混凝土裂缝的预防与控制阎培渝清华大学土木系建材研究所Tel：混凝土材料的抗渗性能与混凝土结构的抗裂能力两者需要分别考虑，不能混为一谈。一个是材料性能，在实验室内用试件评价。一个是结构表现，体现在完工后的结构上，由结构设计、材料和施工共同决定。混凝土结构的开裂问题普遍使用早强高强的商品混凝土所导致。世界性的问题1996年Krauss和Rogalla调查了美国和加拿大的20万座桥梁，发现其中10万座以上的桥梁的混凝土桥面板在修建后不久就产生贯穿裂缝，裂缝间距仅有13米。我国的现浇混凝土楼板和地下室连续墙开裂现象十分严重。现代混凝土结构的开裂主要不是由于荷载的作用，而是变形变形所致。温度变形、收缩变形温度变形、收缩变形和基础不均匀沉基础不均匀沉降降等，都可能引起混凝土结构的开裂。根据王铁梦的估计，变形作用引起的裂缝几乎占全部裂缝的80%以上材料的耐久性结构的耐久性裂缝混凝土结构的裂缝常常是控制其使用寿命的主要因素。混凝土结构裂缝种类塑性裂缝温度裂缝收缩裂缝干燥收缩自干燥收缩塑性裂缝塑性裂缝混凝土表混凝土表面面泌水速率泌水速率 蒸发速率蒸发速率开裂开裂当表面失水速率超过实际泌水速率时，新拌混凝土迅速干燥。如果近表面的混凝土已经稠硬，不能流动，但其强度又不足以抵抗因收缩受到限制所引起的应力时，就产生开裂。塑性裂缝常引发硬化混凝土的开裂。可通过及时抹面消除。塑性开裂形式温度变化导致的体积收缩混凝土硬化以后，随内部温度降低而产生的宏观体积收缩。水泥的水化热及环境温度变化是引起温度收缩的主要原因。与水胶比、胶凝材料的组成与用量、混凝土拌和物入模温度、环境温度变化、内部的相对湿度、结构形式等因素有关。温度裂缝温度裂缝混凝土硬化期间由于水化放热使内部温度升高，到达温峰后降温时产生受约束的收缩变形，形成拉应力。当拉应力超过抗拉强度时，出现开裂。近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂的现象增多，此时干燥收缩并不显著。水化热、温度变化以及内外温差成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。高强混凝土具有较大的温度收缩。C40大掺量粉煤灰混凝土的绝热温升曲线入模温度为入模温度为17.617.6 ，5d5d后后到达温峰，约到达温峰，约为为58.858.8，温，温升为升为41.241.2。入模温度为入模温度为13.013.0 ，6d6d后后到达温峰，约到达温峰，约为为62.862.8，温，温升为升为49.849.8。C30混凝土的绝热温升4m厚混凝土底板的温升曲线C45R60水泥用量220kg/m3粉煤灰用量180kg/m3水胶比0.42混凝土内部湿度变化导致的体积变化干燥收缩干燥收缩： 混凝土在未饱和空气中向外界散失水分而产生的收缩。 干缩与水灰比、环境温湿度、胶凝材料组成、骨料品种与比例、养护条件、龄期等因素有关。 100g水泥水泥浆体，可蒸体，可蒸发水分水分约6ml 混凝土混凝土C=300kg/m3 ，可蒸，可蒸发水分水分约18l 水泥砂水泥砂浆干干缩值约0.10.2% 水泥混凝土水泥混凝土180天自由干天自由干缩值约0.040.06%在与外界没有水分交换的条件下，混凝土内部自干燥作用引起的宏观体积收缩。混凝土的自收缩在初凝以后开始产生。自收缩大小与水胶比、胶凝材料组成、减水剂品种与掺量、骨料品种与比例有关。自收缩自收缩化学反应导致的体积变化水化过程中水化产物的绝对体积减少。硅酸盐水泥的水化收缩约7%。如果混凝土C=300kg/m3，减，减缩值2127L/m3初凝以前水化收缩表现为塑性收缩，初凝以后则导致自干燥收缩产生。自收缩机理水化反应进行过程中，一部分拌合水由化学反应消耗，一部分填充凝胶孔。当水灰比较大时，凝胶孔基本上充满水，自身收缩很小；水灰比较小时，凝胶孔内部只有部分充满水，形成弯月面，外界的压力使水泥浆体收缩。混凝土的水化收缩与自收缩自收缩与干缩的异同点相同点相同点：均由于水的迁移水的迁移所引起；不同点不同点： 1.自收缩不失重，干缩伴随水分散失；2.自收缩是各向同性的，干缩由表及里； 3.水灰比降低时，干缩减小，自收缩增大； 4.覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而自收缩必须通过湿养护才能减小。常规收缩试验测定结果是干燥收缩与自收缩的叠加，主要是干燥收缩。普通混凝土主要产生干燥收缩，自生收缩不超过50微应变，占总测定值的10%左右。干燥收缩是引起普通混凝土开裂的主要原因之一。在高强混凝土中，自生收缩可达数百微应变，占总收缩量的一半左右，不可忽视。自收缩与干缩的异同点w/b=0.26w/b=0.34混凝土的自收缩混凝土的自收缩自身收缩和干燥收缩占总收缩的比例 （%）混凝土的变形类型与开裂混凝土的变形类型与开裂自由收缩，相向变形，不裂；自由收缩，相向变形，不裂；限制收缩，背向变形限制收缩，背向变形, ,开裂开裂; ;自由膨胀，背向变形，开裂；自由膨胀，背向变形，开裂；限制膨胀，相向变形，不裂限制膨胀，相向变形，不裂混凝土结构裂缝产生的原因变形作用引起的混凝土结构开裂的原因很复杂，涉及到结构设计、材料组成、施工技术、环境状态等诸多因素。混凝土材料本身的组成与性质的变化，以及随之而来的施工技术变化是现代混凝土结构容易开裂的重要原因。大体积混凝土底板不容易开裂大体积混凝土底板不容易开裂钢筋约束强，可在表面加细钢筋网片；养护容易。连续墙容易开裂连续墙容易开裂横向大多只有构造钢筋，养护困难，暴露面大。混凝土开裂的影响因素材料因素材料因素：胶凝材料的细度、水化速率、水化热、强度发展速率。配合比因素配合比因素：水胶比、浆体含量、骨料弹性模量。约束因素约束因素：体积、配筋率环境因素环境因素：气温、风速、湿度。混凝土的极限拉伸混凝土结构的开裂一般均由拉应力引起。对于变形导致的开裂，除考虑材料的抗拉强度外，材料的抗变形能力，即极限拉伸更重要。混凝土的极限拉伸值约为110-4。混凝土裂缝间距计算式中：E：混凝土的弹性模量H：结构物高（厚）度Cx：地基水平阻力系数：温度变形系数p：极限应变，应考虑配筋和徐变的影响 T：温度差，包括水化温差、气温差、收缩当量温差底板与垫层间的摩擦情况影响开裂间距。通常T大于p，两者差越大，开裂间距越小。当T趋近于p，开裂间距趋近于无穷大，可取消伸缩缝。工程上常用总变形小于极限拉伸的原则控制裂缝。混凝土体积变形引起的拉应力混凝土体积变形引起的拉应力 水化热降温收缩水化热降温收缩 干燥引起的收缩干燥引起的收缩 相当于温降相当于温降 总收缩总收缩 二端固定约束二端固定约束拉应力拉应力 当当 ，或，或 ，混凝土开裂，如不，混凝土开裂，如不配筋，断为二段，约束全部消除配筋，断为二段，约束全部消除底面连续约束底面连续约束拉应力拉应力 R R 为约束度，且为约束度，且 R R 1 1 当当 ，裂缝首先在中间截面，裂缝首先在中间截面底部出现并向上发展，约束未全部消除底部出现并向上发展，约束未全部消除外部约束下构件拉应力外部约束下构件拉应力长墙应力分布及开裂示意混凝土连续墙有序开裂示意a) a) 当当 、 及及 确定后，构件中的应力大确定后，构件中的应力大小及其分布仅与长高比小及其分布仅与长高比 L/HL/H 有关，而与构件有关，而与构件L L或或H H的的绝对尺寸大小无关绝对尺寸大小无关b) b) 构件所受的约束度随地基刚度降低而减少构件所受的约束度随地基刚度降低而减少 L/H=10 L/H=10 的构件的构件L/HL/H较大的构件，当比值较大的构件，当比值 不甚小时，中间截面不甚小时，中间截面拉应力接近均布，但当比值拉应力接近均布，但当比值 甚小时，上部拉应甚小时，上部拉应力低于下部愈多。力低于下部愈多。 将地基看作是半无限的连续介质将地基看作是半无限的连续介质H=6mL/H=10Ef/Ec=1变形图H=6mL/H=2Ef/Ec=1第一主应力 ACI方法方法 王铁梦方法王铁梦方法 将地基的作用简化为水平弹簧将地基的作用简化为水平弹簧 构件中的拉应力不仅取决于比值构件中的拉应力不仅取决于比值/ /H ，而而且尚与且尚与或或H的尺寸大小有关的尺寸大小有关 内部约束下拉应力是同一时刻构件内部存在温差所引起。外部约束下拉应力是由于龄期发展的温降所引起。某一时刻体积收缩变形引起的拉应力是这二部分的叠加。 内部约束下构件拉应力内部约束下构件拉应力防裂混凝土防裂混凝土 混混凝凝土土的的密密实实性性和和均均匀匀性性是是结结构构防防裂裂与与防防水水的的首首要要保保证证，混混凝凝土土发发生生渗渗漏漏，往往往往是是施施工工原因造成的质量不均匀和裂缝；原因造成的质量不均匀和裂缝； 限制最大水泥用量限制最大水泥用量 应掺加胶凝材料总量应掺加胶凝材料总量202030%30%以上的粉煤灰以上的粉煤灰 对粗骨料最大空隙率限值的要求对粗骨料最大空隙率限值的要求 限制使用限制使用R R型早强水泥型早强水泥水泥水泥粉煤灰粉煤灰硅灰硅灰膨胀剂膨胀剂密实剂密实剂水水减水剂减水剂3106040344170C30高抗渗混凝土配合比 (kg/m3)砂率=0.4W/B=0.3828d强度超过50MPa，试验室试配性能良好，实际浇筑结构出现较多贯穿裂缝，宽度。p膨胀剂防裂技术的应用，必须具有专门的膨胀剂防裂技术的应用，必须具有专门的知识和技术知识和技术混凝土必须处于限制状态。自由或过大的混凝土必须处于限制状态。自由或过大的膨胀将导致混凝土强度的严重削弱甚至开膨胀将导致混凝土强度的严重削弱甚至开裂。膨胀剂用量过大或过小都会对防裂效裂。膨胀剂用量过大或过小都会对防裂效果和混凝土强度产生不利影响果和混凝土强度产生不利影响。自由试件与强约束的结构内部的混凝土自由试件与强约束的结构内部的混凝土性能表现差异较大。性能表现差异较大。 补偿收缩混凝土补偿收缩混凝土使早期混凝土处于受压或低受拉的使早期混凝土处于受压或低受拉的应力状态，避免早期开裂。应力状态，避免早期开裂。延迟混凝土的收缩开始时间，此时延迟混凝土的收缩开始时间，此时混凝土的抗拉能力已有较大增长。混凝土的抗拉能力已有较大增长。 早期限制膨胀的作用早期限制膨胀的作用一般认为，应用补偿收缩混凝土时，应一般认为，应用补偿收缩混凝土时，应导入导入0.30.7MPa的预压应力。的预压应力。早期限制膨胀的作用早期限制膨胀的作用计算方法的适用性尚缺乏充分验证，实际应用计算方法的适用性尚缺乏充分验证，实际应用时存在的问题：时存在的问题： a）实际结构的限制程度难以用标准小试件的配筋率模拟； b）尺寸的影响不清，实际结构构件与标准条件下小试件的膨胀特性不同； c）温度的影响不清，水化温升加速膨胀剂水化，早期膨胀将消耗在无效的塑性和徐变变形中，削弱膨胀剂的效果。不同的膨胀剂对于温度、养护条件、胶凝材料组成、减水剂的适应性有所不同。p高温高温60607070下膨胀效能下降下膨胀效能下降需有充分的水补给，早期干燥缺水，反而需有充分的水补给，早期干燥缺水，反而加速开裂加速开裂掺入粉煤灰会减少其限制膨胀率掺入粉煤灰会减少其限制膨胀率坍落度经时损失会明显增加坍落度经时损失会明显增加缓凝剂会降低限制膨胀率缓凝剂会降低限制膨胀率膨胀剂拌合不匀，局部产生过量膨胀，也膨胀剂拌合不匀，局部产生过量膨胀，也会引起开裂会引起开裂补偿收缩混凝土补偿收缩混凝土补偿收缩混凝土补偿收缩混凝土1）施工单位应具有应用膨胀剂的经验，有严格的工法和操作条例2）施工前必须对所用补偿收缩混凝土的性能进行专门的检验： 测定其自由膨胀率、限制膨胀率和限制收缩率和它们的落差，以及温度变化对其性能的影响。混凝土施工的温度控制与潮湿养护混凝土施工的温度控制与潮湿养护 单纯依靠现行混凝土结构施工与验收规范的要求进行施工，不能保证大型工程能够防止混凝土施工时的开裂。 设计和施工单位应结合混凝土配比、结构尺设计和施工单位应结合混凝土配比、结构尺寸、环境气温、模板和复盖层热学特性以及混寸、环境气温、模板和复盖层热学特性以及混凝土搅拌、运输、浇筑、养护的具体条件，对凝土搅拌、运输、浇筑、养护的具体条件，对构件中的混凝土水化热温升、降温过程以及内构件中的混凝土水化热温升、降温过程以及内部温差进行估计，在温度计算的基础上，对温部温差进行估计，在温度计算的基础上，对温度应力进行估计，并结合经验提出具体温度控度应力进行估计，并结合经验提出具体温度控制指标。制指标。 温度控制温度控制温度控制指标温度控制指标a a、浇筑温度浇筑温度 浇筑温度应不高于浇筑温度应不高于2525。热天施工时如难于达。热天施工时如难于达到，也不宜高于到，也不宜高于3232；并应同时调整混凝土配合比，；并应同时调整混凝土配合比，降低水泥用量以减小水化放热量。降低水泥用量以减小水化放热量。 混凝土浇筑温度愈高，水化反应愈快，释放热混凝土浇筑温度愈高，水化反应愈快，释放热量愈多，升温愈高，进一步加速水化反应。量愈多，升温愈高，进一步加速水化反应。 同样配比混凝土当入模温度为同样配比混凝土当入模温度为1010时，时，2424小时小时后升到后升到3030；当入模温度为；当入模温度为2020时，时，2020小时后升到小时后升到5555；即入模温度相差；即入模温度相差1010可使最大温升差可使最大温升差2525。温度控制指标温度控制指标b b、最高温度最高温度 混凝土浇筑后的最高温度一般不超过混凝土浇筑后的最高温度一般不超过7575。 c c、最大温差最大温差 混凝土内部和表面的温差一般不应超过混凝土内部和表面的温差一般不应超过2525。混凝土表面温度与大气温度的差别也不应超过混凝土表面温度与大气温度的差别也不应超过2525，混凝土表面与养护水的温差不超过，混凝土表面与养护水的温差不超过1515。d d、降温速度降温速度 混凝土内部一般不超过混凝土内部一般不超过3 33.5/d3.5/d。 养护养护养护包括保持湿度和温度，实施温度监测可为混凝土养护包括保持湿度和温度，实施温度监测可为混凝土的复盖保温和拆模时机的选择提供可靠的依据。的复盖保温和拆模时机的选择提供可靠的依据。墙体的保湿措施：墙体的保湿措施： 1 1）模板外侧复盖保水挂帘）模板外侧复盖保水挂帘 2 2）及早松开模板，并从模板与墙体的缝隙中注水）及早松开模板，并从模板与墙体的缝隙中注水 3 3）采用可保水和注水的特殊模板）采用可保水和注水的特殊模板拆模后的混凝土表面仍需保持潮湿，应加复盖，外界拆模后的混凝土表面仍需保持潮湿，应加复盖，外界气温较低时也需复盖气温较低时也需复盖地下结构外墙和顶板应及早回填；长时间暴露的顶板地下结构外墙和顶板应及早回填；长时间暴露的顶板表面，温湿度变化大，最容易开裂，需临时用土复盖。表面，温湿度变化大，最容易开裂，需临时用土复盖。水泥基渗透结晶型防水材料在存在流动水的情况下，水泥基渗透结晶型防水材料中的螯合组分可以带动胶凝组分进入微裂纹部位，填充缝隙，达到防渗的目的。螯合组分重新释放，存在于浆体中，等待下一次水流场合。水泥基渗透结晶型防水材料掺量少，对于混凝土拌合物的工作性无影响；对于其强度发展和体积稳定性也无影响。对于涂层，有检验方法。对于内掺，无事后检验手段。如果掺加有高分子化合物，涂刷在混凝土表面会形成薄膜，同样有防水作用，但不是水泥基渗透结晶型防水材料。材料的真伪只有事前检验。