;重度，超规定100%)指贯穿结构截面的裂缝及浅层裂缝(抵达受力钢筋部位)，对有抗渗、防腐、防辐射有特殊要求的有害裂缝宽度应根据具体要求专门规定;

　　(2)无害裂缝(微观裂缝，表面裂缝，一定程度宏观裂缝)，微观裂缝属于混凝土这种脆性材料的固有缺陷，它的宽度只有2月m一5月m，主要有粘着裂缝、水泥石裂缝和骨料裂缝三种，以上三种微观裂缝，以粘着裂缝和水泥石裂缝居多，而骨料裂缝较少。微观裂缝在混凝土中的分布是不规则的，沿截面是不贯穿的。因此，有微观裂缝的混凝土可以承受拉力，但结构物的某些受拉力较大的薄弱环节，微观裂缝在拉力作用下，很容易申连贯穿全截面，最终导致较早的断裂。当表面裂缝超过允许宽度，长度较短，断断续续，对使用功能有影响时，仍按有害裂缝处理。

　　1.1.3按裂缝深度(h)与截面厚度(H)关系分类

　　(l)表面裂缝(h三0.IH)，混凝上内部温度高、表面温度低，则形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，而表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。

　　(2)浅层裂缝(h<0.5H)，此类裂缝并不会危及结构的安全，但因其有进一步发展的可能性，必须适当加以控制。

　　(3)深层裂缝 (0.SH三h

　　(4)贯穿裂缝(h=H)，混凝土浇筑一定时间后，水泥水化热基本已释放，混凝土从最高温度开始逐渐降温，降温的结果引起混凝土收缩，再加上混凝土中多余水分蒸发等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束，不能自由变形，导致产生拉应力，当该拉应力超过混凝土即时极限抗拉强度时，混凝土整个截面就会产生贯穿性裂缝。贯穿裂缝是危害最大的一种裂缝，它切断了结构的全断面，破坏了结构的整体性、耐久性、防水性等，影响结构的正常使用[27l。所以，应当采取一切措施，坚决控制贯穿裂缝的产生。

　　2.大体积混凝土温度裂缝成因分析

　　大体积混凝土早期温度裂缝的产生与多种因素相关联，主要涉及水泥水化热、内外约束情况、外界气温走势、硷收缩变形等方面

　　3.水泥水化热的影响

　　水泥在水化反应过程中产生大量的水化热，这成为大体积混凝土内部温升的主要热量来源，试验证明每克普通硅酸盐水泥放出的热量可达500J。由于大体积混凝土截面尺寸大及混凝土导热性能较差，水化热集聚在硅结构内部难以散失，所以会引起混凝土结构内部温度急骤攀升。实测资料显示l29]，由水化热引发的温升值，在水利水电工程中大都集中于15℃一25℃，而在建筑工程中绝大多数在20℃一30℃之间。水泥水化热引起的混凝土温升与所采用的水泥品种和水泥用量有关。一般来说，当水泥中的硅酸三钙和铝酸三钙的含量高时，水化热就会较大，而且集中在早期;混凝土中水泥用量大，水化热也会随之增大。大体积混凝土测温试验研究表明，水泥水化热在1一3d内放出的热量最多，大约占总水化热量的50%左右，而且在此期间温升梯度最大;混凝土内部温度极值一般出现在浇筑完成后的3~5d内。

　　4.内外约束条件的影响

　　混凝土内外温度的升降与必然引起体积变化，在收与缩的变形过程中，限制其自由变形的阻力即来自于约束作用，按照约束因素在混凝土体内与体外的不同，可以将其分为内约束与外约束。大体积混凝土结构与其体外结构之间的约束作用称为外约束。混凝土内部各单元之间的相互约束称为内约束。按照约束对混凝土结构的限制程度，可以将外约束分为自由体、弹性约束、全约束三类因阅。

　　浇筑成型之后的大体积混凝土结构与地基紧密相连，当其由温度变化所致的体积变形受到下部接触面层的阻碍时，外约束应力便会立即出现，并且它的大小与结构变形程度成正比。混凝土结构受到早期温升作用后体积会发生膨胀，此时结构与外约束面之间的约束力为压应力，由于开始时混凝土的弹性模量较小，应力松弛与徐变相对较大，继而使得混凝土结构与基础面层之间的连接不够紧密，故这一阶段的压应力较小。然而，当砼内部温度走低时，会产生较大的拉应力，如果大于砼的即时极限抗拉强度值，砼结构必将出现深度垂直裂缝。

　　当混凝土结构的变形处于全约束的情形下时，结构的形变等于温差与砼线膨胀系数之积，即 若 :值大于砼的极限拉伸值 ，裂缝便会出现。一般情况下，全约束条件是不可能出现的，加之混凝土尚有徐变变形的影响，因而即使砼结构内外温差达到25一30℃，也并不一定会产生裂缝。据此可知，设法改善砼结构的约束状况与其里表温差，是大体积砼裂控工作的重点内容。

　　5.外界环境温度走势的影响

　　处于施工期的大体积混凝土结构对外界环境温度的走势十分敏感，外界气温的波动是大体积混凝土裂缝形成的主要诱因之一[34]。水泥水化热的绝热温升、硅的浇筑温度及结构物的散热温度叠加后构成了混凝土的内部温度。硅的浇筑温度与夕卜界环境温度紧密相关，外界环境温度值越高，硷的浇筑温度也越高;当遇到外界温度下降的天气时，混凝上的降温幅度将会增大，尤其是环境温度骤降，会大幅度提高混凝土里表的温差梯度，随之伴生超限的温度应力，进而导致大体积混凝土结构产生温度裂缝。

　　由于截面尺寸大，水化热难以散失等不良因素的作用，致使大体积混凝土的内部温度极值可达到80℃以上，而且持续时间较长阅。因此，研究和采取合理的温度控制措施，严格控制混凝土面层温度与外界气温的差值，是防止混凝土裂缝产生的另一个重要措施。

　　6.混凝土收缩变形的影响

　　混凝土收缩变形的影响，主要包括沉缩变形、干缩变形及水泥的合缩三个方面。

　　6.1混凝土的沉缩变形

　　混凝土拌合物是固体颗粒(水泥和集料)、水和空气交混而成的三相体系。浇灌成型后，绝大部分空气逸出，固体粒子互相接触，形成一个孔隙中充满着水的空间构架。

　　6.2混凝土的干缩变形

　　混凝土硬化以后，仍然含有相当数量的可以蒸发的水。如果暴露在干燥空气之中(相对湿度低于95%)，这些水必将逐渐蒸发离去。与此同时，混凝土的外包体积将有相应的减缩。这种体积变化称为混凝土的干缩。单位体积混凝土发生的体积减缩除以3称为干缩率。

　　6.3水泥的合缩

　　水泥化合物与水化合时，只有一部分水进入反应产物的结构，而另外还需要一部分水用以填补反应物结构中的空格而被耗费掉。

　　参考文献：

　　[1]李志清等.大体积混凝土底板施工裂缝的控制[J].沈阳建筑工程学院学报，2000，16(l):14一16.

　　[2]李继业.新型混凝土技术与施工工艺〔M〕.北京:中国建材工业出版社，2002:55一75.

　　[3]冯乃谦.新实用混凝土大全「M〕.北京:科学出版社，2005:336一338.