混凝土塑性裂缝产生机制及对策

混凝土塑性裂缝产生机理及对策

摘要：本文综述了混凝土塑性裂缝产生机理，提出了防止塑性裂缝的措施。

关键词：塑性裂缝；机理；防裂措施

0 前言

混凝土收缩裂缝是混凝土工程中普遍存在的问题，它是建筑工程质量与控制技术的主要难点之一。混凝土浇筑后，处于塑性状态的混凝土如果其表面的蒸发速率大于其泌水的速率，混凝土将会产生收缩的倾向。当混凝土的收缩受到限制，比如把混凝土浇筑在硬化的粗糙的混凝土的表面上，混凝土会通过产生裂缝的方式释放内部的拉应力，此时，塑性收缩裂缝产生。塑性裂缝会影响混凝土构件的耐久性及安全性。

混凝土塑性裂缝除了塑性收缩裂缝之外，另一种形式是塑性沉降裂缝[1]。塑性沉降发生在混凝土浇筑后半小时到混凝土硬化阶段，塑性沉降是由于固体颗粒沉降时受到阻碍而产生的。混凝土塑性收缩开裂和塑性沉降开裂的不同点在于：塑性收缩开裂是由新拌混凝土中的拉伸应力产生的裂缝，塑性沉降开裂是由剪切应力产生的裂缝[2]。

混凝土塑性收缩裂缝常发生在混凝土梁、板、路面等大面积暴露的结构表面，裂缝深浅和长度不一。混凝土塑性沉降裂缝出现在混凝土沉降受阻处，例如钢筋上方或预埋件周围、沉降深度不同处、邻近模板处[3]。

1塑性收缩裂缝产生机理

当新拌混凝土表面的水分蒸发速率大于混凝土的泌水速率时，水分的蒸发面迅速降到新拌混凝土表面以下，即水蒸发面进入孔内形成凹液面，凹液面产生的毛细管压力使凹液面附近的固体颗粒相互靠近[4]，如图1所示。由Laplace 方程得出毛细管压力c P ，

???? ??+=21

11R R P c σ

式中σ为液体表面张力，21R R 和为液体表面曲率半径。

塑性状态的混凝土中的颗粒处于运动状态，在混凝土内部无数的毛细管压力的作用下，颗粒之间的距离被拉进，减小了混凝土之间的平均距离，导致了水泥浆体的收缩。在混凝土内部的集料以及浇筑的基体的限制下，在新拌混凝土表面产生裂缝[5]。随着水化作用的继续，体系的液相减少，浆体的稠度增加，直到混凝的塑性阶段结束，混凝土中的颗粒逐渐处在固定的位置形成相对固定的连续相（水泥浆体）和非连续相（粗细集料，限制性因素之一）骨架。此时，毛细作用停止，塑性收缩结束。

图1毛细管压力简图

通过试验得出毛细管压力随时间的变化趋势可以分为三个阶段[4, 6]（图2所示）。

在第一阶段，混凝土中的颗粒之间的距离较大，混凝土浇筑后一小时表面水分蒸发较多，体系中的毛细管压力得以发展，但是压力较小。在第二阶段，大概在浇筑两小时后，颗粒之间的水形成的凹液面曲率半径逐渐减小，毛细管压力增加的比率变大，在浇筑后的3~4小时达到最大值（92mba ）。在第三阶段，随着水泥水化的进行，分散系统中的水分减少，水分只能分布在部分较细小的毛细孔和相邻的颗粒中，提供的毛细管压力逐渐下降。在试验进行到4小时，新拌混凝土总的线性收缩值为3-1075.0 。

图2混凝土塑性收缩与毛细管压力关系图

在混凝土的塑性状态下，混凝土表面的抗拉强度很低，当收缩应力大于新拌混凝土的抗拉强度时，就出现了塑性收缩裂缝。

2防止塑性收缩裂缝的措施

根据以上关于混凝土塑性收缩裂缝机理分析，防止塑性收缩裂缝的一般方式有[2, 3, 7]：

（1）减少混凝土表面水的蒸发速率：用浇水或者喷雾的方式润湿混凝土的表面和混凝土上方的空气；润湿地基或者模板以减少水分的散失；骨料具有一定的吸湿性时，对骨料加以湿润；设置风障减小混凝土表面空气的流动速率；炎热环境下，设置遮荫棚以减小阳光的直射。

（2）尽量缩短从搅拌到开始养护的时间。

（3）养护前及时进行表面收光。

（4）在混凝土配合比设计中，减少使用粉煤灰等掺合料以及缓凝型减水剂，以提高混凝土终凝前混凝土表面的抗拉强度。

但是，采用上诉的措施的混凝土仍然会有产生塑性收缩裂缝的风险。目前，通过在混凝土中合理添加外加剂的方式减少塑性收缩裂缝[8]，这里指的外加剂主要是纤维、减缩剂等。

2.1纤维

纤维的使用作为辅助性增强方法可以缓解由于干燥带来的应力发展[9]。纤维掺入混凝土后不仅可以有效的塑性收缩裂缝的宽度，而且可以允许混凝土产生更多的裂缝而不致破坏[10]。一种新型的评估水泥基材料开裂潜能的装置（如图3所示），通过它可以观察到随着纤维掺量的增加，裂缝的宽度降低的同时裂缝的分布也更加均匀（如图4所示）。

图3塑性收缩试验装置简图

图4素混凝土以及纤维增强混凝土裂缝模型

纤维的种类繁多，有聚乙烯醇（PV A）纤维、聚丙烯（PP）纤维、纤维素纤维、钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等等。Fernando Pelisser等[11]研究了不同的人造纤维（聚丙烯纤维、玻璃纤维、尼龙、PET纤维）对混凝土裂缝控制作用，证实了人造纤维可以有效的限制由于塑性收缩产生的裂缝。亚麻纤维添加在混凝土中比普遍使用的聚丙烯纤维和玻璃纤维更能限制混凝土的塑性收缩裂缝[12]，如图5所示。复合纤维的研究表明，与素混凝土相比，聚酯纤维和钢纤维的复合可以降低99%的塑性收缩裂缝[13]，如图6所示。为了更好的指导纤维在混凝土中的应用，有学者研究了聚丙烯纤维的直径、长度、几何外形等等参数对混凝土塑性收缩裂缝的影响，结果表明，长细型的纤维能更有效的控制塑性收缩裂缝[14]，但是需要考虑如何使厂纤维在基体中均匀分散。高弹性模量的钢纤维或碳纤维在抑制收缩的同时具有较好的增强增韧效果。

图5不同纤维材料及强度非限制性塑性收缩测量

图6非金属纤维掺量对裂缝面积的影响

2.2减缩剂

减缩剂的作用机理就是通过降低孔隙水的表面张力来减小毛细孔失水所产生的收缩应力，可以有效减少新拌混凝土的水分蒸发。含有减缩剂的浆体和素混凝土相比产生的塑性收缩裂缝更少更窄（如图7所示）。钱春香等[15]从塑性抗拉

强度、表面水分蒸发率和孔结构３个方面对减缩剂的作用机理进行了探讨，研究认为，当减缩剂对塑性抗拉强度的降低幅度大于对毛细管收缩应力的降低幅度时，减缩剂将劣化塑性收缩抗裂性能，反之则优化塑性收缩抗裂性能。

图7暴露环境条件下不同掺量减缩剂浆体结算图

3塑性沉降裂缝产生机理

在混凝土浇筑后，在重力的作用下比重较大的骨料缓慢沉降密实，水、气泡等比重较小的组分被挤压浮至混凝土表面，出现分层现象（如图8所示）。若混凝土均匀沉降，则不会产生塑性沉降裂缝。但是，混凝土沉降时会受到钢筋、预埋件、大的粗骨料、模板等局部阻碍或约束，或者混凝土本身各组分的沉降量差较大，因此产生拉应力。处于塑性状态的混凝土抗拉强度小于沉降产生的拉应力是，塑性沉降裂缝产生。混凝土塌落度越大，保水性越差、凝结时间越长及混凝土越厚时，沉降收缩量越大。当保护层过薄时，塑性沉降裂缝甚至会伸入钢筋表面并沿着钢筋通长发展形成纵向裂缝。在接近表面的水平钢筋上方最容易形成沉降裂缝，并随钢筋直径加粗和保护层减薄而越趋严重[16]，如图9所示。

图8混凝土内外分层示意图

（a）外分层；（b）内分层

图9保护层厚度、钢筋尺寸、塌落度对沉降裂缝的影响

4防止塑性沉降裂缝的措施

沉降收缩裂缝是由于混凝土塑性沉降收缩所产生的，为此，应尽量减小混凝土的沉降收缩量，措施有[3, 16]：

（1）优化混凝土配合比：应用减水率大的高效减水剂或缓凝高效减水剂大幅度减少用水量，提高混凝土的密实性；应用保水性较好的普通硅酸盐水泥；连续级配的粗骨料，偏粗的中砂；在满足施工要求的前提下，混凝土坍落度应尽可

能的小，混凝土的配合比应保证混凝土有良好的稠度和保水性；混凝土的凝结时间不宜过长。

（2）在浇筑柱、梁、板等相互联结同深度的构件时，如果不能在高度差处设置施工缝，则宜分层浇筑，比如先浇筑到梁底面，待沉降稍稳定后再往上浇筑混凝土，其时间间隔一般控制在2h 左右，热天时适当缩短，以防止在构件的连接部出现裂缝。

（3）进行二次振捣。进行二次振捣既可预防又可消除混凝土塑性裂缝，还可改善混凝土和钢筋的粘结强度。第二次振捣的时间至关重要，一般应以振捣棒振实再拔出时混凝土表面未留下明显的痕迹为宜。

（4）适当增加混凝土表面钢筋的保护层厚度。

（5）掺入一定量的引气剂。

（6）表面抹平、压光也可除去较浅的沉降裂缝，但如裂缝较深，则在抹平后的干燥收缩过程中又会裂开。

（7）健全混凝土面层质量保证体系。如妥善排除浇筑过程中的泌水,初凝前完成抹平工作,终凝前完成压光工作,随即喷养护剂或覆盖及湿养护。

5结束语

引起混凝土塑性裂缝的原因是多方面的，本文简要介绍了塑性收缩裂缝和塑性沉降裂缝的形成机理及防止措施。在工程实际中，需要考虑的因素更多，除了考虑材料本身的原因外，还有环境因素、施工工艺等都会对塑性裂缝产生影响。此外，随着高性能混凝土的发展，越来越多的建筑采用高性能混凝土，高性能混凝土低的水胶比和硅灰的使用使得混凝土内部形成更加细小的孔隙，并且减少了泌水的速度，这使高性能混凝土存在更大的塑性收缩开裂的风险。所以，研究与工程的同步，加强塑性裂缝的研究对提高混凝土工程质量具有普遍意义。我们在分析塑性裂缝的成因时要具体问题具体分析，采取相应的有效措施进行预防和处理。

参考文献

[1] 阮炯正. 泵送混凝土塑性裂缝的成因及防治[J]. 混凝土, 2000, 5): 20-2.

[2] 杨长辉, 王川. 混凝土塑性收缩裂缝成因及防裂措施研究综述[J]. 混凝土, 2002, 5): 33-6.

[3] 卞葆芝, 张师恩. 商品混凝土的塑性裂缝及防治[J]. 混凝土, 2001, 12(65-6.

[4] Wittmann F. On the action of capillary pressure in fresh concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1976, 6(1): 49-56.

[5] Balaguru P N, Shah S P. Fiber-reinforced cement composites [M]. 1992.

[6] Scott M L, Lane D S, Weyers R E. PRELIMINARY INVESTIGATION OF THE RELATIONSHIP BETWEEN

CAPILLARY PORE PRESSURE AND EARLY SHRINKAGE CRACKING OF CONCRETE [J]. Future, 1997,

[7] 王涛, 邵正明. 混凝土塑性收缩裂缝的影响因素及预防措施[J]. 混凝土, 2003, 1): 53-4.

[8] 全世海. 混凝土塑性收缩开裂影响因素及防治措施研究[J]. 长江大学学报(自然版) 理工上旬刊, 2014, 7):

[9] Soroushian P, Mirza F, Alhozaimy A. Plastic shrinkage cracking of polypropylene fiber-reinforced concrete slabs [J]. Transportation Research Record, 1993, 1382):

[10] Banthia N, Yan C, Mindess S. Restrained shrinkage cracking in fiber reinforced concrete: a novel test technique [J]. Cement and Concrete Research, 1996, 26(1): 9-14.

[11] Pelisser F, Neto A B D S S, La Rovere H L, et al. Effect of the addition of synthetic fibers to concrete thin slabs on plastic shrinkage cracking [J]. Constr Build Mater, 2010, 24(11): 2171-6.

[12] Boghossian E, Wegner L D. Use of flax fibres to reduce plastic shrinkage cracking in concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(10): 929-37.

[13] Sivakumar A, Santhanam M. A quantitative study on the plastic shrinkage cracking in high strength hybrid fibre reinforced concrete [J]. Cement and concrete composites, 2007, 29(7): 575-81. [14] Banthia N, Gupta R. Influence of polypropylene fiber geometry on plastic shrinkage cracking in concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(7): 1263-7.

[15] 钱春香, 耿飞, 李丽. 减缩剂的作用及其机理[J]. 功能材料, 2006, 37(2): 287-91.

[16] 熊跃华, 熊杰. 混凝土塑性收缩裂缝的成因及其控制措施[J]. 工程建设与设计, 2007, 9(113-5.