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［摘 要］四川宜宾地区材料组成引起的裂缝及控制商品混凝土裂缝问题作为一个长期困扰商品混凝土搅拌站以及施工单位的质量通病，已不在是一个新鲜的课题，之前已有很多相关的文献进行过相关的研究。本文从多方面阐述裂缝的成因解决方法。针对商品混凝土裂缝主要是以搅拌站长期的生产实践为基础，从混凝土原材料及配合比的角度出发对混凝土非载荷裂缝的产生作出分析和探讨。
［关键词］商品混凝土；材料组成；裂缝；控制 0 引言
混凝土早期裂缝的生成虽有多种原因，但本质上都可以认为是因约束而产生的拉应力超出了该龄期混凝土所能承受的抗拉极限所致。这其中有两个决定性因素：一是混凝土的早期抗拉强度和极限拉伸值；二是混凝土的收缩变形程度。对于混凝土强度，主要决定于水泥石强度及其与骨料表面的粘结强度，这又与水泥强度等级、水灰比及骨料性质等有密切关系。对于混凝土的收缩变形，它主要包括干燥收缩、塑性收缩、自干燥收缩、温度收缩和碳化收缩五种形式。干燥收缩最为常见，发生在早期阶段。塑性收缩发生最早，当混凝土还处于塑性阶段，由于水分的散失导致。自干燥收缩发生在水泥硬化过程中，由于产生于混凝土内部，不与环境介质接触，也称自身收缩。温度收缩是在混凝土初凝后，混凝土水泥石具有一定强度时，由于相对初凝期或稍后阶段的温度较低而产生。碳化收缩是空气中 CO2 与水泥石中的 Ca(OH)2 反应生成 CaCO3，放出结合水而使混凝土收缩。 原材料对商品混凝土裂缝的影响是由胶凝材料、水、粗细骨料及掺合料按适当比例拌制，经一定时间硬化而成的人造石材。原材料应用的不当会造成混凝土硬化过程中及硬化后产生裂缝。
1 水
水在混凝土裂缝的形成原理中有重要作用。混凝土的塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩还有骨料碱集料反应造成的混凝土开裂等都与混凝土中含有的水分有关。笔者在 2011 年 9 月曾针对某站在该月所浇筑混凝土的出厂坍落度及拆模后的混凝土表面情况做过一个对比统计。当月共生产混凝土14300m3，其中泵送混凝土 12550 m3，自卸及塔吊方式浇筑的混凝土 1750 m3。泵送混凝土中坍落度在 220mm 以上的8780m3，有 20% 的混凝土表面在终凝后出现不同程度的收缩裂缝及沉降裂缝。坍落度 220mm 以下的混凝土 3775m3，只有不到 5% 的混凝土表面出现轻微裂缝。而自卸及塔吊浇筑的混凝土由于坍落度不超过 180mm，基本无裂缝出现。经分析这是由于水灰比的不同导致的不同结果。为弄清楚水灰比与混凝土裂缝之间的内在联系，对实际生产情况做了研究。在单方水泥用量不变的情况下，通过改变单方用水量来获得不同水灰比，研究水灰比与混凝土裂缝及强度的关系。为展现出效果，坍落度模拟在大风极端干燥的环境下进行，结果见表 1。 结果表明：在水泥用量不变的条件下，混凝土收缩率随水灰比的增加而明显增大，28d 强度相应减小。所以在商品混凝土生产过程中应尽力控制用水量，保持水灰比的稳定，减少混凝土收缩裂缝的生成。 2 水泥 水泥是商品混凝土的重要组分，水泥品种、细度、凝结时间、安定性、强度和水化热等都在很大程度上影响商品混凝土的质量。其导致产生裂缝的原因主要有如下几点：（1）水泥水化反应对混凝土裂缝的影响。混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，使得混凝土结构内外出现较大的温差，这些温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。在混凝土的施工中当温差变化较大，或者是混凝土受到寒潮的袭击等，会导致混凝土表面温度急剧下降，而产生收缩，表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而产生裂缝，这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错；梁板类长度尺寸较大的结构，裂缝多平行于短边；深入和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密。裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀和混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。根本的防治措施是控制混凝土内部和表面的温度差。具体可以通过使用低热水泥、降低水泥用量、掺用掺合料等方法来实现。（2）水泥安定性对混凝土裂缝影响。2011 年 10 月份，某工程在浇筑筏板基础时，发现经覆盖保湿养护后的混凝土表面出现较大面积收缩裂缝，裂缝呈龟裂状，裂缝宽度为 0.1～0.2mm，在相同时间段，使用同一搅拌站同一种水泥的市内某搅拌站所浇筑的楼面梁板也出现同样症状裂缝且面积更广。经调查原来是两家搅拌站所使用的该批次水泥由于厂家更换原材料导致安定性不合格造成。安定性是引发各种裂缝的主要因素之一。由于使用安定性不合格的水泥，致使在水泥水化后凝结过程中，在氧化镁、氧化钙及石膏等物质反应的作用下，产生了剧烈的、不均匀的体积变化。这种变化会在混凝土内部产生破坏性应力，导致强度下降和开裂现象的出现。水泥体积安定性大多是由水泥中的游离氧化镁、游离氧化钙和石膏三种物质决定的。氧化镁的反应速度很慢，可达 10～20 年。其固相体积增大 2.48 倍。国家标准规定，按压蒸法进行检测，当压蒸膨胀率超过 0.5% 时，则该水泥的压蒸法定性为不合格。另外水泥生料在烧熟过程中，氧化钙和氧化硅、氧化铝、氧化铁的化学反应是不可能完全进行彻底的，一般地都会剩余一些结构致密的氧化钙游离在水泥熟料中，这些游离的氧化钙遇水会继续缓慢反应，一般需要 3～6 个月才能完全水化。固相体积增大 1.98 倍。生产水泥的过程中会掺入石膏，当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，体积约增大 1.5 倍，也会引起水泥石开裂。
水泥水化过程中产生大量的热量，每克水泥放出 502J 的热量，如果以水泥用量 350～550kg/m3 来计算，每方混凝土将放出 17500～27500kJ 的热量，从而使混凝土内部温度升高，在浇筑温度的基础上，通常升高 35℃ 左右。如果按着我国施工验收规范规定浇筑温度为 28℃ 则可使混凝土内部温度达到 65℃ 左右。如果没有降温措施或浇筑温度过高，混凝土内部温度高达 80～90℃ 的情况也时有发生，例如在浇筑筏板反梁基础的大体积混凝土的内部温度，经实际测定可以高达 95℃。水泥水化热在 1～3d 可放出热量的 50%，由于热量的传递、积存，混凝土内部的最高温度大约发生在浇筑后的 3～5d，因为混凝土内部和表面的散热条件不同，所以混凝土中心温度低，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比，温度越大，温度应力也越大。所以从减少混凝土裂缝的角度来说，设计施工配合比时在保证混凝土强度的前提下水泥用量应尽可能得少，在 JGJ 55—2011 《普通混凝土配合比设计规程》中也提到配制高强度混凝土时水泥用量不应大于 500kg。
3 粉煤灰
粉煤灰作为掺合料用于混凝土的拌制是目前混凝土搅拌站普遍采用的新技术。它起到的作用有：（1）填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于煤灰的容重（表观密度）只有水泥的 2/3 左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。（2）对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可提供水分，使水泥水化得更充分。（3）粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。（4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。
针对粉煤灰与混凝土早期裂缝之间的关系做过以下研究，在保持水泥品种、用量、骨料、砂率、用水量及水灰比均保持不变的情况下观察当粉煤灰掺量不同时（0%～45%）对混凝土试件早期抗裂性的影响。试验结果见表 2。
从图 1、表 2 可以看出：当粉煤灰掺量从 0%，7.5%，15%，22.5% 这 4 个数值依次增加时，单位面积平板的开裂总面积成阶梯减少，而当掺量为 30% 时，开裂面积却又增加很多，当掺量为 45% 时，开裂面积再次减少而且幅度较大。我们归纳出的初步结果是：（1）在其他条件相同时，混凝土中掺加粉煤灰时，混凝土单位面积开裂比没掺煤灰的混凝土少，粉煤灰的掺入能够提高混凝土早期抗裂性能。（2）粉煤灰掺量的不同对混凝土抗裂性有不同效果的影响，虽然大掺量粉煤灰（掺量 45%）相对来说在开裂数目上和开裂面积上有相对优势，但并不是掺量越多，影响的效果就越显著，它们不成正比关系。
由于粉煤灰能够延缓水化反应速度，从而使混凝土的硬化速率降低，所以混凝土的早期强度会随着粉煤灰掺量的增加而降低。而现在建筑工程中对工期的要求相对较高，所以虽然大掺量粉煤灰混凝土抗裂性能较好，但是由于其早期强度过低并不能满足施工上对工期的要求，因此不是最适合的。根据分析来看，合适的掺量应在 15% 至 30% 之间，在掺量接近 22. 5% 时单位面积的总开裂面积最少为最优掺量值。由于粉煤灰掺量不是很多，混凝土中的水化反应不至于太慢，对混凝土早期强度影响不大，从而不会影响到施工进度。但应该指出的是，粉煤灰的掺入对混凝土表面裂缝起到良好的控制效果是牺牲混凝土早期强度得到的，所以混凝土现场施工应该更加严格养护。
4 骨料
骨料在混凝土结构拌合体中的用途是起骨架作用。其在混凝土中的主要目的是稳定并固结住混凝土的整体体积。由于纯水泥浆体硬化后收缩变形过大，因而必须由骨料对水泥浆体的收缩起到一定的约束作用。骨料可分为人工骨料和天然骨料两种。天然骨料表面光滑少棱角，孔隙率和表面积较小，混凝土拌合物和易性较好。人工骨料表面粗糙，富有棱角，孔隙率和总表面积较大。因为表面积比天然骨料大的多，人工骨料和水泥浆体的咬合力相对也较大，所以混凝土抗拉强度也较大。
通过试验证明，在相同的混凝土抗压强度等级下，人工骨料的抗拉强度比天然骨料平均高约 25%，从试块的劈拉断面也可以看出，人工骨料的混凝土试块在断面上的石子大部分都被拉断，而天然卵石混凝土试块基本无卵石被拉断，断面表现为许多光滑的凹点，说明两种骨料和胶凝材料的咬合力存在较大差别。所以从防止裂缝产生的角度考虑，拌制混凝土宜采用人工碎石作为粗骨料。但同时由于人工碎石表面粗糙，棱角多孔隙率和表面积远大于天然骨料，拌制相同坍落度和强度等级的混凝土时需要更多的水泥浆体来填充空隙和包裹骨料，这又会增大混凝土的用水量和水泥用量，导致水泥水化热变大，促进水泥浆体的收缩。这就需要严格控制骨料的粒型和颗粒级配，使用颗粒饱满、针片状颗粒少、连续级配好的骨料来降低骨料孔隙率和表面积。 5 外加剂
混凝土外加剂种类繁多，性质、用途各不相同，这里只讨论最常用的缓凝减水剂。大量的工程实践和研究表明，高性能的缓凝减水剂的使用能有效调节混凝土的凝结时间和降低水化热，减少用水量和水泥用量，减小水灰比，增加混凝土密实度，减小混凝土的干缩，所以合理的使用外加剂对混凝土早期裂缝的防治是有利的。但不同品种的外加剂对混凝土水泥砂浆的收缩变形影响效果不同，程度也不同。由于本身成分不同、工作原理也不同，传统的萘系和氨基硫酸盐系高效减水剂的加入反而会增大水泥胶砂的收缩程度，而第三代外加剂——聚羧酸高性能缓凝减水剂的加入则对水泥胶砂的收缩性能影响较小，有试验数据表明聚羧酸减水剂比萘系减水剂的收缩比小约 25%～40%。可见使用聚羧酸减水剂能有效减少混凝土收缩的产生。自从 2011 年初开始使用聚羧酸外加剂后，所生产的混凝土早期裂缝的产生有明显减少，证明了聚羧酸外加剂在改善混凝土收缩率方面较传统外加剂有较大优势。
6 注意事项
混凝土收缩机理错综复杂，随着许多具体条件的差异而变化，有些原材料既可起到抑制收缩的作用，同时也可起到促进收缩的作用。对搅拌站而言，防治混凝土裂缝产生的主要措施是严格控制好商品混凝土的原材料质量和配合比设计，并配合施工采取措施加以保证。（1）选用合格的、水化热低、收缩小、安定性稳定、耐久性好的中热水泥、低热水泥等，控制好水泥细度，配合比的设计上控制好水泥用量不超过 550kg/m3。（2）选用质量较好的Ⅰ级或 Ⅱ 级粉煤灰，控制煤灰筛余量在 25% 以下，掺量控制在 15%～30% 之间，尽量靠近 22.5%。（3）砂宜选用级配优良，细度模数M=2.8～3.0 的中砂，严格控制砂含泥量不大于 2%，砂率控制在 30%～40% 之间。（4）石子尽量选用级配良好，粒型饱满，含泥量不大于 1% 的碎石。（5）外加剂选用收缩比小的聚羧酸高性能缓凝减水剂，控制好外加剂掺量。（6）精心设计配合比，在保证混凝土强度及工作性的前提下，遵循低水泥用量、低水灰比、低坍落度的原则，尽可能降低混凝土水化热和混凝土收缩值，并合理利用外加剂来调整混凝土的凝结时间，达到有意识控制、调整水泥水化热的高峰期，生产出高强、高韧、低热、抗拉的优质混凝土。
7 结束语
目前采用商品混凝土的现浇住宅的楼板裂缝是一种常见的建筑质量通病，虽然许多裂缝并不影响结构的承载力，但必须加以特别重视。严格地讲，完全无裂缝的结构几乎没有，关键是控制有害裂缝的出现，正确区分有害和无害裂缝。经过业内众多专家长期的研究和技术攻关，也只是尽可能地减少裂缝的产生，可以说混凝土裂缝的控制几乎成了永恒的研究课题。本文是笔者的经验之谈供同行指正交流。 （作者：余青松，刘雪健，商品混凝土杂志2015年12期） |
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