1、混凝土裂縫產生的原因混凝土裂縫產生的原因 混凝土，特別是商品混凝土澆筑以后，有時會發生有裂紋，是什么原 因是混凝土構件產生裂紋呢？主要有以下原因材料方面的影響 國內外曾作過一系列劈裂抗拉強度試驗和周向拉伸試驗， 對混凝土的 早期抗拉強度和極限拉伸隨齡期的變化規律進行了分析， 對于普通混 凝土其強度主要取決于水泥是強度及其與骨料表面的粘結強度， 而這 又與水泥標號、水灰比及骨料性質有密切聯系。通過計算規律、 數據及工程實踐探索， 我們總結了以下幾個是裂縫產 生的材料方面的因素：1 水泥 普通混凝土的強度朱育取決于水泥石的強度及其與骨料表面的粘結 強度。混凝土的收縮也有很大部分來來源于水泥石的收縮

2、， 水泥石的 結構是由未水化的水泥顆粒、 水化產物及孔隙組成。 水化產物晶體共 生交錯，形成結晶網絡結構，在水泥石中起重要的骨架作用，相互接 觸而發展了水泥石的強度。 但其中內部的孔隙會影響水泥石強度的發 展。由于水泥石的孔結構由水泥細度與顆粒組成決定， 所以水泥顆粒 越細，其水化、凝結硬化速度越快，水化也越充分，有利于其早期和 后期強度的提高。根據前蘇聯的試驗資料， 水泥性質對混凝土的收縮影響很小， 即使凈 水泥漿表現出較大的收縮也不意味著由這種水泥制造的混凝土的收 縮也大。對于水泥細度，只是當粒徑大于 15 的水泥由于不易水化， 對收縮起約束作用之外， 更細的水泥并不影響混凝土的收縮。 一

3、般情 況，水泥的化學成分對收縮并無影響， 只是當石膏產量不足才表現出 較大的收縮。目前，在高層建筑施工中，主要由于隨著混凝土技術的 發展，混凝土強度也由原來 C25 、C30 發展到現在 C50 、C60 ，混 凝土強度等級的提高， 水泥用量也隨之增加， 直接導致水化熱的提高， 增加了早期混凝土的熱脹，從而加大了混凝土溫度降低后的冷縮。 2 骨料水泥石與骨料的粘結力與骨料的表面情況有關，骨料的表面粗糙， 則與水泥石粘結力較大， 故在原材料及坍落度相同的情況下， 用碎石 比用卵石強度來的高。增大骨料粒徑，可以減少用水量，而使混凝土 的收縮和泌水隨之減少。同時骨料本身的強度一般比水泥石強度高 （輕

4、骨料除外），所以不直接影響混凝土強度，但若骨料經風化等作 用而強度降低時，則用其配制的混凝土強度也降低。 混凝土中骨料重量與水泥重量之比稱為骨灰比。 骨灰比對 35Mpa 以 上的混凝土強度影響較大。 在相同水灰比和坍落度下， 混凝土強度隨 骨灰比的增大而提高，因為骨料增多后表面積增大，吸水量也增加， 從而降低了有效水灰比， 使混凝土強度提高。 另外水泥砂漿相對含量 減少，致使混凝土內總孔隙率體積減少， 也有利于混凝土強度的提高。 在混凝土內部， 骨料對水泥石的收縮起約束作用。 混凝土的收縮對凈 水泥漿收縮的比取決于混凝土的骨料含量 V （以體積的%計）。骨料含量越大則收縮越小 在實際施工中考

5、慮到泵送混凝土的要求， 規范對骨料的粒徑和級配都 做出了限制。現在一般商品混凝土的砂率在 40% 以上，比普通混凝 土的用砂量高， 石子粒徑 5-25mm ，比普通混凝土的石子粒徑要小。 由于細骨料的增多， 減弱了混凝土之間的連接能力， 增大了裂縫產生 的機會。3 水灰比、坍落度 水灰比是混凝土進行拌和時候的一個敏感指標。 這個指標對混凝土的 各項影響最大。在采用同一種水泥（品種和標號相同）時，混凝土的強度主要取決于 毛細管孔隙率或膠空比， 這些參數都難于測定， 但是充分密實的混凝 土在任何水化程度下毛細管孔隙率可由水灰比所確定。 在水泥標號相 同情況下，水灰比越小，水泥石強度越高，與骨料的粘

6、結力也越大， 混凝土的強度也越高。 同時為考慮對混凝土和易性、 水泥用量等方面 的要求，水灰比又不易太小，否則將影響強度的發展。當混凝土承受 干燥作用時，首先是大空隙及粗毛細孔中的自由水分因物理力學結合 遭到破壞而蒸發， 這種失水不引起收縮。 環境的干燥作用使得細空中 的水產生毛細水壓力，水泥石承受這種壓力后產生壓縮變形而收縮， 即“毛細收縮 ”，使混凝土收縮變形的一部分。待毛細水蒸發后，開始 進一步蒸發物理 化學結合的吸附水， 首先蒸發引起顯著的水泥石 壓縮，產生 “吸附收縮”，是收縮變形的主要部分。混凝土的收縮來源 于水泥石的收縮，水灰比大，收縮大。所以較高的水灰比可能會有兩 種影響：養護

7、前期，孔隙水處于飽和階段，收縮量小，但是后期如果 養護條件惡化（比如拆模后的暴曬） ，導致孔隙水喪失過快，相反會 引起混凝土收縮量的增大。但目前為便于泵送混凝土，商品混凝土的坍落度一般在 10cm 以上， 有一些高層建筑施工時， 坍落度甚至要超過 20cm ，所以水灰比一般 在 0.6 左右,造成混凝土在硬化過程中 , 由于水分蒸發和膠凝體失水后 引起干縮量增大，產生裂縫的概率也加大。盡管采用減水劑后，可降 低水灰比，也有利于泵送，但由于商品混凝土的現場質量控制不嚴， 出現隨意向已拌好的混凝土中加水的現象并在加水以后又不進行二 次攪拌，造成混凝土水灰比增大，嚴重影響混凝土拌合物的質量，使 混凝

8、土產生收縮裂縫的機會大大增加。4 外加劑、外摻料 在混凝土中加入各種外加劑可以使混凝土獲得一些必要的特性。 目前 商品混凝土中應用的外加劑種類繁多，主要有：加氣劑、塑化劑、高 效減水劑、礦物質摻料等。摻加加氣劑對混凝土有兩種作用： 從成分方面有增加收縮的作用； 另 一方面可以減少含水量， 又減少收縮的作用。 二者共同作用對收縮幾 乎不產生明顯影響。在混凝土中摻加各種塑化劑， 高效減水劑可以在保證其他組分用量不 變的前提和保持良好的工作性條件下， 大幅度減少用水量， 降低水灰 比，一方面可提高早期強度和后期強度，另一方面可以減少收縮。但 過量的摻加塑化劑和減水劑又會顯著增加收縮。近代混凝土中摻加

9、活性粉料粉煤灰的研究應用獲得很大發展。 由于可提高工作性，降低水化熱（摻水泥用量的 15% ，降低水化熱的 15% 左右），得到了大量應用，特別是泵送大體積混凝土。但同時應 當注意到摻粉煤灰的混凝土早期抗拉強度及早期極限拉伸有少量的 降低（約 10%-20% ），后期強度不受影響。這是因為粉煤灰混凝土 的強度主要取決于粉煤灰的火山灰效應， 粉煤灰在混凝土中當氫氧化 鈣薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面上時， 就開始發生火山灰效應。 但由于 氫氧化鈣薄膜與粉煤灰顆粒表面之間存在著水解層， 鈣離子要通過水 解層與粉煤灰的活性組分反應， 反應產物在層內逐漸聚集， 水解層未 被火山灰反應產物充滿到某種程度時，

10、不會使強度有較大增長， 隨著 水解層被反應產物充滿， 粉煤灰顆粒和水泥水化產物之間逐步形成牢 固聯系，從而導致混凝土強度、不透水性和耐磨性的提高。對于收縮 的影響根據德國所做實驗提供的數據分析： 摻加粉煤灰后， 通常會增 大水泥漿的體積， 所以用水量如果保持不變， 則干縮可能會稍微增大， 但如果用水量因摻加粉煤灰而減小， 則由于漿體增大的收縮可得到補 償.超細礦物摻料則對高強混凝土的性能影響更大， 作為高強摻和料的超 細礦粉具有較高的比表面積和活性， 與水泥摻和使用后的水化產物主 要為水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣，水化速度快，其體積減縮值大。 以硅粉為例， 化合后引起體積減縮為 9.04% ，.

11、 粉煤灰和礦渣體積減 縮分別為 16.98% 和 13.34% 。因此超細礦粉的摻入增加了高強混 凝土的自收縮值，也增加了它出現收縮裂縫的機率。混凝土收縮的影響 混凝土因收縮而導致的裂縫是混凝土裂縫最主要的形成原因。 裂縫基 本是由于水分蒸發和漿體收縮，收縮應力與混凝土的抗拉強度引起 的，混凝土的收縮裂縫大體上有以下幾種類型：1. 塑性收縮裂縫 塑性收縮是混凝土在初凝前的塑性階段失水形成的， 一種情況是新澆 筑的混凝土表面泌水， 在室外會很快的蒸發； 另一種情況是由于新拌 混凝土顆粒之間的空間充滿了水， 澆筑后的混凝土表面受風吹、 日曬、 外部的高溫度和低溫度等因素的影響，隨著混凝土表面水分的

12、蒸發， 內部水分逐漸向外部遷移， 繼續蒸發水分， 造成混凝土在塑性階段的 體積收縮。塑性收縮一般可達新澆筑混凝土體積的 1% 左右，大流動 性混凝土有時可達 2% 。在澆筑大面積平板（如樓板層）時，當表面 日曬或風大， 內部水分遷移速度小于上表面水分蒸發的速度時， 混凝 土表面的收縮應力遠大于混凝土的抗拉強度， 就會產生大量不規則微 細裂縫，如不及時抹壓和覆蓋保水養護， 此類裂縫會迅速向內部延伸， 嚴重時會造成貫通裂縫。2 水化反應收縮裂縫 水泥水化反應后， 反應產物的體積與剩余自由水體積之和小于反應前 水泥礦物體積與水體積之和， 形成水化反應收縮。 水泥的四種主要礦 物的反應速度不同， 水化

13、反應的需水量不同， 化學反應收縮量也不同。 如硫化三碳在水化反應生成硅鈣比為 1.5 的 CSH 凝時，水化反應的 體積收縮量為 2.5% 。由于水泥熟料中硫化三碳含量為 50%-60% 所以水化反應的漿體收縮量約為 1.3% ，而一般混凝土中漿體含量約 占 1/3 ，故水化反應可導致混凝土體積收縮約為 0.43% ，即漿體多 的大流動性混凝土要多一些。又如 在水泥熟料中占 8%-15%, 所以 水化反應的漿體收縮量為 0.56%-1.05%, 導致混凝土體積收縮為 0.2%-0.35% 。當體系中石膏消耗完畢會有一部分鈣礬石轉化為單 硫型硫鋁酸鈣，使已收縮的體積有所增加。至于硫化二碳 它的水

14、化 反應速度僅為硫化三碳的 1/10 左右，對早期影響不大，一二年后， 如水分供應充足，硫化二碳水化反應充分，不但體積不收縮，反而會 有 0.1% 左右的增加。周圍形成了薄膜，降低了水化速度。由于體系 中石膏多已為 所消耗，其產物多為單硫型鋁酸三鈣或鐵酸三鈣，或 與氫氧化鈣反應生成 ，水化反應收縮很少，生成 多時還可能略 有膨脹。總之，水泥水化反應收縮量可達混凝土體積 0.5% 以上，是 個不容忽視的數量。 在混凝土初凝前， 水化反應收縮一部分反應在塑 性收縮中，在混凝土初凝后的水泥水化反應收縮則主要形成混凝土內 部的毛細孔，在養護不及時或養護時間過短時，會產生收縮裂縫。3 表面溫差收縮裂縫

15、大體積混凝土由于水泥水化熱導致混凝土內部溫度較高， 當混凝土表 面溫度與氣溫相差過大時， 會產生溫度收縮裂縫。 混凝土線膨脹系數 約為每攝氏度 0.00001 ，即溫度每升高或降低 10 攝氏度，混凝土 會產生 0.01% 的線膨脹或收縮 . 。例如 C30 混凝土的凈彈性模量約 為 30000Mpa, 當混凝土的線收縮為 0.01% 時，混凝土的受拉應力 將達 30000*0.01%=3Mpa ，大約相當于 C30 混凝土 28 天的抗 拉強度。在混凝土澆筑初期（ 3-5 天），如果混凝土表面溫度與環境 溫度相差大于 10 攝氏度時，則由于溫差收縮產生的拉應力將大于混 凝土的抗拉強度， 既有

16、可能出現溫差裂縫。 但由于空氣是溫度的不良 導體，空氣與混凝土表面的熱交換不是靠傳導而是靠對流， 熱交換比 較緩和。經驗表明，在無風的外部環境中，混凝土表面溫度與氣溫之 差大于 25 攝氏度時，就會產生肉眼可見的溫差裂縫。因此，對于大 體積混凝土或可能發生表面與環境溫差較大的混凝土工程， 采用內部 測溫的方法，關注混凝土表面溫度與環境氣溫的溫差， 當溫差太大時， 應采用覆蓋保溫的方法，以免出現溫差裂縫。4 干燥收縮裂縫混凝土硬化后， 內部的游離水會由表及里逐漸蒸發， 導致混凝土由表 及里逐漸產生干燥收縮。 在約束條件下， 收縮變形導致的收縮應力大 于混凝土的抗拉強度時，混凝土就會出現由表及里的

17、干燥收縮裂縫。 混凝土的干燥收縮是從施工階段撤除養護時開始的， 早期的收縮裂縫 比較細微，往往不為人們所注意。隨著時間的推移，混凝土的蒸發量 和干燥收縮量逐漸增大，裂縫也明顯起來。混凝土干燥收縮值的大小與混凝土的體積穩定性直接相關， 并受環境 相對濕度的影響。混凝土的諸多成分中， 以粗骨料的體積穩定性最好， 砂子次之。收縮變形主要發生在水泥及摻和料構成的漿體和砂漿上。 因此，在施工和易性允許的情況下， 盡可能加大石子用量， 降低砂率， 降低用水量， 對減少干燥收縮裂縫以及提高混凝土的穩定性、 強度和 耐久性都是有利的。5 自生干縮裂縫 水泥在水化過程中不斷消耗水分， 當養護不良或混凝土內部水分

18、不充 分時，混凝土毛細孔中水分消耗過多，導致毛細孔內產生負壓，引起 混凝土內部出現自生干縮裂縫 。由于常態混凝土的水膠比較高，混 凝土內有較充裕的水分， 一般不會發生自生干縮裂縫； 而對于水灰比 低于 0.38 的混凝土，內部往往產生大量自生干縮裂縫，導致早期混 凝土體積收縮。在約束條件下，會引起混凝土產生表面裂縫。6 其他失水收縮 混凝土暴露在空氣中， 空中的二氧化碳溶進孔隙溶液中成為碳酸， 與 孔隙溶液中的氫氧化鈣反應生成碳酸鈣和游離水， 這些游離水蒸發導 致混凝土體積收縮成為碳化收縮。 又如受碳化或淡水腐蝕等原因致使 混凝土空隙液中 PH 值降低，氫氧化鈣量不足時，會有一部分 CSH 凝

19、膠或水化鋁酸鈣分解，析出氫氧化鈣，以補充體系中的堿度，分解 過程中都同時產生游離水， 這些游離水進一步蒸發都會導致混凝土體 積收縮。這些收縮都發生在混凝土硬化后較長時間內， 一般會師干燥 收縮裂縫擴寬或向深處發展。3 施工工藝的影響根據在現場對施工過程的觀察， 現場混凝土的檢查和對施工人員的訪 問，發現以下幾個問題：一是混凝土立模和振搗方面存在不足，部分 構件存在蜂窩麻面；二是混凝土的養護，養護不良，對混凝土整體質 量影響十分顯著，直接影響混凝土的抗裂能力；三是拆模時間，過早 拆模以及在混凝土構件上過早從事后續工序， 對混凝土強度的發展有 一定影響，并導致裂縫的產生。 下面主要就第二個影響因素

20、：養護進行深入的分析。 通常，人們理解的養護主要是澆水。 其實所謂養護不僅是保持足夠的 濕度以滿足水化的要求， 而且要在不同的環境溫度下保持盡可能小的 內外溫差和恰當的升溫、 降溫速率。 溫度控制不當時造成混凝土早開 裂的重要原因之一。 例如某工程混凝土墻在拆模板時正值混凝土內部 溫度上升很快的時候，結果 “及時澆水 ”產生“熱震”，混凝土表面立刻 發生開裂。圖一是混凝土內部典型的溫度、 彈性模量和應力發展的曲線。 圖中的 約束應力是升溫產生的膨脹應力和自收縮產生的拉應力疊加的結果。 在溫度達到1以前，混凝土處于塑性狀態。故為零贏利，此后溫度繼 續上升3 - 6小時后，在混凝土內部開始產生壓應

21、力；溫度達到峰值 后開始下降，到達2時出現第二次零應力。此后即開始產生拉應力； 混凝土出現裂縫時的溫度為開裂溫度3。 如果在溫度到達1以后向混 凝土澆低于環境溫度的涼水，就可能產生： “熱震”。因此應當在溫度 達到1之前盡早冷卻混凝土， 阻止溫度上升；在第二次零應力2以后， 控制溫度速率。 由于自收縮在出凝視就開始產生， 應當盡量保持混凝 土中的水分，控制發生塑性收縮、自收縮、干所的共同作用。拆模時 間應當服從控制混凝土的溫度和保存濕度的原則， 要改變過去只考慮 強度發展和拆膜周轉的做法。 例如某工程高強混凝土柱因沒有周轉模 板的需要而延遲到兩周后才拆模板， 拆末后才開始澆水， 結果造成混 凝

22、土出現最大寬度0 6mm 的通長裂縫。對于混凝土的自收縮， 水養護和密封養護的效果是相同的， 但肯定會 因沒有及時（從初凝開始） 水養護或密封養護而加劇。減小混凝土自 收縮的方法主要靠原材料和配合比來解決， 但是干縮不同。 混凝土澆 筑后應及時（從初凝開始）補充水分。隨著水泥水化的進行，混凝土 不斷密實并增長抵抗拉應力的能力。 混凝土的干縮是因為環境濕度降 低后硬化漿體失去毛細孔中的水分（環境濕度低于 100% ）和凝膠 吸附水（環境濕度低于 65% ）而導致的。其中凝膠失去的水分大部 分是不可逆的，也就是說所產生的收縮不可逆。水化程度越高，凝膠 越多，則混凝土的不可逆收縮也越大應水泥如果全部水化， 則所產生 的水泥凝膠不僅使混凝土達不到所需要的強度， 而且還會產生很大的 干縮而嚴重開裂。 像混凝土中的骨料起穩定體積的作用一樣， 水泥石 中需要一定量未水化顆粒或其他惰性物質來穩定體積， 因此濕養護期 才是正確的方法。適宜養護期的長短和混凝土配合比、環境溫度、濕 度及風速有關。水灰比越低，越需要及時加強外部補充水的養護，但 養護時間可以短些；水灰比很大時，