混凝土早龄期性能及裂缝控制

邢娜

摘 要：混凝土结构早期开裂直接决定着土木工程结构性能衰退状况。而因混凝土材料自身特点及多种因素的影响下，混凝土内部逐步产生裂缝，并对混凝土结构的耐久性、服役寿命等造成极大影响。为此，研究混凝土早龄期性能及裂缝控制问题极为关键。本文在对混凝土早龄期基本力学性能分析的基础上，对其早期裂缝试验方法、控制方法等内容进行了探究。

关键词：混凝土；早龄期性能；裂缝控制

一、混凝土早龄期性能

1、混凝土初期水化及电特性

搅拌混凝土后，混凝土微观结构就开始受重力作用、外界环境等因素的影响。水胶比、骨料体积是决定新拌混凝土初期性能的主要因素，新拌混凝土可认为是悬浮于水中不同粒徑的悬浮液，也可当做是水在粒子附近填充形成的多孔介质材料。水泥的水化过程能够让混凝土由粘塑性液态材料逐步向刚性可承受荷载作用的固体材料转化。

混凝土水化程度监测目前常用的方式就是电阻率测试法。利用分析研究各类水灰比、不同掺合料混凝土电参数及相关曲线变化规律，可以看出伴随时间的增加，早龄期混凝土电阻率、强度曲线的相似性及相关性也会越来越强，如图1所示。通过混凝土早龄期电阻率变化速率曲线分析，混凝土水化进程可进行5阶段划分，即水泥水解—诱导—凝结—硬化—硬化后期。通过观察电阻率速率曲线各个关键点，如峰值点、拐点等，可全面展现水泥水化的整个过程，能够极为准确地做到混凝土凝结时间的确定。通过混凝土早期电阻率的变化情况，可以把混凝土早期内部变化充分反映出来，如生成水化产物等。

2、混凝土早龄期收缩与徐变

干燥收缩、塑性收缩及自收缩等都是混凝土收缩的主要类型。但各个龄期混凝土结构中往往同时存在多种收缩，且相互作用、相互影响。因混凝土早期收缩是各类收缩综合作用的结果，因此详细划分难度较大。为此，本文利用自制混凝土收缩测量装置对3类混凝土早期收缩、后期干燥等进行了分析。通过观测得出，密封养护原理下，混凝土3天变形现象为“膨胀—收缩”。笔者认为，混凝土产生微膨胀的原因可分为2点：第一，混凝土早期水化放热出现体积膨胀；第二，浇注混凝土一定时间后，将会产生泌水问题。密封条件下，伴随水泥水化情况此类表面泌水将会被混凝土吸收，进而产生体积膨胀现象。室内干燥条件下，混凝土后期收缩分析得出，聚丙烯腈纤维混凝土适量添加，可达到早期收缩降低的目的，如水泥强度等级较高，则可实现混凝土后期收缩增加的目的。但在养护条件一致的情况下，各类型混凝土最终收缩值差距较小。为此，笔者认为混凝土收缩变形可选取公式（1）表示。

其中，龄期t时混凝土早期收缩应变可由 表示；

混凝土最终收缩应变可由 表示；

龄期可由t表示；

试验常数为a1、b1、a2、b2表示。

计算流动变形速率时，可对一个龄期调整扩大系数k进行定义，以此对老混凝土流动变形估算缺陷加以弥补，并对新徐变分析方法进行定义，也就是我们所说的龄期调整流动率法。基于此，混凝土流动变形值可利用龄期调整流动率进行计算，如公式（2）所示。

（2）

其中，t龄期应力可由 表示；

T龄期弹性模量可由E（t）表示；

初始加载时刻可由 表示；

任意加载时刻可由 表示；

初始加载后的流动变形度可由Cf 表示；

滞后弹性变形度可由 表示。

由此得出，龄期调整扩大系数，其计算公式（3）如下：

其中，0以上的待定参数为A、P；

龄期调整最终扩大因子由A表示；

龄期调整影响指数可由p表示。

二、混凝土早龄期裂缝控制

1、混凝土早龄期温度裂缝控制及数值模拟

一般都会选取有限元计算法进行传统早龄期混凝土温度应力分析，但该方法存有一定缺陷，为此，笔者将等效龄期方法引入对其进行改进，且分析评估了早龄期混凝土的温度应力、开裂风险等。假设分析混凝土温度应力有限元内，温度荷载可通过节点温度增量进行表示，并进行加载作业，所有节点最大温度应力此时可根据“增量法”获取，公式（4）如下：

（4）

其中，t时刻节点的温度应力可由 表示；

混凝土热膨胀系数可由k表示；

ti时刻通过等效龄期计算的节点弹性模量可由E（ti）表示；

第i时段内的节点温度增量则可由 表示；

应力松弛系数可由 表示；

计算时段则由i表示。

某时刻混凝土的开裂风险=此时刻混凝土最大温度应力/抗拉强度，计算公式（5）如下：

（5）

其中，节点开裂风险可由Pc表示；

节点最大温度应力值可由 表示；

所有节点等效龄期计算的抗拉强度值可由ft表示。

2、混凝土结构裂缝分析

非贯穿表面裂缝作为混凝土结构物裂缝的主要裂缝之一，其所占比例高达70%左右。产生此类裂缝的主要原因为温度变形、收缩变形受到约束出现应力。如500mm以上为梁或墙体类结构壁厚时，因温度分布不均或收缩等问题，产生较为严重的约束应力，进而引起混凝土表面裂缝产生。因此类混凝土裂缝极为复杂，为有效控制裂缝，必须对一系列影响因素进行分析，如温度、徐变等，对其开裂风险进行准确评估。混凝土结构在约束条件下，拉应力增量可通过公式（6）表示，

其中，混凝土泊松比可由V表示；

第i时段增量 混凝土温度应变及收缩应变增量的和可由 表示。

通过对混凝土所有早期性能的充分考虑，可对C35复掺矿物合料混凝土的强度进行计算，通过图2可反映出180d极限拉应变和理论拉应变的关系。

由图2所示，理论拉应变曲线的过程为“下—上—下”。混凝土早期温度较高时，将大大减少理论拉应变。3到30天干燥收缩作用为主，此时将提升理论拉应变；30天之后，因应力松弛现象产生，将同时降低理论拉应力、理论拉应变。除此之外，理论计算获取的拉应变从始至终都控制在C35极限拉应变以下，由此可见，C35混凝土抗裂性能良好。

3、混凝土早期裂缝控制措施

第一，浇筑混凝土后及时做好养护工作，如将麻布、塑料布等覆盖到混凝土表面，避免水分流失过快；

第二，将化学物质喷洒到混凝土表面，避免水分过度流失；

第三，完成拆模作业后，应再次做好养护工作；

第四，应始终确保施工作业在高湿度状态完成；

第五，混凝土表面风速有效减小；

第六，混凝土养护温度提升，加快凝结速度；

第七，超塑性减水剂使用需适量；

第八，水泥材料应具有较大粒径，以此对化学收缩问题进行有效控制。

三、结束语

综上所述，伴随国民经济发展速度的不断提升，混凝土作为一项重要施工材料，在我国工程建设中得到了广泛应用。但在其应用范围逐步扩大的今天，早龄期裂缝问题也愈加严重，为更好地控制裂缝，本文在充分了解混凝土早龄期各项性能的基础上，探讨了其裂缝产生原因，并提出了相应的控制措施，以期全面提升混凝土工程质量。

参考文献

[1] 韩宇栋，张君，王家赫，郝挺宇. 基于粗骨料含量的混凝土早龄期收缩调控[J].混凝土. 2017（01）.

[2] 赵志方，李海峰，谭恺严，吉顺文.混凝土早龄期抗裂性能测试方法评述[J]. 实验室科学. 2012（06）.

[3] 金臻丽，杨俊杰，应义淼，章雪峰，郑曙光.余震作用下早龄期混凝土强度及损伤试验[J]. 建筑结构. 2011（03）.

[4] 徐仲卿，袁泉，杨振坤，王梦梦，王冬雁.早龄期混凝土力学性能试验及其单轴本构模型[J]. 沈阳工业大学学报. 2015（01）.