摘 要： 裂縫是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命降低的主要因素。混凝土處于硬化階段的早期開裂是困擾現(xiàn)代混凝土工程界的一個普遍問題。本文主要研究由濕度變化所引起的收縮裂縫，此處主要考慮干燥收縮和自收縮，借助于大型有限元分析軟件ANSYS模擬一塊混凝土板內(nèi)部的濕度場與干縮應(yīng)力場，得出了混凝土內(nèi)部濕度的擴散規(guī)律及應(yīng)力的分布、發(fā)展規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 混凝土早期收縮裂縫 形成機理 控制方法

1.引言

混凝土是一種準脆性多相復(fù)合材料，而多相復(fù)合體材料內(nèi)部潛伏著隨時間變化的殘余應(yīng)力，在自發(fā)和誘發(fā)因素的作用下引起混凝土內(nèi)部和外部的裂縫[1]。裂縫是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命降低的主要因素[2]。因此，國內(nèi)外對混凝土早期收縮的研究非常熱門，一直是一個重要課題，受到了各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的極大重視與關(guān)注，對這一問題的研究在上世紀90年代中期迎來了一個學(xué)術(shù)研究的高峰[3]。

2.對干燥收縮和自收縮的認識

引起混凝土發(fā)生收縮的直接驅(qū)動力可分為兩類：溫度作用和濕度作用。其中，濕度收縮包括因混凝土內(nèi)外濕度變化所引起的各類收縮，如干燥收縮、自生收縮、塑性收縮、碳化收縮等，但干燥收縮、自生收縮是最主要的。

處于低濕環(huán)境下的混凝土因水分散失而導(dǎo)致的體積收縮現(xiàn)象稱為干燥收縮，簡稱為干縮。它一般是由塑性階段結(jié)束后由于水分的遷移和散失所引起的。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)失水和干縮之間存在線性關(guān)系[4]。干縮持續(xù)發(fā)生于混凝土水化的早期和后期。自生收縮是指混凝土在恒溫絕濕條件下，由于膠凝材料的水化反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)收縮表現(xiàn)在宏觀體積上的收縮現(xiàn)象?；炷羶?nèi)部膠凝材料的水化作用，消耗了毛細管孔隙中的水分，即使混凝土不向外界損失水分，內(nèi)部的相對濕度也會有一定的降低，由此產(chǎn)生的干燥收縮稱為自生收縮（即自干燥收縮）。自收縮不包括混凝土與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換、溫度變化、外部作用力和外來約束導(dǎo)致的體積變化[5]。它由化學(xué)反應(yīng)引起，因此也是化學(xué)收縮的一種。

3.混凝土結(jié)構(gòu)濕度及干縮應(yīng)力非線性有限元分析

本文利用大型有限元通用軟件ANSYS進行混凝土的濕度場與干縮應(yīng)力場的仿真分析。

3.1理論模型的建立

3.1.1模型的建立

此處模擬一素混凝土路面板濕養(yǎng)護28d后至360d的濕度場及干縮應(yīng)力的變化，旨在分析混凝土板不同厚度處在不同時刻的濕度分布、變化規(guī)律及干縮應(yīng)力的變化發(fā)展過程?；炷谅访姘宓膸缀纬叽鐬?000mm×3000mm×200mm。

3.1.2參數(shù)的確定

此處采用C20素混凝土，澆筑結(jié)束后濕養(yǎng)護28d。當?shù)仄骄L(fēng)速為1.8m/s，年平均相對濕度為60%左右。經(jīng)分析選取后，濕度場及干縮應(yīng)力計算參數(shù)的最終選取結(jié)果如表1所示。

3.1.3單元選取與邊界條件

選取solid65單元，混凝土底部采用絕濕邊界，不考慮底部的濕度損失，其他部分與空氣接觸進行濕度交換，屬于第三類邊界條件。

3.2理論結(jié)果分析

3.2.1有限元模型的建立

為了分析方便，這里選取了5個典型的節(jié)點進行濕度場與干縮應(yīng)力場的仿真分析，其中1號節(jié)點位于混凝土的表面，5號節(jié)點位于混凝土板的中心處。各節(jié)點間的豎向間距為25mm。

3.2.2濕度場模擬結(jié)果分析

分別提取距離混凝土板表面0mm（板表面）、25mm、50mm、75mm、100mm（板中心）處1d、2d、3d、7d、30d、180d、360d時混凝土板內(nèi)部的濕度分布，如下圖所示：

由上圖可以看出，經(jīng)過7d后濕度有20%變化的區(qū)域只限于距板表面28mm，30d后約為48mm，180d后約為55mm。深度為75mm的混凝土一年的相對濕度減小量僅為8%左右，板中心處濕度一年的減少量甚至僅為5%。故可得出如下結(jié)論：

（1）混凝土的濕度傳導(dǎo)過程非常緩慢，混凝土是一種典型的弱導(dǎo)濕復(fù)合材料。

（2）濕度的變化速率呈現(xiàn)出越靠近內(nèi)部變化速率越小的趨勢，混凝土板的表面由于與空氣直接接觸，濕度損失較大，越靠近內(nèi)部濕度損失越小。

（3）雖然混凝土濕度傳導(dǎo)很慢，但經(jīng)過一段時間后，表面區(qū)域的濕度場的變化還是很明顯的，混凝土板內(nèi)外出現(xiàn)較大的濕度梯度，正是這種內(nèi)外濕差的不均勻性導(dǎo)致表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生而引起表面首先開裂。

3.2.3干縮應(yīng)力場模擬結(jié)果分析

為了明晰地分析混凝土內(nèi)部應(yīng)力的變化發(fā)展情況，此處將ANSYS分析得到的數(shù)據(jù)以圖表的形式給出，壓應(yīng)力取負值，拉應(yīng)力取正值。分別提取距離混凝土板表面25mm、50mm、75mm處各節(jié)點，得出應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律如下圖所示：

分析圖2，可得出以下結(jié)論：

（1）距混凝土板表面25mm以內(nèi)混凝土的干縮應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，在濕養(yǎng)護結(jié)束后第32d達到拉應(yīng)力最大值1.13MPa，之后隨著外界環(huán)境濕度的影響及混凝土內(nèi)部濕度擴散的不斷進行，此拉應(yīng)力會保持一段時間但略有降低。75d后由于濕度擴散的降低，混凝土的內(nèi)外濕度差降低，表面拉應(yīng)力開始有較大幅度的降低并逐漸向結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴散，隨著拉應(yīng)力的擴展，在50mm處混凝土內(nèi)部的應(yīng)力由初始的壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，但應(yīng)力大小相比混凝土板表面已大大降低，最大值為0.34MPa。

（2）由于濕度變化所引起的拉應(yīng)力主要分布在混凝土板的表面，早期最大拉應(yīng)力已達1.13MPa，且干縮拉應(yīng)力是由表及里逐漸向內(nèi)部發(fā)展的，大小隨之降低。早期雖然混凝土的彈性模量相對較小，但內(nèi)外的濕度梯度較大，因此表現(xiàn)出了較大的拉應(yīng)力。

（3）正是混凝土表面的較大拉應(yīng)力最容易導(dǎo)致混凝土板表面的細微裂縫，雖然此拉應(yīng)力不足以超過混凝土的抗拉強度，但若疊加其他早期應(yīng)力（比如溫度應(yīng)力）等則極有可能導(dǎo)致混凝土裂縫的出現(xiàn)。

（4）由應(yīng)力—時間曲線可以看出，混凝土由于濕度的變化可能導(dǎo)致的開裂主要發(fā)生在早期。這是因為在早期混凝土的抗拉強度較低，且混凝土的徐變效應(yīng)尚未發(fā)揮。因此，尤其對混凝土板而言，早期裂縫的出現(xiàn)應(yīng)是關(guān)注的重點，若早期不開裂，則后期由于濕度的變化而引起開裂的可能性將大大降低。因此加強早期的濕養(yǎng)護是預(yù)防干縮開裂的好方法。

4.結(jié)語

本文通過理論分析和合理建模，得出以下結(jié)論：（1）自收縮是混凝土早期收縮的重要組成部分，之前無論在工程實踐與理論分析中將其忽略不計是不可取的，這一點應(yīng)引起工程界的足夠重視。（2）通過有限元軟件模擬混凝土內(nèi)部的濕度場和干縮應(yīng)力場，得出的結(jié)論如第三部分所述。（3）裂縫控制是一個系統(tǒng)工程，只有根據(jù)裂縫控制的難點、重點綜合考慮，才能有的放矢，達到預(yù)控裂縫的目的。

參考文獻：

[1]孫躍生，仲朝明，等.混凝土裂縫控制中的材料選擇.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]Jensen A D，Chatterj I S.State of the Art Report on Microcracking and Lifetime of Concrete：Part I.Materials and Structures，1996，29（1）.

[3]Ole Mejlhede Jensen.Autogenous deformation and RH-Change in perspeclive[J].Cern ConcRes，2001.

[4]朱耀臺.混凝土結(jié)構(gòu)早期收縮裂縫的試驗研究與收縮應(yīng)力場的理論建模.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[5]Ei-ichi Tazawa.Autogenous shrinkage of concrete.E&FN Spon，London and New York，1999.