混凝土建筑结构裂缝成因浅析

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摘要：混凝土作为一种重要的建筑材料在各个行业得到了广泛应用，但是裂缝问题严重影响了建筑物的安全性和耐久性。本文实验研究了三种药剂和水灰比在敞开和密封保湿工况下，混凝土试件的收缩量，从力学角度分析了收缩量和影响裂缝的影响因素之间的关系，最后从预防措施和补救措施两个方面提出了裂缝的应对措施，以期为混凝土材料的安全合理使用提供参考。

关键词：裂缝；混凝土建筑；收缩；实验研究

1概述

来源广泛、价格低廉、强度高、具有防水、耐久性好以及配制过程简单、易操作的优点使混凝土成为重要的土木材料，广泛应用于房屋建筑、桥梁建设、公路施工等工程中。但在混凝土建筑的成型过程中，因为混凝土材料本身的因素或者外部环境的因素，混凝土建筑往往因为收缩而会出现裂缝缺陷，裂缝的出现大大降低了混凝土建筑的强度和耐久性[1-2]。为了减少材料和环境因素造成的混凝土收缩裂缝，查明裂缝出现原因，本研究通过实验的方法，对比了减水剂、减缩剂以及膨胀剂以及水灰比对混凝土构件收缩的影响，基于实验结果分析了混凝土建筑结构裂缝的成因，并提出了相对应的解决措施，以期为混凝土材料的安全合理使用提供参考。

2实验材料及方法

2.1实验材料

因为温度、水分蒸发等引起的收缩往往是造成混凝土建筑裂缝的主要原因，为了探究不同添加剂和水灰比对混凝土建筑收缩的影响情况，设计了本实验研究。用到的实验材料主要有水泥、砂石、碎石、减水剂、减缩剂和膨胀剂。其中水泥的强度等级为42.5，砂石选用中砂，细度模数为2.3，平均粒径约为0.35mm，石英碎石选择13石子，粒径为16~31.5mm，减水剂、减缩剂和膨胀剂分别选择TA201、ZDD-A和UEA-Y，建议添加量为1.6%、0.6%和8%。实验过程中需要对试件的收缩进行测量，除了上述材料外还需要用于试件制备的搅拌机、阻力测定仪，测量温度变化的热电偶温度计、数字温度测定仪，测量收缩量的千分表等[3]。

2.2实验方法

采用单因素控制变量法，实验研究为了三种添加剂和水灰比，在敞开和密闭保湿工况下，混凝土试件的收缩规律。如图1所示，混凝土试件在最内层，混凝土外层覆盖塑料薄膜，薄膜层外侧包覆特富纶板，最外层是刚试膜。在混凝土试件中，埋有刚测头，测头两侧分别安装千分表，用来测量收缩量。试件的尺寸为0.1m×0.1m×0.5m，特富纶板厚度为0.03m。在敞开工况下，测试装置中塑料膜之外的特富纶板和钢试膜去掉，使其自然干燥；在密闭保持工况下，拆模后在混凝土试件上涂抹凡士林并重新覆盖塑料薄膜，保证密封性防止与外界发生湿度交换。考虑到混合前期混凝土试件具有较高的流变性，因此从混凝土与水混合后5h作为收缩量记录的起点。实验安排如表1所示，考察四个因素对混凝土试件的收缩情况，表中材料的用量为单位体积用量并非绝对用量。考察减水剂因素时，在敞开和密闭保湿两种工况下，分别不添加和添加1.6%的TA201减水剂；考察减缩剂因素时，在敞开和密闭保湿两种工况下，以添加了减水剂的工况为基准，分别添加0.8%和1.2%的ZDD-A减缩剂；考察膨胀剂因素时，在敞开工况下，以添加TA201的混凝土试件为基准，分别添加膨胀剂和同时添加膨胀剂与减缩剂；考察水灰比因素时，则保持水泥量不变，改变水的用量，配置水灰比分别为0.66、0.51、0.42和0.34。

3实验结果及分析

3.1减水剂对混凝土收缩的影响

图1为敞开和保湿两种工况下，混凝土试件收缩量随时间变化曲线。从图2（a）中可以看出，随着时间的增加，试件都有不同程度的收缩；相比于没有任何添加剂的情况，添加1.6%减水剂时，混凝土试件的收缩量大幅增加，增幅约为140%。从图2（b）可以看出，在密封保湿工况下，随着时间的增加，无论是否添加减水剂混凝土试件都进行了收缩，添加减水剂整体上增加了混凝土试件的收缩量。对比图2（a）和图2（b）可以发现，敞开工况的收缩量远大于密封保湿工况的收缩量，这是因为相比与密封保湿，敞开工况的收缩量还包含干燥收缩的影响。3.2减缩剂对混凝土收缩的影响在添加1.6%减水剂的情况，探究了添加和不添加减缩剂以及添加减缩剂用量对混凝土试件收缩的影响。从图3（a）中可以看出，在敞开工况下，减缩剂的添加明显降低了混凝土的缩减变形，随着减缩剂用量的增加，混凝土试件缩减的比例增加。图3（b）也表现出了类似的结果，这说明在敞开或者密封保湿的工况下，减缩剂均能降低混凝土建筑的收缩，收缩量的降低，可有效防止裂缝的形成。

3.3膨胀剂对混凝土收缩的影响

膨胀剂可以有效防止混凝土建筑的收缩，起到防止裂缝发生的作用。从减水剂和减缩剂对混凝土试件收缩规律可以发现，敞开或者密封不影响药剂的作用规律；另一方面，膨胀剂还可能和缩水剂配合使用，因此这部分研究了减水剂+膨胀剂和减水剂+减缩剂+膨胀剂两种工况下，膨胀剂对混凝土收缩的影响，其中减水剂用量为1.6%。从图4（a）和图4（b）中可以看出，膨胀剂的使用明显减小了混凝土试件的收缩量。对比（a）和（b）两图可以发现，除去减水剂的作用，减缩剂+膨胀剂对混凝土收缩量的降低明显大于膨胀剂单作用时的效果，这说明双掺可以有效减少混凝土的收缩，起到防止裂缝发生的作用。

4裂缝原因分析与应对措施

宏观来说，裂缝的形成原因与混凝土本身的强度、结构设计的合理性以及施工过程等有关系，但从力学角度来看，裂缝的形成主要是混凝土在干燥过程中，因为自收缩、干燥收缩和热收缩等因素在混凝土建筑中产生的应力大于混凝土所能承受的应力[4]。因此收缩量在一定程度上决定了混凝土裂缝的发生概率和裂缝程度，收缩量越大，越容易产生裂缝；反之，越不容易产生裂缝。另外，许多收缩裂缝的计算、毛细孔负压的计算等均与收缩量有关，因此从收缩量分析裂缝的产生具有较高的可信度[5]。温度收缩ε1一般假设与温度成正比，可通过公式（1）计算，α为温度收缩系数一般为8~12×10-6，假设试件温度变化范围为40℃，则试件温度收缩量为3.2~4.8×10-4[6]。（1）本研究中密封保湿过程可认为混凝土试件没有发生干燥收缩，主要由自收缩和温度收缩构成，忽略温度收缩则可认为密封保湿过程的收缩即为自收缩。而敞开工况得到的收缩量则由三个收缩量共同构成，同行忽略温度收缩的影响，可认为敞开收缩由自收缩和干燥收缩组成。假设密封保湿和敞开工况下试件的收缩量分别为εm和εc，则自收缩量ε2和干燥收缩量ε3可通过公式（2）和（3）分别计算得到。（2）（3）通过实验部分的结果可以看出，对于敞开工况，添加和不添加减水剂时，混凝土试件的收缩量变化值约为4.0×10-4；添加减缩剂和不添加减缩剂时，混凝土试件的收缩量变化值为2.0×10-4；添加膨胀剂后混凝土试件的收缩量变化值约为0.5×10-4；水灰比变化时，混凝土试件的收缩量变化值约为1.5×10-4。通过以上数值的对比，可以看出温度变化和减水剂作用效果相当，减缩剂对收缩量的贡献与水灰比相当，膨胀剂的影响最小。因此。对裂缝形成的贡献排序为：减水剂>温度变化>减缩剂>水灰比>膨胀剂。对于密封保湿养护工况，在添加和不添加减水剂时，混凝土试件的收缩量变化值约为0.2×10-4；添加减缩剂和不添加减缩剂时，混凝土试件的收缩量变化值为0.12×10-4；水灰比变化时，混凝土试件的收缩量变化值约为2.0×10-4。通过以上数据对比，可以发现在密封保湿时，对裂缝形成的贡献排序为：温度变化>水灰比>减水剂>减缩剂。总的来水，养护方式对混凝土裂缝的发生具有重要影响，当养护方式相同时，减水剂、温度变化、减缩剂、水灰比、膨胀剂对裂缝的形成重要程度不一。但整体上，温差较大时，温度的影响最重要，当温差变化不大时，三种添加剂对裂缝影响最大的是减水剂，其次是减缩剂，最后是膨胀剂。水灰比的影响与养护方式相关，敞开时水灰比的影响小于药剂的作用，密封保湿时水灰比的影响大于药剂。

5结论

以混凝土试件为对象，通过实验的方法研究了敞开和密封保湿工况下，减水剂、减缩剂、膨胀剂以及水灰比对收缩量的影响规律，对裂缝的产生原因进行了分析，并提出了相应的应对措施，得到如下结论：

5.1研究了减水剂、减缩剂、膨胀剂、水灰比因素对混凝土收缩凉的影响规律。

5.2从力学角度，通过收缩量指标分析了上述四个因素对混凝土裂缝产生的贡献。

5.3针对混凝土产生裂缝的原因，从预防性措施和补救措施两个角度提出了应对裂缝的建议。

作者:王玉虎 单位:北京铁研建设监理有限责任公司