賴(lài)日飛

（縉云縣九州混凝土有限公司，浙江 麗水 321400）

0 前言

混凝土作為一種多相材料，通過(guò)膠凝材料水化生成的膠凝礦物相將砂石等骨料膠結(jié)成為堅(jiān)硬的固體。相比金屬材料和高分子材料，混凝土具有強(qiáng)度高、可模性強(qiáng)、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在脆性大、拉伸強(qiáng)度低等缺點(diǎn)?；炷烈资茏陨碓牧腺|(zhì)量波動(dòng)影響，同時(shí)在溫度和濕度變化以及惡劣的服役環(huán)境下均易出現(xiàn)微裂紋，當(dāng)這些微裂紋逐漸發(fā)展就會(huì)形成有害裂縫，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成危害，從而縮短工程主體的使用壽命。

根據(jù)裂縫形成的主要起因，混凝土裂縫可以分為溫度裂縫、收縮裂縫及塑性裂縫[1]，裂縫的發(fā)展是由表及里的過(guò)程，細(xì)小的裂紋通過(guò)荷載或者環(huán)境劣化不斷擴(kuò)展，進(jìn)而成為有害裂縫。本文對(duì)混凝土裂縫的主要成因進(jìn)行分析，對(duì)混凝土裂縫提出預(yù)防和修復(fù)的舉措，希望為混凝土開(kāi)裂防治提供有效參考。

1 混凝土裂縫的主要分類(lèi)

1.1 溫度裂縫

溫度對(duì)水泥水化速率產(chǎn)生影響，能夠調(diào)控水泥水化進(jìn)程，當(dāng)周?chē)B(yǎng)護(hù)溫度升高或者使用熱水泥時(shí)，水泥水化放熱加快[2]，出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間縮短，使得混凝土出現(xiàn)內(nèi)部缺陷增多，從而引起體積穩(wěn)定性不良?；炷羶?nèi)外溫差過(guò)大是引起混凝土開(kāi)裂的主要原因，當(dāng)混凝土澆筑內(nèi)部溫度和混凝土表面溫差超過(guò) 25℃，或者混凝土表面溫度與環(huán)境溫差大于 20℃ 時(shí)，溫度拉應(yīng)力超過(guò)混凝土內(nèi)部的約束力，就會(huì)產(chǎn)生混凝土初期微裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展極易形成貫穿性的裂縫。溫度裂縫一般無(wú)固定走向，根據(jù)不同部位而異。梁板類(lèi)一般與其短邊平行，大面積的構(gòu)件一般裂縫相互交錯(cuò)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)危害較大[3]。

1.2 塑性裂縫

塑性裂縫多發(fā)生在混凝土澆筑初期，發(fā)生在硬化前，此時(shí)混凝土尚處于塑性階段，混凝土表面失水速率較快，形成較強(qiáng)的拉應(yīng)力，而混凝土尚未硬化形成強(qiáng)度，混凝土無(wú)法有效抵抗變形而出現(xiàn)塑性裂縫。引起塑性裂縫的因素較多，水泥和礦物摻合料細(xì)度和品類(lèi)、水膠比以及外加劑帶來(lái)的超緩凝問(wèn)題都可能成為混凝土塑性開(kāi)裂的誘因。曾國(guó)東等[4]人發(fā)現(xiàn)礦物摻合料加入后能夠降低混凝土早期塑性開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，其中加入 15%～20% 左右的粉煤灰可以使開(kāi)裂面積大幅下降，適宜摻量的花崗巖石粉可以有效降低混凝土早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。水泥用量越高，出現(xiàn)塑性開(kāi)裂的概率越大，因此高強(qiáng)度等級(jí)混凝土相比低強(qiáng)度等級(jí)混凝土更容易出現(xiàn)塑性開(kāi)裂。同時(shí)，水膠比過(guò)大、外加劑中緩凝劑用量過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致混凝土塑性收縮加大。此外由于骨料和砂漿質(zhì)量不均，出現(xiàn)骨料下沉或者受到鋼筋擾動(dòng)出現(xiàn)塑性沉降，也會(huì)造成混凝土塑性開(kāi)裂。

1.3 收縮裂縫

混凝土受到自身水泥水化及周?chē)h(huán)境的影響，可能出現(xiàn)塑性收縮、干燥收縮、化學(xué)收縮和碳化收縮。其中干燥收縮是引起混凝土收縮開(kāi)裂的主要原因[5]，當(dāng)混凝土表面和大氣中存在濕度差或者溫度差就容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而使得混凝土內(nèi)部失水加快，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)不良或者未及時(shí)抹面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)混凝土表面微裂紋，繼續(xù)發(fā)展會(huì)形成混凝土有害裂縫。水膠比過(guò)大、水泥過(guò)細(xì)以及砂石含泥量過(guò)高等都會(huì)加劇混凝土養(yǎng)護(hù)不良條件下的開(kāi)裂。雷萬(wàn)康[6]研究了熱水泥對(duì)混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)水泥溫度提高增加了水泥早期水化熱，混凝土早期強(qiáng)度提高，但也增加了混凝土早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。袁杰 等[7]研究了砂含泥和骨料含粉對(duì)混凝土收縮的影響，砂中含泥和骨料含粉均對(duì)混凝土收縮帶來(lái)不利影響，這使得混凝土體積穩(wěn)定性減弱，混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)前優(yōu)質(zhì)砂石資源短缺，機(jī)制砂和劣質(zhì)骨料的應(yīng)用加大了工程開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[8]，其中骨料含泥量超標(biāo)會(huì)引起混凝土失水過(guò)快，混凝土受到干燥收縮和碳化收縮開(kāi)裂的概率增加。

2 混凝土裂縫的防治

2.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量

混凝土作為多組分材料，膠凝材料、砂石骨料、拌合水質(zhì)量好壞都會(huì)對(duì)混凝土裂縫控制帶來(lái)一定影響。水泥作為主要的膠凝材料，主要起到膠結(jié)砂石的作用。影響水泥質(zhì)量的因素有礦物組成、粉磨細(xì)度以及水泥堿含量等，其中 C3A 含量高的水泥早期水化較快，需要較多的石膏調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，在使用過(guò)程中會(huì)造成混凝土坍落度損失過(guò)快，與外加劑適應(yīng)性減弱，在澆筑后混凝土開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。粉煤灰、礦粉等傳統(tǒng)礦物摻合料的使用降低了水泥用量，同時(shí)改善混凝土和易性，降低水泥早期水化熱，并保證混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度和耐久性，但礦物摻合料的使用也會(huì)使混凝土早期強(qiáng)度下降，混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早拆模后就會(huì)出現(xiàn)荷載裂縫。近年來(lái)，隨著資源短缺及國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施，天然砂資源逐漸退出日常商品混凝土生產(chǎn)，取而代之的是機(jī)制砂的大范圍應(yīng)用，甚至全機(jī)砂也已經(jīng)在高強(qiáng)高性能混凝土生產(chǎn)中得以應(yīng)用，機(jī)制砂中含泥量、含粉量、細(xì)度模數(shù)等都會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而增加了混凝土質(zhì)量波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 做好結(jié)構(gòu)防裂

混凝土裂縫的控制需要貫徹全過(guò)程控制，即從基礎(chǔ)地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及混凝土選用及后期養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)范管理。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低混凝土裂縫的重要環(huán)節(jié)，主要從伸縮縫的設(shè)置、混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用以及合理的鋼筋布置等開(kāi)展，混凝土結(jié)構(gòu)在溫度變化或者收縮時(shí)，由于體積變形過(guò)大從而會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，而收縮縫的設(shè)置恰好可以減少混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)體的傷害。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)工程實(shí)際，參考結(jié)構(gòu)跨度及不同部位，設(shè)置適當(dāng)寬度和長(zhǎng)度的伸縮縫，在部分薄弱區(qū)域，可以通過(guò)加入纖維、加厚板面、增加配筋等方式進(jìn)行增強(qiáng)抗裂設(shè)計(jì)[9]，此外人們往往將設(shè)置后澆帶、加強(qiáng)帶等方法配合使用，綜合抗裂。

高等級(jí)混凝土的使用為設(shè)計(jì)人員降低墻體厚度、增加建筑物的有效利用空間提供了可能，因此設(shè)計(jì)人員往往選擇提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)來(lái)確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力。但高強(qiáng)度等級(jí)混凝土意味著較高的膠材用量、較低的水膠比，這使得混凝土早期集中放熱量大、水化溫升快，易造成混凝土出現(xiàn)溫度應(yīng)力而出現(xiàn)開(kāi)裂。因此，設(shè)計(jì)人員本著適用、經(jīng)濟(jì)、安全的角度合理選用混凝土等級(jí)，減少材料浪費(fèi)，降低混凝土水化開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

合理選用鋼筋配制有利于防止混凝土開(kāi)裂。在梁、柱等的鋼筋配制中，應(yīng)適當(dāng)增加縱向受力鋼筋條數(shù)，以分散集中應(yīng)力；在鋼筋代換時(shí)，要考慮所替換的鋼筋類(lèi)型及面積是否有利于結(jié)構(gòu)抗裂。

2.3 做好施工現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)

混凝土良好的工作性能可以保證施工的順利進(jìn)行，后續(xù)良好的養(yǎng)護(hù)有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展和耐久性，也有利于混凝土裂縫的防控。養(yǎng)護(hù)的目的就是保證混凝土內(nèi)部水分供應(yīng)，確保水泥持續(xù)水化和周?chē)h(huán)境溫度和濕度差值不至于產(chǎn)生應(yīng)力破壞。在夏季時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)可以保持混凝土表面濕潤(rùn)，降低混凝土表面溫度，減低混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中；冬季通過(guò)覆蓋棉氈等保溫措施可以降低內(nèi)外溫差，避免混凝土遭受凍害，減少混凝土由于溫度應(yīng)力而引起的內(nèi)部裂縫。由于混凝土裂縫是由表及里的破壞過(guò)程，降低混凝土表面微裂紋數(shù)量，通過(guò)良好的養(yǎng)護(hù)可以達(dá)到微細(xì)裂紋自愈合的目的。夏露等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了減縮劑養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù) 3 種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)綜合管廊混凝土抗裂性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)減縮劑可以推遲混凝土初始開(kāi)裂時(shí)間，裂縫寬度可以降低 70%，同時(shí)開(kāi)裂面積相比土工布養(yǎng)護(hù)減少 46%，這說(shuō)明適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)可以提高混凝土的抗裂效果。蔣睿[11]研究表明，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，整個(gè)體系對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的要求越苛刻，尤其是大流動(dòng)性和高性能混凝土的發(fā)展，使得現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)愈發(fā)重要。

2.4 混凝土裂縫防治新技術(shù)

隨著科技的蓬勃發(fā)展，人們也在不斷探索混凝土開(kāi)裂防治技術(shù)，比如施工工法創(chuàng)新、新修復(fù)材料等，為混凝土裂縫防治提供了有益探索。

首先，混凝土配合比設(shè)計(jì)有了新理念，注重前期開(kāi)裂設(shè)計(jì)，在保證混凝土工作性能和強(qiáng)度的情況下，盡量降低水泥用量，提高礦物摻合料的用量，從而降低混凝土溫升，減少溫度裂縫的發(fā)生概率。對(duì)于大體積混凝土，尤其是水利水電、核電等重大工程，冰水?dāng)嚢?、骨料風(fēng)冷技術(shù)以及低熱水泥混凝土配制技術(shù)等的應(yīng)用降低了水泥水化放熱速率，混凝土內(nèi)部溫升峰值削弱。中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)烏東德水電站就在世界上創(chuàng)新使用低熱水泥鑄就無(wú)裂大壩。

近年來(lái)關(guān)于自修復(fù)材料的研究如火如荼，其原理在于通過(guò)加入自修復(fù)膠囊或者微型顆粒的材料，通過(guò)自身反應(yīng)或者與水泥基材反應(yīng)，修復(fù)混凝土細(xì)小裂縫。Dry Carolyn 教授[12]以空心玻璃纖維代替微膠囊，并以縮醛高分子材料作為修復(fù)材料，注入空心玻璃纖維中，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)可以使得玻璃纖維破壞，流出的修復(fù)材料通過(guò)沉淀填補(bǔ)縫隙，達(dá)到修復(fù)的效果。國(guó)內(nèi)的江沈陽(yáng)等人[13]采用環(huán)氧樹(shù)脂包裹硅酸鈉并覆蓋細(xì)沙制作成功硅酸鈉修復(fù)劑，通過(guò)試驗(yàn)制備了自愈合混凝土。此外新型灌漿材料的發(fā)展也為混凝土的后續(xù)修補(bǔ)提供了可能。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土裂縫的產(chǎn)生往往是多方面的，混凝土原材料、施工質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)以及設(shè)計(jì)因素等都可能引起混凝土裂縫。混凝土裂縫的發(fā)展是由表及里、由小到大的發(fā)展過(guò)程，因此控制混凝土早期微裂縫的發(fā)展顯得尤為必要，防止無(wú)害裂縫擴(kuò)展為有害裂縫，有害裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。防治混凝土裂縫，依靠各環(huán)節(jié)控制也要注重新技術(shù)研究，盡最大努力降低有害裂縫的產(chǎn)生，維護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)安全。