2.2 收缩变形被约束因素
混凝土收缩变形被约束是裂缝最主要的成因。
混凝土收缩变形导致的裂缝包括：凝缩裂缝、自生收缩裂缝、养护期失水收缩裂缝、干湿变形收缩裂缝、温度变形收缩裂缝、碳化收缩裂缝和高强混凝土自收缩裂缝。
混凝土浇筑后，荷载尚未施加就出现的裂缝，包括基础梁、地下室墙、筒体剪力墙、剪力墙、梁、柱、楼板等构件的表面龟裂和条形裂缝，大都是收缩变形被约束而导致的。
2.2.1 塑性凝缩
塑性凝缩发生在混凝土终凝前的凝结过程中。
混凝土浇筑3~12h（或4~15h）以内会出现塑性凝缩，即水泥与水的激烈的水化反应中出现体积收缩，伴随着泌水和水分蒸发现象，收缩量为绝对体积的1%。
水泥水化反应形成的胶凝体（即水泥石）在凝固阶段的塑性收缩使骨料受压。由于骨料的抗压强度高于凝固阶段还没有形成强度的水泥石的抗拉强度，就形成了对收缩的约束，使凝固阶段的水泥石容易被拉裂。也就是说，正在凝固的“弱不禁风”的水泥石向周围骨料施压，骨料没被压变形，水泥石自己却被拉裂了。
养护好的情况下，混凝土塑性收缩不会导致开裂。大体积混凝土养护不好的部位可能会出现龟裂，裂缝宽1~2mm，间距5~10cm，属于表面裂缝。参见彩插图C-6，属于凝缩龟裂。
混凝土塑性收缩与材料、配合比、振捣和浇筑时的温度有关。控制水灰比和做好养护是防止塑性凝缩裂缝的关键。
2.2.2 自生收缩裂缝
自生收缩裂缝是混凝土硬化过程中产生的收缩裂缝。
自生收缩也是水化反应产生的，与前面介绍的塑性凝缩不同的是，自生收缩不是在凝固阶段形成的，而是在硬化阶段水化反应过程中形成的，而且与湿度和温度变化无关。自生收缩的体积收缩率约为（40~100）×10－6。相当于4~10℃的温差所引起的变形，大约是干燥收缩的1/10。使用低热膨胀水泥、矿渣水泥或掺加粉煤灰，也有自生膨胀（即负收缩）的可能，至少可以减小收缩。
有经验的预制混凝土构件工厂，模具尺寸会比构件设计尺寸大1~2mm，就是为应对混凝土自生收缩现象，使收缩后的构件尺寸符合设计尺寸。
与湿度和温度变化引起的变形不一样的是，自生收缩是不可逆的，即收缩后不会再膨胀。
如果混凝土在硬化阶段是自由状态，没有被约束，自生收缩就不会导致裂缝。但是，以下几种情况可能发生裂缝：
1）混凝土体积较大，如断面尺寸比较大的高层建筑底层柱子。
2）混凝土构件比较长，如连续墙体。
3）混凝土构件被约束，如长墙被基础或端部刚性大的构造约束。
4）混凝土构件被复杂模具约束。
5）混凝土被预埋件、预埋灌浆套筒约束等。
自生收缩受到约束产生的裂缝不是网状裂缝，而是一条或多条裂缝，或垂直于约束方向；或在构件转角、预埋件处等应力集中的部位出现。
自生收缩率与以下因素有关：
1）水泥品种，如使用矿渣水泥就不会收缩，还会膨胀（即负收缩）。
2）水泥用量越大，收缩率越大。
3）掺加粉煤灰等活性细骨料会降低收缩率。
2.2.3 养护期失水收缩裂缝
养护期是混凝土中水泥与水发生化学反应的硬化阶段。如果这个阶段失水，使混凝土表皮无法进行充分的水化反应，就会降低其强度，增加其孔隙率，混凝土表面有浮灰，显得发“糠”。
混凝土表皮失水导致收缩，但内部混凝土失水较少或没有失水，两者无法同步收缩，由此内部不收缩的混凝土对表皮混凝土的收缩形成了约束，导致表皮混凝土产生拉应力，出现龟裂现象，见图2-1。
图2-1 养护期失水收缩裂缝示意图
养护期失水收缩也是湿度变形收缩的一种，之所以单独列出来讨论，因为：
1）它不属于正常的干湿变形，而是明显的生产过失——如模板吸水、养护过程失水——所致。
2）与干湿变形部分可逆——即干燥收缩和潮湿膨胀交替——不同，养护期的失水变形是不可逆的。
3）裂缝形状呈网状，即龟裂，与正常干湿变形受到约束而产生的条形裂缝不一样。
4）构件自由状态下，也就是没有外部约束的情况下，干湿变形不易导致裂缝出现，但失水收缩会导致裂缝出现。
2.2.4 干湿变形收缩裂缝
混凝土所含水分减少会导致体积缩小。
混凝土的收缩性取决于超出水化用水的多余水占据的空间，当这些水分蒸发或流失，就会形成失水收缩。
在水中养护的混凝土完全干燥时，收缩率约在0.06%~0.09%。混凝土实际收缩率为0.02%~0.1%。不同水泥品种，收缩率不一样。
混凝土构件如果在自由状态中，收缩没有被约束，或约束力不够大，就不会出现裂缝。如果混凝土被约束，无法自由收缩，就会产生拉应力，超过混凝土抗拉强度时就会出现裂缝。
干湿变形裂缝是条形裂缝。
干湿收缩对厚度超过10cm的混凝土不是大问题。干缩扩散速度仅为温度扩散速度的千分之一，干透60mm厚混凝土需要1个月。但15mm厚的GRC薄壁构件容易干透，干湿变形是裂缝产生的最主要原因。
干湿变形部分可逆。干燥时收缩，潮湿时膨胀。所以有些裂缝会反复出现。
影响干湿变形的原因及条件包括：
1）水泥强度等级越高，收缩率越大。
2）水泥含量大会增加收缩量。
3）混凝土强度等级越高越易导致收缩量大。
4）水灰比大的混凝土收缩率大，是影响收缩量最大的因素。
5）骨料含量大、弹性模量高，收缩量小。
6）骨料粒径大，达到相同稠度用水量少，收缩量小。
7）河卵石骨料收缩率小于碎石骨料。
8）振捣密实的混凝土收缩率小。
9）混凝土湿养护条件下的收缩率小于标准养护条件下的收缩率。
10）外加剂和掺合料对干燥收缩作用不大或没有作用。
11）结构、形体和构造设计使混凝土构件受到刚性约束。
2.2.5 温度变形收缩裂缝
混凝土与其他物质一样会热胀冷缩，环境温度降低时体积缩小，发生收缩变形。
混凝土热膨胀系数是0.001%。但在零度以下混凝土体积会膨胀。
混凝土如果在自由状态下，收缩没有被约束，或约束力不够大，就不会出现裂缝。如果混凝土是被约束的，无法自由收缩，就会产生拉应力。当拉应力超过混凝土抗拉强度时就会出现裂缝。
混凝土温度应力产生的裂缝，既有龟裂，也有条形裂缝。
1）混凝土蒸汽养护急速降温时，表面因降温产生的收缩被内部未降温的混凝土所约束，就可能产生表面龟裂现象。其原理与养护期失水收缩形成的裂缝一样，参见本书2.2.3节及图2-1。
2）当混凝土构件的温度收缩被端部构造、其他构件和基础约束时，或构件自身太长未设置伸缩缝，就会产生垂直于约束力方向的条形裂缝。所以，在进行混凝土结构、形体和构造设计中应尽可能减少刚性约束（详见第8章）。
3）当混凝土墙体或结构内外环境温差较大时，会在混凝土断面形成温度梯度，导致低温面产生条形裂缝。设计中对此须给出预防措施。
2.2.6 碳化收缩裂缝
碳化收缩是指混凝土碳化反应所发生的收缩现象。
碳化反应，即混凝土中的碱性物质与空气、土壤和水中的酸性物质——主要是空气中的二氧化碳（CO2) ——发生反应。碳化反应的结果是混凝土碱性降低，趋于中性，所以碳化反应也称为中性化。
水泥与水发生化学反应生成水泥石。水泥石中大约有1/4 ~1/3是碱性物质Ca（OH)2，以结晶体和孔隙内的饱和水溶液的形态存在。早期混凝土的pH值一般大于12.5。
由于空气中的CO2向混凝土内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙发生化学反应，生成碳酸钙（CaCO3）和其他物质，还有游离水。碳化可以使混凝土的pH值降到8.5左右，即中性化了。
混凝土碳化是较为缓慢的过程，与环境和混凝土材质有关，一般在混凝土浇筑几年或十几年后开始出现，深度从几毫米到几十毫米。
混凝土碳化会提高其强度，但有两点很不利：一是钢筋容易锈蚀；二是会产生收缩变形并可能导致混凝土出现龟裂。
早期混凝土碱性高，在钢筋表面生成了碱性钝化膜，由此钢筋不易被腐蚀。混凝土碳化后，钝化膜被破坏，钢筋容易被锈蚀，而铁锈膨胀会将混凝土保护层胀裂，反应过程及原理详见第6章。
混凝土碳化具有收缩性，碳化生成的游离水的空间即是收缩空间。混凝土表面的碳化收缩被未碳化的内部混凝土所约束，由此导致混凝土表面出现龟裂。其原理与养护期失水收缩形成的裂缝一样，参见本书2.2.3节及图2-1。
一些混凝土使用多年后出现龟裂，人们习惯地说法是混凝土“老化”了，或者说混凝土强度衰减了。其实，混凝土强度会随着龄期延长而略有提高，“老化”裂缝大都是因碳化所致。
混凝土碳化与以下因素有关：
1）碳化在相对湿度为50%~70%时容易发生。
2）温度高碳化会加速。
3）风压大的地区碳化加速。
4）空气中二氧化碳浓度高容易碳化。
混凝土的抗碳化性能详见本书3.3.4节。
2.2.7 高强混凝土自收缩裂缝
混凝土收缩有自生收缩和自收缩两个概念。
自生收缩在2.2.2节中介绍了，是混凝土在硬化阶段水化反应中形成的收缩，是普通混凝土都有的特性。
而自收缩特指高强混凝土在水与水泥水化反应之外又增加的收缩。
高强混凝土指强度等级C50以上的混凝土。由于高强度混凝土会掺加具有活性的超细粉，如粉煤灰、磨细的矿渣粉和硅灰等，而这些活性细粉与水泥石中的氢氧化钙发生化学反应，又由于高强混凝土的水与胶凝材料（水泥和活性骨料）的比例较低，水化反应把水消耗得差不多了，细粉与氢氧化钙的反应便吸收了毛细管中的水分，使毛细管形成真空，如此会导致收缩。水胶比越低的高强混凝土，自收缩率越大。
自收缩一般不会导致龟裂，因为自收缩是混凝土内外均衡的，没有梯度约束。高强混凝土自收缩裂缝只会发生在构件变形被约束的情况下，多为条形裂缝。所以，在混凝土结构、形体和构造设计中应尽可能减少刚性约束。