混凝土裂缝产生的原因和防治
摘要：混凝土裂缝对混凝土耐久性的影响已引起国内工程技术人员的普遍重视。本文在分析混凝土裂缝产生原因的基础上，提出了防治混凝土裂缝产生的技术措施，还介绍了三种抗裂性能很强的高性能混凝土：补偿收缩混凝土、纤维混凝土和低收缩混凝土。
1 概述
1.1 引言
混凝土裂缝一般可分为荷载裂缝和变形裂缝。荷载裂缝又可分为外荷 载裂缝和荷 载次应力裂缝；变形裂缝也可分为材料自身变形裂缝和结构变形裂缝。本文所述的只是混凝土自身变形所产生的裂缝，也有学者称之为间接裂缝，而非其它裂缝。
1.2 国内概况
在以前，混凝土裂缝并不是一件可怕的事情，在工地现场搅拌、小车运送、料斗浇注形式的混凝土，只要对混凝土的原材料的质量、混凝土的搅拌和浇注以及成型、养护稍加控制，混凝土的裂缝是完全可以避免的。然而现在的混凝土，为商品混凝土，混凝土原材料质量控制、配合比计量控制以及混凝土搅拌、运送、泵送浇注的技术含量有了空前的提高，尽管混凝土的养护也做到了尽善尽美，混凝土的裂缝即变成了不可避免的事，真可谓是没有不裂的混凝土。混凝土的裂缝已从特殊性转化为普遍性；从可以控制发展成不可控制；已成为混凝土质量的通病，引起工程技术人员的普遍重视。
深受其害的首先是露天混凝土结构，如城市桥梁，有害的腐蚀介质都是通过这些裂缝来侵蚀混凝土的；其次是房屋建筑的地下室以及地上结构屋面板、楼板和墙板，使其造成严重的渗漏。
在房屋建筑中，虽然大多数混凝土的裂缝并不影响混凝土的结构强度，但随着住宅建筑的商品化，消费者对混凝土裂缝的投诉越来越多，因此受到住宅建筑开发商和施工企业的高度重视。
1.3 国外概况
裂缝所引起的混凝土耐久性问题，在美国引起轰动。1987年美国国家材料顾问委员会提交的报告报道大约25万3千座混凝土桥梁的桥面板，其中部分仅使用不到20年，由于混凝土裂缝已经导致不同程度地破坏，而且每年还将增加3万5千座。
根据美国国家公路合作研究计划最近的检查结果表明，90年代美国混凝土桥面板普遍转向使用更高强度的混凝土，但发现10万座混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现了间隔1～3米的贯穿性裂缝。看来高强混凝土还是无济于事。研究还表明：这些结构物的设计、材料和施工都是符合现代技术发展水平的。
对混凝土裂缝所引起的耐久性的重视，主要是由于经济因素，美国的一些专家预计，修补和翻修现有基础设施的费用以10亿美元计。
与投入巨额修补和翻修费用相比，研制抗裂性能更好的混凝土，延长结构的使用寿命，而只需很少的维修费用，具有更重要的意义。现在美国提出研制不裂缝、耐久性达到100年甚至更长的混凝土。
2 混凝土材料裂缝产生的原因
2．1 产生裂缝的原因
受约束的混凝土，当温度、混凝土收缩等因素所产生的拉应力大于混凝土极限抗拉强度时，混凝土就被拉裂而产生裂缝。
Rogalla等人在1995年普查了美国的混凝土桥面板后得到的结论是：一、混凝土收缩导致大部分裂缝，而不是由于混凝土收缩导致大部分裂缝，而不是由于混凝土硬化期交通荷载或振动作用；二、这些桥面板都是用高强混凝土制备，早期具有高弹模，因此在温度变化一定或干缩量相同时，产生较高的应力；更重要的是：混凝土的徐变对这种应力没有什么释放作用；三、高强混凝土通常水泥用量较大，因此收缩更大，早期水化时的温度更高；现今的水泥由于细度大、含较多的碱和C3S，就更容易导致开裂。
从以上可以知道，导致混凝土的裂缝的主要原因是由于混凝土收缩引起的。
2.2 混凝土收缩
混凝土收缩包括：混凝土自收缩和混凝土干缩。混凝土自收缩主要是指在与外界绝湿的条件下混凝土的收缩；混凝土的干缩是在混凝土毛细孔中多余的水的蒸发所导致混凝土体积的缩小。不论是自收缩或干缩，还包括混凝土的化学收缩。这是我们以前已知道的。那么什么是导致混凝土裂缝一发不可收拾的原因？其原因包括以下几个方面：
2．2．1 水泥性能对混凝土收缩的影响
以前认为水泥品种不是导致混凝土开裂的主要原因。根据最新的研究表明，水泥抗裂性能的劣化，是导致混凝土收缩增大，导致开裂的主要原因。由于追求高强度及早强，水泥的含碱量越来越高、水泥的细度越来越细、C3S的含量越来越高，这导致水泥抗裂性能的大幅度降低。
2．2．2 处加剂对混凝土收缩的影响
混凝土高效减水剂是商品混凝土不可缺少的组成材料，而高效减水剂的性能直接影响混凝土的收缩性能。在国家标准《混凝土外加剂》GB8078-1997中规定：高效减水剂的收缩率比应小于等于135%。也就是说在混凝土稠度相同的条件下，允许加高效减水剂的混凝土的收缩可以比不加高效减水剂的普通混凝土的收缩大35%。一般的高效减水剂的收缩率比在115～130%之间。这就是为什么示送混凝土比非泵送混凝土、商品混凝土比现场搅拌混凝土容易裂缝的原因，因为痢者比后者加更多的高效减水剂。
2．2．3 混凝土硬化前的收缩
在以片研究混凝土的收缩，注重于硬化后混凝土的收缩，而硬化前，特别是混凝土初凝前的收缩缺乏研究与重视。根据有关试验表明混凝土硬化前的收缩率比硬化后的收缩率大10～30倍。
在实验室恒温恒湿的环境中，混凝土在硬化前是可以流动的。它的收缩不会造成混凝土的裂缝而被混凝土的流动变形所弥补。但在施工现场，情况却完全是两回事。浇灌后的混凝土受到模板、钢筋等其它因素的约束，使其变形受到很大的限制。特别是在大风、干燥、高温天气，在浇注楼板混凝土时，由于混凝土表面温度高、水蒸发量大而很快变硬，呈巧克力硬壳状而推动流动性，内部混凝土还未硬化。在表层至内部未硬化的混凝土之间，存在一硬化梯度层。这层硬化梯度层，制约了内部混凝土的继续变形，反之内部混凝土的变形也拉动硬化层的变形。由于未硬化的混凝土变形快，当变形到达一定程度，表层硬壳被拉裂。这种现象往往发生在混凝土浇注后2～3小时内。尽管采用拍、压、抹等技术措施，混凝土裂缝表面可暂时消失，但已无济于事，过度层的裂缝不会消失，随着时间的推移，表面裂缝会再现，而且越来越宽，数量也越来越多。
可以说，混凝土的裂缝大多在混凝土未硬化以前，其表面已形成细小的未贯穿裂缝，只不过因裂缝宽度很小，没有察觉而已。由于这些细小裂缝的存在，当混凝土收缩时，裂缝尖端处产生应力集中，轻而易举使裂缝扩展而贯穿。
2．3 早强带来的后果
为追求高效益，必须加快工程进度，往往要求混凝土早强。早强使混凝土水灰比减少，导致混凝土自收缩增大；早强使混凝土的早期弹性模量大大增加，而混凝土的早期抗拉强度几乎没有增加以及混凝土早期收缩不但未丝毫减少反而增大。大家知道混凝土收缩所产生的拉应力与混凝土的收缩量和弹性模量成正比，从而大大增加了因混凝土收缩所产生的拉应力。这对于脆性材料的混凝土来说，无疑是一个致命的打击，使本来能抵抗收缩所产生的拉应力的事实成为泡影，其结果混凝土只能被拉裂。
2．4 使混凝土产生裂缝的其它原因
当然混凝土的裂缝是由多种原因造成的，包括设计、材料、施工各个环节，这里不再详述。
3 防治裂缝技术措施
3．1 水泥的选择
选择抗裂性能好的水泥是防止混凝土裂缝的关键。从强度上说，早期强度越高的水泥，其抗裂性能越差。从水泥的化学成分来讲，含碱量越低，水泥的抗裂性能就越好；及C3S含量过高其抗裂性能也越差。从水泥细度上来说，水泥的细主芭截止经车，其抗裂性能越差。水泥的抗裂性能也可以根据圆环试验来确定，圆环试验的裂缝出现得越晚，抗裂性能越好。
3．2 外加剂的选择
高性能外加剂的一个重要指标是收缩率比。普通外加剂的收缩率比为135%；那么高性能外加剂的收缩率比应小于等于100%。也就是说，添加外加剂的混凝土收缩性能起码要与普通混凝土相当，而不能低于普通混凝土。
这里介绍一种高性能液体高效减水剂，其掺量为水泥用量的2.5%的情况下，其减水率为25%；收缩率比仅为67%，也就是说掺加了高性能外加剂，其收缩值只是普通混凝土的67%。图3.2为用高性能外加剂配置的高势免振捣混凝土与北京免振捣混凝土收缩值的对比曲线，从图中可以明显地看出掺加了高性能外加剂的混凝土收缩性能大大优于普通免振捣混凝土。
3．3 掺合料的选择
在混凝土中掺加抗裂性能好的活性掺合料，不仅可以降低水泥用量，闰少混凝土收缩，而且可以缓解混凝土早期开裂的危险性。因为掺加抗裂性能好的活性掺合料可以降低混凝土早期强度，减少混凝土的早期收缩，从而缓解混凝土早期开裂的危险性。并能增进混凝土后期强度。
3．4 施工措施
在混凝土浇注成型后，应及时覆盖，避免水分蒸发；混凝土浇灌1～2小时后有条件的工地可对混凝土二次复振，可提高混凝土强度5～20%。据日本一些资料介绍，在气候条件不好的季节施工，可在楼板混凝土浇注后一小时左右再进行振捣，其用意是待混凝土沉缩一阶段后，再振捣将其裂纹消除。
应该指出，根据最新的研究表明：良好的早期养护，对混凝土的强度极其密实性是必要的，然而过度的湿养护，对混凝土的抗裂性能具有副面影响。要获得具有良好抗裂性能的混凝土，只有适当的养护，才能使混凝土的早期强度不至于过高，从而能使早期的混凝土具有良好的松驰性能，释放混凝土早期收缩较大而产生的强拉应力，同时能保持较多的未水化的水泥颗粒，使其具有良好的裂缝自愈能力。
3．5 构造措施
构造措施是防止混凝土有害裂缝有效措施。构造措施有“导”和“防”两种方法。导就是人为地在容许混凝土裂缝处设置裂缝，从而避免了在不该出现裂缝的地方出现裂缝。防就是防止混凝土产生裂缝。构造措施应导、防结合，才能做到万无一失。
4 高性能混凝土
4．1 对以往防止混凝土裂缝技术措施的评价
高速和优化砂石级配，最大程度减少水泥用量，从而达到减少混凝土的收缩，防止混凝土裂缝。可以说，这条传统的技术措施非常有效，至今有些地区和单位还采用它。然而由于受砂石品种的限制，在很多地区无法采用。
4．1．2 加密配筋混凝土
加密配筋混凝土能把粗大裂缝分散成若干条细微裂缝，把可见、有害裂缝转化为不可见、无害裂缝。虽然提高了混凝土的抗渗性，但细微裂缝的存在，给腐蚀介质的侵入打下伏笔。所以对于有腐蚀介质存在的地下建筑，光靠它是不可取的，会大大减少建筑物的寿命。
4．1．3 微膨胀混凝土
微膨胀混凝土，只有在三向受力状态中的混凝土才能起到补偿收缩的作用。所以在大体积混凝土中，得到广泛应用；在墙板体系中的混凝土承受双向应力，所以不能起到补偿收缩的作用。很多实践表明，在墙板体系中应用微膨胀剂的混凝土仍然开裂，有些工程技术人员还认为，在墙板体系中使用微膨胀剂甚至会起相反的作用。
在最新研究中表明，微膨胀剂在温度大于60℃的条件下会停止反应，而在大约一年后，又会继续与水和碱反应生成钙矾石，体积膨胀，破坏混凝土结构。这就是所谓的“延迟膨胀”，值得工程技术人员密切关注。
4．1．4 关于混凝土抗裂性能的评价方法
我国现有的评价混凝土抗裂性能研究的试验方法有混凝土自由收缩试验方法、限制膨胀试验方法。然而这两种试验方法对混凝土在实际工程中的抗裂性能的评价，不能提供足够的信息。自由收缩试验方法，不能反映在约束状态下的混凝土应力松弛的情况；而限制膨胀试验方法是针对微膨胀混凝土的，只有在三向应力状态下，才能达到补偿混凝土收缩的作用。
到目前为止，我们认为评价混凝土抗裂性能的较好试验方法是评价塑性抗裂性能的平板试验和评价混凝土在约束状态下的应力松弛性能的圆环试验方法。对这两种试验方法，我们正在做进一步的试验研究，有关研究成果，将另行发表。
4．2 防裂混凝土发展方向
防裂混凝土应向高性能混凝土方向发展，这是不言而喻的。根据防裂混凝土的特点，其发展方向如下：
4．2．l 具有高度体积稳定性的混凝土。即具有较小的收缩，达到在约束状态下的混凝土，其极限收缩所产生的拉应力小于混凝土的极限拉应力，使混凝土自身具有抵抗开裂的能力。
4．2．2 具有较小的水化热，避免混凝土因内外温度梯度所产生的拉应力而拉裂混凝土。
4．2．3 具有良好的耐久性，包括：很强的抗水渗透能力、抗氯离子渗透能力、抗硫酸盐腐蚀能力。抗炭化能力和抗冻能力。
4．2．4 向绿色混凝土方向发展。尽量减少水泥用量，以减少因生产水泥所产生的二氧化碳；利用工业废料或城市废弃物，生产混凝土原材料，保护人类环境资源，保护人类生存环境。
4．3 高性能混凝土
下面介绍三种具有很强抗裂性能的高性能混凝土。
4．3．l 高性能补偿收缩混凝土
高性能补偿收缩混凝土与普通微膨胀混凝土的区别是前者能补偿50％以上的收缩，而后者不能或只能补偿混凝土很小的收缩量；前者不会发生“延迟膨胀”，而后者会发生“延迟膨胀”。图4．3就是普通混凝土、微膨胀混凝土和高性能补偿收缩混凝土的收缩曲线对比图。
这种高性能混凝土在施工中，可在100m内连续浇注混凝土；180m内只设加强带而不设后浇带。可大大提高施工速度，深受建设、设计和施工单位的欢迎。
4．3．2 纤维高性能混凝土
纤维高性能混凝土是采用高性能外加剂和高性能纤维，拌制而成的具有高抗裂性的高性能混凝土。
高性能外加剂的性能指标如本文中3．1所述，这里不再详述；CABR－FIBER高性能纤维，其性能指标如表4．3．2—l所示。
我们对普通混凝土、微膨胀混凝土和纤维高性能混凝土的各种性能进行了对比试验，对比试验原材料如表4．3．2－2所示；配合比如表4．3．2－3所示；
对比试验内容包括抗压强度、劈裂抗拉强度。抗折强度和混凝土抗渗试验，结果见表4．3．2－4。
从表中可以看出，纤维高性能混凝土的抗压强度比基准混凝土有很大的提高J3和R7提高90％以上；R28提高60％以上。最值得注意的是纤维高性能混凝土能有效地提高混凝土的抗拉强度，这是其它任何混凝土所没有的。混凝土的28d劈拉和抗折强度，比基准混凝土提高71％和35％。而微膨胀混凝土28d强度，只有抗压强度有所提高，而劈拉和抗折强度几乎没有提高。纤维高性能混凝土的抗渗压力大大提高，而微膨胀混凝土的抗渗压力比基准混凝土没有提高。这说明纤维高性能混凝土具有很强的抗裂、抗渗和抗腐蚀能力。
4．3．3 低收缩高性能混凝土技术
补偿收缩混凝土是混凝土产生微膨胀来补偿混凝土的收缩，而低收缩高性能混凝土是混凝土不产生微膨胀，靠减少自身的收缩来达到其高性能的。还有一点是低收缩高性能混凝土的早期弹性模量较低，这对于混凝土的防裂是非常有利的。
低收缩高性能混凝土的技术途径是：其一大幅度减少水泥用量，每立米混凝土的水泥用量为200－250kg。其一是大掺量磨细活性矿物掺合料，达到总胶凝材料的30－60％。其三是低水胶比，在0．25—0．35之间。
其技术经济指标为：
收缩：28天小于0．18mln／m；
抗压强度：1d、28d和180d分别为10、50、70MPa；
抗渗：大于S40；
混凝土绝热升温：小于55 T；
抗冻：－15℃300次，强度、质量无损失；
碳化：无；
钢锈：无。
混凝土生产成本：略高于普通混凝土。