混凝土早期收缩开裂研究综述

(武汉理工大学 湖北 武汉 430000)

在大多数基建项目中，由于混凝土外露表面积较大，在早期浇筑完混凝土后，混凝土暴露在自然环境中，高温和低湿的环境与养护不当都会造成混凝土早期开裂。而混凝土过早开裂会使得钢筋过早的暴露于环境中而导致其锈蚀，耐久性降低，使得建筑物的使用寿命大大降低。

一、混凝土收缩开裂带来的危害

1999年在全球由于混凝土开裂、钢筋被腐蚀导致的耐久性降低而造成的损失就已高达1800～3600亿元[1]。早期裂缝的产生不仅会对建筑物的耐久性、承载力有影响，也会让人在主观上产生不信任感；还有某些有特殊用途的建筑物，如生化试验室等，也要求建筑物长期处于无裂缝状态，这些都说明对于早期收缩开裂现象的研究与探讨具有重要的现实意义。

二、混凝土收缩开裂的机理与成因

混凝土早期收缩开裂与三个因素有关，混凝土实时抗拉强度、收缩变形、约束作用。早期混凝土在约束作用下产生收缩变形时会产生内部拉应力，当内拉应力超过混凝土的实时抗拉强度时，则混凝土开裂。其中，混凝土的抗拉强度与混凝土材料组成、养护手段、龄期有关；而约束作用则是指混凝土在体积变化的过程中受到外界的约束，由于外界的约束使得混凝土不能自由变形，从而导致混凝土内部会产生内应力。

混凝土的早期收缩可分为温度收缩、干燥收缩、化学收缩、自收缩、碳化收缩，其中一般情况下环境中二氧化碳浓度较低，从而导致碳化收缩的量很小。

温度收缩，混凝土的体积因为水化温度的变化产生的先膨胀后收缩的现象称为温度收缩。在大体积混凝土浇筑早期，混凝土内部会产生大量的热量，外部表面积也很大，散热速度快。但内部温度与外部温度始终会存在较大温差，当外部混凝土已经降温至收缩状态时，内部混凝土可能还处于膨胀状态，而后内部温度降低时会产生收缩，则内部混凝土会对外部混凝土产生一个拉应力，在加上外界约束对混凝土作用产生的拉应力，使得大体积混凝土受温度收缩开裂的影响更大。

干燥收缩，在混凝土早期养护不是很好时，环境湿度较低，混凝土内部毛细孔和凝胶体内部空隙中的水分向外界散失从而受毛细管张力的作用致使混凝土体积发生不可逆的收缩[2]。这一现象可以用毛细管张力理论解释，当混凝土周边环境的相对湿度小于100%，混凝土各孔隙内的水分开始向外流失，随着水分的逐渐丧失，毛细管水凹液面的曲率半径越来越小，使得毛细负压力越来越大，从而导致混凝土产生收缩。所以进行合理的养护，使得环境内的相对湿度维持在较高的水平上，会减小干燥收缩，从而对早期裂缝的产生起到一定的抑制作用。

化学收缩，化学收缩指的是水化反应这一化学过程造成的混凝土体积上的收缩。水化反应前水泥与水的总体积是小于水化后的水化反应生成物的，而且具研究表明大多数硅酸盐水泥浆体水化后的体积总减缩量大概为7%～9%[3]。水化收缩主要受水泥品种、用量和掺合料的种类、用量的影响。据资料显示：水化反应前后，水泥熟料中的C3A、C3S、C2S等的收缩量分别为29.9%、5.3%、1.9%。

自收缩，自收缩与干燥收缩的机理都可以用毛细管表面张力理论来解释，均是由于混凝土内部孔隙和凝胶体内部空隙中的水分散失后使得孔隙内凹液面的曲率半径变小而导致的毛细孔内负压力变大，从而使得混凝土的体积减小。然而，干燥收缩是由于外界环境的湿度原因使得内部水分散失，而自收缩是由于混凝土内部水化反应消耗了水分从而导致的水分丧失。目前混凝土都朝着高强高性能的方向发展，使得混凝土的水胶比越来越低。虽然强度越来越高，但自收缩量却随着混凝土水胶比的降低而增大，增大了混凝土的早期开裂可能性。

三、试验手段

对混凝土早期的抗裂性能进行评估并研究多种因素对于抗裂性能的贡献对于混凝土原材料的优选、设计、施工等有着很重要的意义。为此，多国专家均对这方面进行了相关的研究，国际、国内专家通过多年的实践与研究逐渐开发出了多种对混凝土早期抗裂性能进行研究与评价的试验装置和试验方法。目前流行的大概有圆环法约束收缩试验、平板法约束收缩试验。

平板法：我国《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[4]中推荐了一种混凝土早期抗裂试验装置，该装置尺寸为800mm×600mm×100mm的平面薄板型钢材料模具，其要求每组试件至少为两个。试件内部有7根裂缝诱导器，混凝土浇筑完成后，平板模具和混凝土试件作为一个整体进行试验。要求保证试件中心表面的风速≥5m/s，刻度放大镜的放大倍数应≥40倍，且分度值≤0.01mm。试验环境应在温度为(20±2℃)、相对湿度为(60±5)%的恒温恒湿环境中进行。在24h后测读裂缝，用钢直尺量取裂缝长度，将裂缝两端的直线距离作为裂缝长度，当一个刀口诱导器上方有两条或两条以上裂缝时，可以将各条裂缝长度相加折算为一条裂缝的长度。裂缝宽度用放大倍数大于40倍的刻度放大镜测量读取，并按照规范上的方法来计算裂缝面积。将裂缝面积作为衡量混凝土早期抗裂性能的评价指标。

圆环法：麻省理工学院的Roy Carlson教授在1942年提出了圆环法[5]，并用其来研究水泥净浆和砂浆的抗裂性能，该装置示意图见图1。

图1 Roy Carlson采用的圆环

图2 Dahl改进的圆环装置

Roy Carlson教授提出的上述圆环法虽为早期抗裂性能的试验研究起了很好的头，但也存在着许多不足的地方，例如无法预知开裂的位置。针对这一问题，Dahl 提出了一种改进的圆环法[6]，其思想是在外钢环上焊接许多条垂直于环向的钢肋板，以此来增加装置对混凝土试件的约束作用，装置图详见图2。

混凝土早期收缩开裂问题涉及的因素较多，本文也只是介绍了试验方面的有关内容，希望后人能从软件模拟的方向对混凝土的早期收缩开裂问题进行研究探讨，目前关于该方面的模拟还较少。