砂浆开裂的机制解析

1.砂浆的拉伸破坏

普通水泥砂浆是一种脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，其极限拉伸黏结强度较低，在拉伸应力作用下，很小的变形就会导致开裂破坏。砂浆的开裂主要源于拉伸应力的破坏作用。

砂浆是否产生开裂，取决于砂浆所受的拉伸应力与其极限拉伸应力之间的大小关系。砂浆的极限拉伸应力是指砂浆在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉伸应力，单位为kN。单位面积所受的极限拉伸应力即为砂浆的拉伸黏结强度，单位为MPa。

当砂浆所受的拉伸应力大于砂浆的极限拉伸应力时，砂浆将产生开裂；反之，不会产生开裂。即：

σ＜R不开裂

（7-2）

σ＞R开裂

（7-3）

式中：R——砂浆的极限拉伸应力（单位面积的极限拉伸应力即为拉伸黏结强度）；

σ——砂浆所受的拉伸应力。

砂浆所受的拉伸应力σ，有的是外部施加的，如受到外部震动、冲击，或由于基层开裂，但是，最常见的情况是砂浆层与基层变形不一致而产生的。

2.砂浆的收缩

砂浆层与基层变形不一致，通常由砂浆的收缩引起，砂浆的收缩对砂浆的开裂起着举足轻重的作用。砂浆的收缩有多种类型，分别有自生收缩、干燥收缩、温度收缩和碳化收缩等。

（1）自生收缩

砂浆自生收缩是指砂浆在硬化过程中由胶凝材料水化引起的收缩。伴随水泥水化的进行，内部毛细孔自由水量不足，导致内部相对湿度下降，引起毛细水负压，使硬化水化产物受压，从而产生体积收缩。自生收缩主要发生在砂浆硬化的早期，一般在开始凝结后的几天或十几天内基本完成。自生收缩不包括由物质的损失或侵入、温度的变化、外部力量或限制物的应用引起的体积变形。

砂浆中水泥用量增加、水泥细度提高，自生收缩增加。砂率及细度模数增加、粉料减少等均抑制自生收缩。碱含量增加则提高自生收缩。

（2）干燥收缩

砂浆的干燥收缩是指在砂浆停止养护后，置于不饱和的空气中，由于内部毛细孔、凝胶孔的吸附水和层间水的散失而产生的收缩，是由不饱和条件下，砂浆内部水分散失至外部引起的。干燥收缩从水泥浆体在塑性流动终止直至进入硬化阶段的过程中一直进行着，即使到28d龄期也不会完全终止。随着相对湿度的降低，水泥浆体的干燥收缩增大。

毛细管张力学说认为干燥收缩与毛细管水的弯液面有关。环境湿度小于100%时，毛细管内部的水面下降，并成弯液面。随着环境湿度的继续降低，毛细管内部的水面进一步下降，弯液面曲率增大，弯液面产生的表面张力随之增大，这种表面张力会对毛细管壁产生压力。随着毛细管水的蒸发，水泥硬化体处于不断增强的压缩状态，导致它的体积压缩，从而引起干燥收缩。干燥收缩和自生收缩都可以通过毛细管张力学说来解释，但是自生收缩与干燥收缩在相对湿度降低的机理上有所区别。干燥收缩是由不饱和条件下水分散发到外部环境造成的，而自生收缩是由内部水分被水化反应所消耗导致内部相对湿度降低造成的。

干燥收缩与自生收缩的影响因素相似，均与砂浆的组成材料的性质、配合比等有关。水泥用量和粉料含量增加，干燥收缩增强；砂率和细度模数增加，干燥收缩减弱；砂浆中碱含量、水泥细度和水泥中C3A含量增加，干燥收缩增强；砂浆保水率提高，干燥收缩减弱。

（3）温度收缩

因温差作用产生的收缩即为温度收缩，又称冷缩。温度收缩源于砂浆的热胀冷缩作用，当环境温度由高变低时，砂浆产生体积收缩。

在无约束条件下，砂浆温差所引起的温度收缩变形可表示为温差ΔT与热膨胀系数α的乘积（α·ΔT）。砂浆的热膨胀系数与砂的种类、砂浆强度等级等有关。

由于砂浆传热性能差，当砂浆体积较大时，砂浆水化硬化过程中产生的水化热积聚，会引起内部温度升高，而后，当内部温度下降时，砂浆也就会出现体积收缩。此时，温度收缩受到砂浆内部的最高温度、降温速率、砂浆热膨胀系数等因素的影响。

（4）碳化收缩

碳化收缩是指大气中的二氧化碳在相对湿度合适的条件下，与砂浆内部的Ca（OH）2等水泥水化物发生化学反应，产生CaCO3和游离水的过程，由此引起的收缩称为碳化收缩。碳化作用只有在适宜的湿度条件下才能进行，砂浆的含水率、周围环境的相对湿度以及空气中CO2的浓度都会影响砂浆的碳化程度。碳化的速度会随着CO2浓度的增加而加快，当湿度达到约50%时，碳化最快，产生的碳化收缩达到最大；当湿度过低（低于25%）时，碳化作用难以进行；当环境相对湿度达到100%时，碳化将停止，这是因为砂浆的碳化实际是CO2由砂浆表面向内部渗透的过程，如果湿度过大，水分会隔离CO2气体，使其难以扩散到砂浆内部，或游离到表面的Ca2＋会因碳化作用而产生CaCO3沉淀，使得表面的孔隙被沉淀堵塞，碳化作用无法进一步进行。碳化收缩持续时间较长，且不可逆，并与干燥收缩相伴发生，难以准确划分两者。

砂浆的碳化收缩一般较小。自生收缩通常在较低水灰比的砂浆中才较为显著。温度收缩通常在砂浆与基材膨胀系数差异较大，并且温度变化明显时才明显。干燥收缩是非常重要的，砂浆停止养护后，置于未饱和空气中的砂浆会不断失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生不可逆的收缩。总体来说，干燥收缩占砂浆收缩总量的绝大部分，占比高达80%～90%，且随时间的增长而不断增大。

3.砂浆的收缩变形与开裂的关系

砂浆是一种脆性材料，在各种使用环境下极易产生开裂，如何提高砂浆的抗裂性能，避免或减轻砂浆开裂是大家所关心的问题。要防止砂浆开裂，首先要明白砂浆开裂的原因，在此基础上才能寻找有效的防治砂浆开裂的技术措施。

砂浆的开裂，可能是因外部震动、冲击及基层开裂等外力作用而产生的，但这种外力破坏的情况是比较少的，更多的是由砂浆收缩而引起。一方面，与混凝土不同，砂浆通常都是使用在一定的基材上，由于砂浆与基材在性能、初始状态和所处环境等方面的不一致性，必然导致变形的不一致性，而这种变形的不一致性使得它们之间存在着相互作用。另一方面，硬化砂浆具有一定的强度以及一定的弹性变形性能，能够松弛一部分应力，也具有一定的抵抗外应力的能力。

砂浆与基材变形不一致主要是由砂浆与基材的收缩不一致而引起的，主要表现在以下三个方面。(www.xing528.com)

（1）自生体积变形

砂浆施于基材后，由于水化反应刚开始不久，自生收缩变形较大；而基材通常是一些成熟度较高的材料，在砂浆使用时，这些材料的反应已经基本结束，因而不再产生自生体积变形，或者说自生体积变形非常小。因此，砂浆与基材的自生体积变形存在着较大的差异。

（2）干燥收缩变形

砂浆与基材的干燥收缩变形通常有非常大的差异，这种差异归因于以下三个方面。

①干燥收缩变形率不同。由于砂浆与基材是不同的材料，因而它们的干燥收缩变形性能通常是不一样的。

②初始状态不同。砂浆使用时，砂浆与基材的含水状态是不同的。基层材料可能是干燥的，或者含有少量的水分，由于所能失去的水较少，因而也将产生较小的干燥收缩变形。换句话说，在砂浆使用时，基层材料已经发生一定数量的干燥收缩变形，剩余的干燥收缩变形量与基层材料的剩余含水率有关。而砂浆处于完全饱水的状态，因而可能失去大量的水，也就可能产生较大的干燥收缩变形。由于砂浆与基层含水率不同，基层材料还可从砂浆中吸取水分产生湿胀。砂浆一方面由于水分的蒸发，另一方面由于基层材料的吸水，失去大量的水分。同时，由于胶凝材料水化，游离水转变为结晶水或结构水，产生自干燥作用。这些作用综合的结果是，砂浆层有可能产生较大的干燥收缩变形。

③环境不同。一般来说，基层处于内部，而砂浆层处于外部，即便砂浆层与基层可能的失水量和干燥收缩变形是相同的，但由于所处的位置不同，其干燥过程也不同。砂浆由于处于面层，直接与周围环境接触，因而对环境的变化更为敏感。当环境比较干燥时，砂浆层首先失去水分产生干燥收缩变形，而基层由于有砂浆层的保护，因而失水较迟。环境越干燥，砂浆层越致密，基层材料的初始含水率越少，砂浆层与基层失水速率的差别也就越大，因而所产生的干燥收缩变形的差别也越大。从砂浆与基材的接触面来看，砂浆与一个含水率低于它的材料接触，砂浆层有失去水分的趋势。而基层材料的外侧则是一个含水率高于它的材料，因而有从外部得到水分的趋势。

由于上述这些原因，砂浆层与基层所产生的干燥收缩变形是不一致的，而且砂浆层的干燥收缩变形通常比基层的干燥收缩变形大得多。

（3）温度变形

材料的温度变形取决于材料的热膨胀系数和温差。由于砂浆层和基层通常都是较薄的，它们的温度一般不会有较大的差别。但是，由于它们是不同的材料，因而热膨胀系数往往是不同的。砂浆层和基层材料热膨胀系数的差异会引起温度变形的不一致性。如果基层材料的热膨胀系数大于砂浆的热膨胀系数，在温度升高过程中，基层所产生的自由膨胀大于砂浆层所产生的自由膨胀，两者相互作用，基层处于受压状态，砂浆层处于受拉状态。当砂浆与基层材料热膨胀系数的差异较大，或者温度变化较大时，有可能导致硬化砂浆的开裂。如果基层热膨胀系数小于硬化砂浆的热膨胀系数，在温度升高过程中，基层所产生的自由膨胀小于砂浆层所产生的自由膨胀，两者相互作用，基层处于受拉状态，砂浆层处于受压状态。在这种情况下，硬化砂浆不会出现温度开裂。但是，在温度降低的过程中，基层所产生的自由收缩也小于砂浆层所产生的自由收缩，两者相互作用，基层则处于受压状态，而砂浆层处于受拉状态，这种情况则有可能导致砂浆开裂。

由上述分析可知，在自然环境下，砂浆与基层材料的变形总是不一致的。如果它们之间没有相互作用，这时砂浆的变形为εs，而基层材料的变形为εb，但是，砂浆与基层材料总是共同工作的，共同工作的结果是两者产生相同的变形。在变形由不一致趋于一致的过程中，它们之间必然存在着相互作用。

由力学分析可知，砂浆层所受的应力为：

基层所受的应力为：

式中：σs——砂浆层中的应力；

σb——基层中的应力；

εs——砂浆层由于某种原因所产生的自由应变；

εb——基层由于某种原因所产生的自由应变；

Es——砂浆层材料的弹性模量；

Eb——基层材料的弹性模量；

hs——砂浆层的厚度；

hb——基层的厚度。

在通常情况下，砂浆层是很薄的，一般只有1cm左右，甚至更薄。而基层则比砂浆层厚得多，可达十几厘米，甚至几十厘米。因此，可以近似地认为hs/hb＝0，式7-4和式7-5可变为：

σs＝Es（εs－εb)

（7-6）

σb＝0

（7-7）

由此可以看出，砂浆与基材变形的不一致在基层中产生的应力是很小的，而在砂浆层中产生的应力正比于两者之间的变形差及砂浆的弹性模量。

如前所述，砂浆是否开裂要看砂浆所受的拉伸应力σs是否大于砂浆的极限拉伸应力R：当σs＜R时，砂浆不开裂；当σs＞R时，砂浆将产生开裂。即砂浆开裂的判据是：

σs＝Es(　εs－εb)＞R

（7-8）