混凝土缺陷判断中的“破案”分析

闻宝联

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

经常有学员发图片或视频给我，并询问：“混凝土开裂了，闻老师，能帮我分析下原因吗？”凡此时，我只得说：“你再发我几张吧，关键是要把细节给我描述下，毕竟我没在现场，不了解情况。”然后对方发了我几张照片，描述了一下。一些常见的缺陷，我会给出参考意见，但绝大多数，我也不能很确定，因为很多描述也可能是不准确的，因为每个人的着眼点不同，可能会误判，最终我只能回答我也不是太清楚，不结合现场不敢给明确意见，恐会误人子弟。

实际情况确实是这样的。就像得了感冒，表现都是一把鼻涕一把泪，鼻子也不通气了，找到大夫，一般大夫也不会扫一眼就明确病因，肯定要询问一些细节及患者的感觉，然后再加上化验结果，综合所有信息，才判断是哪一种感冒类型，再给开药，即便如此，也不一定准确，一样存在误诊的风险。混凝土裂缝亦是如此。

前段我去河北某工地处理墩柱开裂问题，照片见图1。老实说，通过这张图可能很难看出问题，能看到的就是外观颜色不好看，模板没处理好，脱模用的是废机油加柴油，裂纹很难看出来，我用另外一张与之相似的图来说明下（见图 2）。散碎不规则裂纹，没有明显方向性。

图 1 墩柱表面

图 2 墩柱表面裂纹示意

现场的技术员比较熟悉情况，观察也很细心，给我介绍说刚拆模时候没发现，后来才有的，而且很有特点，每根柱子开裂都是朝着下午阳光照射方向，他百思不得其解，问这与阳光照射有何关系？我仔细看了一下，几根柱子确实都如此，正如他所说，西面下午朝阳方向裂纹多，其他方向也有，但东面方向很少，这很有意思。仔细询问情况后，我提出：与下午阳光没关系，裂纹的成因另有其他。

首先要明确的是逻辑关系，任何现象的产生都有其背后的机理，区别在于是否被知晓。比如光线的传播一直被认为直线，费马原理指出：真空中，光沿着最短的路径传播。在平直的空间中，最短两点的连线是直线段，而在弯曲的空间中，最短两点的连线是曲线段，这里出现了一个悖论，根据现实，曲面两点之间直线最短。逻辑与现实发生矛盾，怎么办？

爱因斯坦说，纯逻辑没问题。如果逻辑和现实发生矛盾，那就改变现实。两点之间直线最短，背后的隐含假设是：空间是平直的，才直线最短。如果事实是两点之间曲线最短，那只能打破这个隐含假设，推出一个新的关于时空的假设出来——时空是弯曲的，弯曲时空现在已经被广泛接受，而且也被观测和实验证实。

这也是我在以前的文章中一直强调的，逻辑关系的重要性，违反逻辑关系的现象是不存在的，所以被认为是不合逻辑是还没掌握相关知识，比如量子力学。

为说明前面的裂纹问题，先了解下相关知识。

首先，可以确定裂纹与材料本身相关性不强。墩柱混凝土是一段一段往上浇筑的，如果一段四周都出现一样的问题，不排除材料问题，但如果不是这样，基本可以排除。

其次，日照因素。面向下午日照面也就是西侧有裂纹，而面向上午面也就是东侧很少，日照因素也基本排除。

那么，应该是这以外的因素为主。说到这个，先了解一下风向玫瑰图做个铺垫。

风向玫瑰图用图象表示风向和风频（用百分数表示）的原理，因形状像玫瑰花，故得此名（见图 3）。

图 3 风向的十六个方位

在 16 个方位上，经多年统计，我们可以将一年、多年的风向统计资料编制成图象，这就是风向玫瑰图。根据玫瑰图，把有大气污染的企业设置在居民区最小风频的上风地带或常年盛行风向垂直的郊外，是最科学的。

事实上风向有明显的季节变化，甚至是年际变化，所以通常要选取数十年的风向资料作为研究对象，比如石家庄的风向玫瑰图（图 4），以西北风为主风向。

图 4 石家庄风向玫瑰图

了解了玫瑰图和今年三月份，也就是墩柱的施工季节温度（图 5）情况，下面还要了解一些空气动力学和热力学知识。

图 5 石家庄 2021 年 3 月天气

按照势流理论，流体在圆柱体的前部流速会逐步增大而压力会逐步减小；流体在圆柱体的后部流速会逐步减小而压力会逐步增大。

但是，因流体的黏性力的作用，在圆柱体的前部会形成流动边界层，速度会从势流流速逐步改变到壁面上的零速度，这种速度改变是以消耗流体动量为代价的，这一过程特征会保持到势流流速达到最大值。

在其后的增压减速过程，流场由压力转变来的动量会逐步地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且还会在逆向压力的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边界层发生分离（见图 6）。在其后的增压减速过程，流场由压力转变来的动量会逐步地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且和会在逆向压力的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边界层发生分离。如果流体在分离之前流动边界层已经从层流发展到紊流，由于紊流边界层中紊流动量交换的加强，从而使边界层流动的分离向后推移。

图 6 空气流过墩柱流线和速度分布

绕流圆柱的流体当 Re＜10（雷诺数）时流动不会发生分离现象；当 10≤Re≤105时，流动分离点在 80°≤φ≤85° 之间；而当 Re＞105时，流动分离点在 φ=140° 处。雷诺数为 Re=u∞d/v，式中，u∞为来流速度，d 为圆柱体外直径。雷诺数的物理意义是惯性力与粘性力的比值。比如取特征尺度也就是墩柱直径d=1m，根据三月份气象资料空气速度取为 3～5m/s，20℃ 空气运动粘度 v＝1.4×10-5m2/s，则 Re=21428～35714。如图 7 所示为绕流圆柱体的表面传热系数沿着圆柱体壁面变化的情况。其中 Nu（努塞尔数）为对流热导 h 与特征长度 L 的乘积除以流体热导率 k。即：Nu=h·L/k，特征长度为墩柱直径，这样，导热系数 h 与Nu 成正比。可以看出：在圆柱体的前端 φ=0° 处换热系数 h 最大，而在分离点 φ=82° 处换热系数 h 最小；如果在边界层从层流变为紊流，那么转变点 φ=140° 处有一个换热系数 h 的最低点，紊流边界层的分离点是另一个换热系数 h 的最低点。

计算流体绕流圆柱体的平均换热系数的准则关系式：

图 7 不同雷诺数下的不同角度换热系数

准则的特征流速为流体最小截面处的最大流速umax；特征尺寸为圆柱体外直径 d；定性温度除 Prw按壁面温 tw取值之外，皆用流体的主流温度是在选用 tf为定性温度时考虑热流方向不同对换热性能产生影响的一个修正系数。

按主风向为西北风，雷诺数 Re=21428～35714，参照图 7，雷诺数不是太大时，按图趋势，显然散热在迎风面大，然后随着圆柱表面逐渐降低，在 80° 方向换热系数最低，之后逐渐增大，但也要小于迎风面，而一旦风很大，大雷诺数紊流态，反而背风面散热快。但目前的流动与传热特性，与西面裂纹多相悖，不符合逻辑关系。

重新网上查阅石家庄地区今年 3 月份气象资料，发现 3 月份主风向为西风，但风向也是随时波动的，并不会只沿着标准的几个方位流动，这样也解释了为何西侧裂纹多而东侧裂纹少，当然这更多也是定性的而非定量。通过以上的分析，要确立一个观念，就是任何现象都有其内在逻辑关系，能解释才能解决，混凝土问题不要总局限于材料，多了解相关学科很重要！这也基本判定，拆模后由于混凝土墩柱温度较高，保温养护不及时，在低温西风作用下，表面温降过快，同时也伴随着失水，造成局部表层收缩开裂，而背风面由于风速较低、换热系数低、温降要慢于迎风面，没有发生明显的表面裂纹。

在冬季以后类似的工程，拆除模板后一定要注意及时保温保湿。