现浇混凝土板早期顺筋裂缝研究

屈文俊 秦怡惟 朱 鹏 侯克亮

(同济大学建筑工程系，上海200092)

1 引言

2013年笔者在华东地区检测到了施工期间现浇楼板沿钢筋方向出现贯穿裂缝的三个工程案例。在这些工程实例中，产生了顺筋裂缝，即在混凝土板中沿混凝土与两个方向正交钢筋的接触面产生裂缝，而其他部位没有产生裂缝，裂缝形态如图1、图2所示。顺筋裂缝产生的原因可能是混凝土早期抗拉强度低，而水化热过大，其产生的温度应力大于对应的早期抗拉强度。

按以上分析，顺筋裂缝的产生需要满足两个条件:①温差本身不会在具有基本抗拉强度的混凝土中产生裂缝;②早期混凝土与钢筋之间的线膨胀系数差产生的温度应力足够大，与温差叠加产生裂缝;或者(也可同时满足)混凝土与钢筋接触面的抗拉强度并没有达到基本抗拉强度，在接触面出现裂缝。

本文主要从以上两个方面分析裂缝成因，首先分析早期混凝土的基本力学性能，包括抗拉强度和弹性模量，进行温度应力计算，再利用试验探究钢筋混凝土接触面的早期抗拉强度是否小于混凝土自身抗拉强度。

图1 上海横沙渔港核心功能区建设项目一期预加工车间板底顺筋裂缝Fig.1 Cracks along steel in cast-in-place concrete slab in a factory in Shanghai

图2 杭州市连城国际花园1号楼第一层楼盖结构板底顺筋裂缝Fig.2 Cracks along steel in cast-in-place concrete slabs in a residential building in Hangzhou

2 早期混凝土的力学性能

2.1 抗拉强度

抗拉强度是混凝土的重要力学性能。混凝土的早期抗拉强度与多种因素相关，包括所用的水泥强度等级及矿物成分、水灰比、外加剂种类及掺量、粗骨料强度及表面粗造程度等[1]。

国内外学者的试验研究表明，抗拉强度随着龄期的增长而增长，文献[1]、[2]表明，早期抗拉强度增长速度较快，以后增长速度较缓慢[2]。

2.2 弹性模量

弹性模量反映了混凝土所受应力与产生应变的关系，是混凝土重要的力学性能。随着水化作用的进行，混凝土弹性模量单调增长，但增长速度渐减并趋向收敛[3]，最后趋向于一个稳定值。

2.3 早期抗拉强度与弹性模量对比

为了分析早期裂缝产生的原因，进行早期混凝土抗拉强度和弹性模量的对比。

以Boulay等[4]采用BTJASPE试验装置测得的数据(水灰比0.54)为例，得到的弹性模量曲线和抗拉强度曲线分别如图3、图4所示。

由图可见，弹性模量的增长速度与抗拉强度的增长速度不同步。在2 d龄期之前弹性模量比抗拉强度增长快，更容易出现由收缩变形受约束产生的拉应力大于抗拉强度的情况，也即更容易出现裂缝。

图3 文献4中所研究混凝土的抗拉强度曲线Fig.3 The tensile strength curve in reference 4

图4 文献4中所研究混凝土的抗拉强度曲线Fig.4 The young's modulus curve in reference 4

3 早期顺筋裂缝分析

根据分析，混凝土板产生早期顺筋裂缝的元凶是水化热过大，最可能的直接原因有两点:

(1)温度应力，包括混凝土凝结过程中水化热造成的温差产生的温度应力——温差应力，以及早期混凝土与钢筋的线膨胀系数差导致的温度应力——线差应力。如果截面配筋率大，则在温差过大时容易出现由线差导致的沿钢筋方向的裂缝[5]。

(2)早期混凝土与钢筋表面的抗拉强度低于同龄期的混凝土抗拉强度。

本节对以上两点原因进行具体分析，首先进行温度应力计算，再用试验验证钢筋混凝土接触面的早期抗拉强度是否小于混凝土自身抗拉强度。

3.1 温度应力计算

3.1.1 相关参数说明

为计算温度应力，需要弹性模量曲线、抗拉强度曲线、混凝土线膨胀系数曲线、水化热引起的混凝土温升曲线。利用相关文献中的曲线来说明。

1)弹性模量和抗拉强度

采用 Boulay C等[4]测得的早期混凝土性能试验数据，其抗拉强度和弹性模量曲线分别见图3、图4。

2)热膨胀系数

龙炳煌等[5]总结前人研究成果得出，钢筋的线膨胀系数大约为12×10-6℃。

混凝土的热膨胀系数利用相关文献中曲线来说明。Laplante P等[6]所采用混凝土与文献[4]的试验中混凝土配合比相近，其配合比见表1，得到的混凝土热膨胀系数随混凝土成熟程度的关系见图5。

表1 文献[6]中所研究混凝土的配比Table 1 The concrete proportioning in reference 6

图5 文献[6]中混凝土的线膨胀系数曲线Fig.5 The thermal expansion coefficient curve of concrete in reference 6

3)混凝土温度历史曲线

混凝土凝结时温度变化同样采用文献[6]中的曲线，见图6。采用的是16 cm×32 cm圆柱形试件，在绝热条件下混凝土凝结时有15℃的温差，置于室温20℃下混凝土温差4℃。

3.2.2 计算温度应力

计算温度应力时，简化约束条件(楼板约束系数为1)，忽略自收缩和徐变，假设混凝土外表面和内表面不存在温度差，不考虑钢筋混凝土接触面粘结力的损伤。

利用接触面上混凝土应力与钢筋应力互相平衡计算线差应力，公式如下。

图6 文献[6]中混凝土的温度曲线Fig.6 The temperature curves of concrete in reference 6

式中，Es，Ec分别为钢筋和混凝土的弹性模量(MPa);αs，αc分别为钢筋和混凝土的线膨胀系数;As，Ac分别为钢筋面积和混凝土面积(mm2);ε为温度应变;△T为温差(℃);σs，σc分别为钢筋应力和混凝土应力(MPa);ρ为配筋率(%)。

线差应力随配筋率增大而增大。下面计算的线差应力是当配筋率从1%到3%变化时的应力。利用MATLAB编程分别计算绝热条件和非绝热条件下的温差应力和线差应力，再将两者叠加后与混凝土抗拉强度对比。绝热条件下，温差引起的混凝土温度变形和温度应力、线差引起的混凝土温度变形和温度应力、混凝土温度应力与抗拉强度对比结果见图7—图9;非绝热条件下，温差引起的混凝土温度变形和温度应力、线差引起的混凝土温度变形和温度应力、混凝土温度应力与抗拉强度对比结果见图10—图12。

图9 绝热状态下混凝土温度应力与混凝土抗拉强度对比Fig.9 The contrast of temperature stress and tensile strength of concrete under adiabatic condition

图7 绝热状态下温差引起的混凝土温度变形和温度应力Fig.7 The temperature deformation and stress of concrete caused by temperature difference under adiabatic condition

图8 绝热状态下线差引起的混凝土应力和钢筋应力Fig.8 The temperature deformation and stress of concrete caused by difference in linear expansion coefficients under adiabatic condition

从图7—图9可见，在绝热条件下，3 d龄期时温差应力达到了3 MPa，超过了抗拉强度，相比之下线差应力很小，在配筋率为3%时只有0.038 MPa，是温差应力的1.2%。从图10—图12可见，在非绝热状态下，2 d龄期时温差应力为1.15 MPa，线差应力为 0.015 MPa，约为温差应力的1.3%，两者叠加的温度应力并未超过混凝土抗拉强度。

图10 非绝热状态下温差引起的混凝土温度变形和温度应力Fig.10 The temperature deformation and stress of concrete caused by temperature difference under non-adiabatic condition

图11 非绝热状态下线差引起的混凝土应力和钢筋应力Fig.11 The temperature deformation and stress of concrete caused by difference in linear expansion coefficients under non-adiabatic condition

类比到工程中的混凝土，虽然施工中的温度差不会像绝热条件这么极端，但确实会存在某个温度历史，使其产生的温度应力大于混凝土抗拉强度。但是，由于线差与温差相比带来的影响太小，很难保证钢筋混凝土接触面产生裂缝而混凝土自身不产生裂缝。因此把焦点转移到钢筋混凝土接触面早期强度上。

图12 非绝热状态下混凝土温度应力与混凝土抗拉强度对比Fig.12 The contrast of temperature stress and tensile strength of concrete under non-adiabatic condition

3.2 钢筋与混凝土接触面早期强度

钢筋混凝土粘结界面是由钢筋和混凝土形成的一种传递二者之间作用力，使钢筋混凝土结构能够共同承受荷载的极为重要而又十分特殊的界面材料。相对混凝土而言，钢筋材料可以认为是损伤很小而忽略不计。而混凝土是一种多相复合材料，其成型硬化的过程中，由于骨料下沉、水分蒸发等因素，在粗骨料和砂浆之间会由于沉降和干缩造成微量的界面裂缝，也就是初始损伤。钢筋埋置在混凝土中，相当于混凝土中又掺加了一种材料，与上述相同的原因，在粘结界面上必然会出现微量的界面裂缝即初始损伤，从宏观上看，主要是钢筋与混凝土界面上的微裂隙;从细观量级上看，主要是砂浆中由于收缩不均匀造成的砂浆裂纹。

另外，在混凝土界面过渡区，也就是水泥浆体和集料接触面，早期强度要比同期的水泥浆体低[7]。

为研究钢筋混凝土接触面的抗拉强度，按照GB/T 17671—199水泥胶砂强度检验方法(ISO法)[8]对水泥胶砂试件进行抗折试验。

1)所需仪器

万能试验机(量程5 000 N，精度0.01 N)。支撑原柱之间距离100 mm。

2)所需材料

20 mm×40 mm×6 mm钢板12块，钢板表面未特别进行拉毛，入模前用酒精进行清洗以去除钢板加工过程中可能加入的润滑油。40 mm×40 mm×160 mm模具24个。水泥胶砂的质量配合比见表2。

表2 胶砂配合比Table 2 The ratio of cement and sand

3)试验方法

浇筑40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试件共24块，分为4组，每组6个试块，其中3个为纯水泥胶砂试件，另外3个为中间嵌钢板的水泥胶砂试件(见图13，浇筑时钢板靠模具侧面，试验时将此侧面作为底面)。

用万能试验机以1 mm/min的速度进行加载。GB/T 17671—1999中加载速度为50 N/s，考虑到试验中水泥胶砂龄期很小，并且内嵌钢板的试件可能抗折强度更小，若采用50 N/s的加载速度，可能几秒之内就破坏。故用位移来控制加载速度，采用1 mm/min进行加载。

在室温14.5℃、湿度为60%的条件下进行养护后拆模，各组的加载龄期见表3。

图13 内嵌钢板的水泥胶砂试件Fig.13 The mortar specimens with steel plates

表3 各组试件加载龄期表Table 3 The loading ages of specimens

4)试验结果

对于内嵌钢板的试件，第2组、3组、4组试件浇筑好第一批时未即时确认钢板位置，加载后发现只有第2组(20 h龄期)的2个试件是有效的。因此，对这三组试件进行第二次浇筑，同时对第1组试件进行第一次浇筑，并确认好钢板位置，其中第2组试件中的一个试件在拆模时就沿钢板断裂，为无效试件。总结下来，第1组、2组、3组、4组组试件的有效试件个数为3组、2组、5组、3组。

内嵌钢板的试件由于浇筑时钢板位置不好掌握，容易出现钢板偏移中心位置或者钢板倾斜;在拆模时轻微的震动也可能使钢筋与混凝土接触面间的损伤增大，导致这些试件得到的抗折强度较为不稳定，见图14。

试验结果中得到的抗折强度按GB/T 17671—1999中式(5)计算得到:

式中，Ff为折断时施加于棱柱体中部的荷载(N);L为支撑圆柱之间的距离(mm);b为棱柱体正方形截面的边长(mm)。

图14 内嵌钢板的水泥砂浆试件抗折强度Fig.14 The bending strength of mortar specimens with steel plates

观察到内嵌钢板的水泥砂浆试件抗折强度的整体趋势是沿龄期上升的，并且最大强度仍小于同期水泥砂浆试件的抗折强度。根据GB/T 17671—1999，需要对与平均值相差超过15%的数据进行剔除，但各个龄期的数据都太过分散，因此不进行数据剔除，内嵌钢板的抗折强度按平均值表示。不带钢板的水泥砂浆强度按GB/T 17671—1999表示，结果见图15。水泥砂浆的抗折强度要比带钢板的水泥砂浆试件的抗折强度大。

5)抗拉强度对比结论

抗折试验中，试件下部边缘纤维达到抗拉强度时即在试件下部出现裂缝，在加载过程中水泥砂浆的拉和压都可以看作是在线弹性范围内，因此可以用折断时施加于棱柱体中部的荷载Ff来表示材料的抗拉强度。

式中，σf为抗折强度(MPa)，其余符号含义同式(5)。

图15 内嵌钢板与不带钢板的水泥砂浆抗折强度Fig.15 The bending strength of mortar specimens with and without steel plates

可以看出，式(6)与式(5)中的抗折强度表示形式一致。因此试验中的抗折强度可以代表水泥胶砂的抗拉强度，说明水泥胶砂(混凝土)与钢板(钢筋)之间的垂直抗拉强度比同龄期水泥胶砂(混凝土)要弱。

4 防治措施

(1)对于现浇混凝土板，应科学地选择原材料，采用低水化热的水泥并掺入适当的掺合料，减小水胶比，从而降低水化热。

(2)合理地选择早期养护方法，如蒸汽养护或高压蒸汽养护，有利于保证水泥水化的湿度和温度，使水化热尽量扩散。张波等[9]指出，在混凝土振捣、抹面完成后且初凝之前，可在混凝土板面上覆盖一层塑料薄膜保湿养护，在一定时间内确保混凝土板面不上人及吊放物体，使混凝土与钢筋接触面能有足够时间产生抵抗混凝土变形的早期强度。

5 结论

(1)早期混凝土中水化热产生的温度差引起拉应力，但是由于线差与温差相比带来的影响太小，很难保证钢筋混凝土接触面产生裂缝而混凝土自身不产生裂缝，所以这并不是产生顺筋裂缝的主要原因;

(2)由于早期混凝土与钢接触面垂直抗拉强度相对较弱，导致混凝土板早期产生顺筋裂缝。由于早期混凝土的收缩相对较大，使顺筋裂缝贯穿楼板。这种顺筋贯穿性裂缝不仅造成板面渗水，而且可导致内部钢筋的锈蚀，最终将对混凝土耐久性造成严重影响[9]。

[1] 李晓芬，刘立新.商品混凝土早期时随轴心受拉强度的试验研究[J].郑州大学学报(工学版)，2005，25(4):29-32.LiXiaofen，Liu LiXin.Experimentalstudy on premixed concrete of the direct tensile strength of time-dependent at early ages[J].Journal of Zhengzhou U-niversity(Engineering Science)，2005，25(4):29-32.(in Chinese)

[2] 赵联桢，杨平，刘成.混凝土早期力学性能试验研究[J].水利水运工程学报，2013(1):35-40.Zhao Lianzhen，Yang Ping，Liu Cheng.A study of concrete early mechanical properties[J].Hydro-Science and Engineering，2013(1):35-40.(in Chinese)

[3] 张建仁，王海臣，杨伟军.混凝土早期抗压强度和弹性模量的试验研究[J].中外公路，2003，23(3):89-92.Zhang Jianren，Wang Haicheng，Yang Weijun.Experinental research on compressive strength and etastic modulus of early-age concrete[J].Journal of China and Foreign Highway，2003，23(3):89-92.(in Chinese)

[4] Boulay C，Crespini M，Delsaute B，et al.Monitoring of the creep and the relaxation behaviour of concrete since setting time，part 1:compression[J].Strategies for Sustainable Concrete Structures，2012.

[5] 龙炳煌，李书进，孙艳，等.钢筋混凝土结构线差温度应力的试验研究[J].建筑结构学报，1999，20(4):54-58.Long Binghuang，Li Shujin，Sun Yan，et al.Experimental research on thermal stress of RC members with difference in linear expansion coefficients between steel and concrete[J].Journal of Building Structures，1999，20(4):54-58.(in Chinese)

[6] Laplante P，Boulay C.Evolution du coefficient de dilatation thermique du béton en fonction de sa maturité aux tout premiers âges[J].Materials and Structures，1994，27(10):596-605.

[7] 江晨晖，吴星春，胡丹霞.界面过渡区对混凝土性能的影响及其改善措施[J].中国建材科技，2006，15(2):27-30.Jiang Chenhui，Wu Xingchun，Hu Danxia.Transtion zone’s influences on behavior of concrete and Its measures of improvement[J].China Building Materials Science ＆ Technology，2006，15(2):27-30.(in Chinese)

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标准化管理委员会.GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法 (ISO法)[S].北京:中国标准出版社，1999.General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，Standardization Administration of the People's Republic of China.GB/T 17671-1999 Method of testing cements-Determination of strength(ISO)[S].Beijing:China Standard Press，1999.(in Chinese)

[9] 张波，孙启斌，张晓光.混凝土早期养护的重要意义及措施[J].粉煤灰，2010(2):20-22.Zhang Bo，Sun Qibin，Zhang Xiaoguang.The significance of early-age curing to modern concrete[J].Coal Ash，2010(2):20-22.(in Chinese)