10-7 混凝土裂缝的形成和控制
混凝土结构物的裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝是指那些肉眼看不见的裂缝，主要有三种，一是骨料与水泥石粘合面上的裂缝，称为粘着裂缝；二是水泥石中自身的裂缝，称为水泥石裂缝；三是骨料本身的裂缝，称为骨料裂缝。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的。反之，肉眼看得见的裂缝称为宏观裂缝，这类裂缝的范围一般不小于0.05mm。宏观裂缝是微观裂缝扩展而来的。因此在混凝土结构中裂缝是绝对存在的，只是应将其控制在符合规范要求范围内，以不致发展到有害裂缝。
10-7-1 混凝土裂缝产生的主要原因
混凝土结构的宏观裂缝产生的原因主要有三种，一是由外荷载引起的，这是发生最为普遍的一种情况，即按常规计算的主要应力引起的；二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异引起的；三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。
当混凝土结构物产生变形时，在结构的内部、结构与结构之间，都会受到相互影响、相互制约，这种现象称为约束。当混凝土结构截面较厚时，其内部温度和湿度分布不均匀，引起内部不同部位的变形相互约束，这样的约束称之为内约束；当一个结构物的变形受到其他结构的阻碍所受到的约束称为外约束。外约束又可分为自由体、全约束和弹性约束。建筑工程中的大体积混凝土结构所承受的变形，主要是因温差和收缩而产生的。
建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。这种裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成了温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。这两种裂缝不同程度上，都属有害裂缝。
高强度的混凝土早期收缩较大，这是由于高强混凝土中以30%~60%矿物细掺合料替代水泥，高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1%~2%，水胶比为0.25~0.40，改善了混凝土的微观结构，给高强混凝土带来许多优良特性，但其负面效应最突出的是混凝土收缩裂缝几率增多。高强混凝土的收缩，主要是干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、化学收缩和自收缩。混凝土初现裂纹的时间可以作为判断裂纹原因的参考：塑性收缩裂纹大约在浇筑后几小时到十几小时出现；温度收缩裂纹大约在浇筑后2到10d出现；自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天；干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。
干燥收缩：当混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水时，就会产生干缩，高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低，故干缩率也低。
塑性收缩：塑性收缩发生在混凝土硬化前的塑性阶段。高强混凝土的水胶比低，自由水分少，矿物细掺合料对水有更高的敏感性，高强混凝土基本不泌水，表面失水更快，所以高强混凝土塑性收缩比普通混凝土更容易产生。
自收缩：密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自收缩。高强混凝土由于水胶比低，早期强度较快的发展，会使自由水消耗快，致使孔体系中相对湿度低于80%，而高强混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，导致混凝土产生自收缩。高强混凝土的总收缩中，干缩和自收缩几乎相等，水胶比越低，自收缩所占比例越大。与普通混凝土完全不同，普通混凝土以干缩为主，而高强混凝土以自收缩为主。
温度收缩：对于强度要求较高的混凝土，水泥用量相对较多，水化热大，温升速率也较大，一般可达35~40℃，加上初始温度可使最高温度超过70~80℃。一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃，当温度下降20~25℃时造成的冷缩量为2~2.5×10-4，而混凝土的极限拉伸值只有1~1.5×10-4，因而冷缩常引起混凝土开裂。
化学收缩：水泥水化后，固相体积增加，但水泥-水体系的绝对体积则减小，形成许多毛细孔缝，高强混凝土水胶比小，外掺矿物细掺合料，水化程度受到制约，故高强混凝土的化学收缩量小于普通混凝土。
当混凝土发生收缩并受到外部或内部约束时，就会产生拉应力，并有可能引起开裂。对于高强混凝土虽然有较高的抗拉强度，可是弹性模量也高，在相同收缩变形下，会引起较高的拉应力，而由于高强混凝土的徐变能力低，应力松弛量较小，所以抗裂性能差。
10-7-2 大体积混凝土裂缝控制的计算
10-7-2-1 大体积混凝土温度计算公式
1．最大绝热温升（二式取其一）
（1）Th＝（mc＋k·F）Q/c·ρ
（2）Th＝mc·Q/c·ρ（1－e-mt） （10-43）
式中 Th——混凝土最大绝热温升（℃）；
mc——混凝土中水泥（包括膨胀剂）用量（kg/m3）；
F——混凝土活性掺合料用量（kg/m3）；
K——掺合料折减系数。粉煤灰取0.25~0.30；
Q——水泥28d水化热（kJ/kg）查表10-81；
不同品种、强度等级水泥的水化热 表10-81
|
水泥品种 |
水泥强度等级 |
水化热Q（kJ/kg） |
||
|
3d |
7d |
28d |
||
|
42.5 |
314 |
354 |
375 |
|
|
32.5 |
250 |
271 |
334 |
|
|
矿渣水泥 |
32.5 |
180 |
256 |
334 |
c——混凝土比热、取0.97［kJ/（kg·K）］；
ρ——混凝土密度、取2400（kg/m3）；
e——为常数，取2.718；
t——混凝土的龄期（d）；
m——系数、随浇筑温度改变。查表10-82。
系数m 表10-82
|
浇筑温度（℃） |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
m（l/d） |
0.295 |
0.318 |
0.340 |
0.362 |
0.384 |
0.406 |
2．混凝土中心计算温度
T1（t）＝Tj＋Th·ξ（t）
式中 T1（t）——t龄期混凝土中心计算温度（℃）；
Tj——混凝土浇筑温度（℃）；
ξ（t）——t龄期降温系数、查表10-83。
降温系数ξ 表10-83
|
浇筑层厚度 （m） |
龄期t（d） |
|||||||||
|
3 |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
21 |
24 |
27 |
30 |
|
|
1.0 |
0.36 |
0.29 |
0.17 |
0.09 |
0.05 |
0.03 |
0.01 |
|
|
|
|
1.25 |
0.42 |
0.31 |
0.19 |
0.11 |
0.07 |
0.04 |
0.03 |
|
|
|
|
1.50 |
0.49 |
0.46 |
0.38 |
0.29 |
0.21 |
0.15 |
0.12 |
0.08 |
0.05 |
0.04 |
|
2.50 |
0.65 |
0.62 |
0.57 |
0.48 |
0.38 |
0.29 |
0.23 |
0.19 |
0.16 |
0.15 |
|
3.00 |
0.68 |
0.67 |
0.63 |
0.57 |
0.45 |
0.36 |
0.30 |
0.25 |
0.21 |
0.19 |
|
4.00 |
0.74 |
0.73 |
0.72 |
0.65 |
0.55 |
0.46 |
0.37 |
0.30 |
0.25 |
0.24 |
3．混凝土表层（表面下50~100mm处）温度
1）保温材料厚度（或蓄水养护深度）
δ＝0.5h·λx（T2－Tq）Kb/λ（Tmax－T2） （10-45）
