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1、混凝土的开裂与裂缝控制,宋少民,第一部分 混凝土开裂的基本原因,水泥混凝土易于开裂现象的本质，在于其粒子与粒子之间仅存在弱物理键的相互作用，抗拉强度比抗压强度要小一个数量级甚至更多，断裂能仅约为102J/m2量级 ，而其微结构的不均匀性，以及在硬化早期因多方面原因造成的损伤、微裂缝和拉应力，进一步使它易于开裂，且出现裂缝时间和部位呈现随机性。,拌合物坍落度的变化,50年代 干硬、插捣 02 cm 60年代 干硬、插捣与低频振捣 24 cm 70年代 塑性、低频振捣 59 cm 80年代 泵送、流态、高频振捣 1020 cm 90年代 泵送、自密实 1625 cm,原因一 混凝土拌合物沉降与泌水
2、,沉降与泌水,20世纪70年代，曾任日本混凝土学会主席的樋口芳郎做了一个试验：他将坍落度为8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地发现在粗骨料下方普遍形成水囊；混凝土硬化后抗弯拉强度明显下降。,骨料,水,可见泌水,内泌水,钢筋,沉降裂缝,水囊,混凝土表面,混凝土沉降形成的缝隙,钢筋,混凝土,易于出现沉降与泌水现象的其他因素： 早期：低气温季节浇注混凝土； 矿渣水泥中矿渣的粉磨细度较粗； 近年：外加剂水泥相容性； 水泥可溶碱含量过低； 拌合物的保水性。,原因二 混凝土的体积变形,1)塑性收缩 2)干湿变形 3)温度变形 4)自生变形,1）塑性收缩,指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生的收缩。特点
3、是当表面水分向外蒸发时引起局部产生应力，因此当蒸发速率大于泌水速率时，会发生局部的塑性收缩开裂。 低水灰比（水胶比）混凝土拌合物体内自由水少，矿物细粉和水化生成物又迅速填充毛细孔，阻碍泌水上升，因此表面更易于出现塑性收缩开裂。,混凝土表面,泌水速率 蒸发速率,开裂,混凝土表面,潮湿、干燥与风速(2.5m/s)对收缩的影响,不同参数影响的差异（摘自“减小早期收缩的方法”混凝土的收缩2000),干缩随风速增加而明显增大,相对湿度对干缩的影响(2.5m/s风速;20),气温对收缩的影响(2.5m/s风速；RH40),影响蒸发速率的因素,1）气温； 2）混凝土体温； 3）相对湿度； 4）风速； 5）太
4、阳辐射热； 以上任意两个因素的组合都属于热天混凝土浇注(Hot Weather Concreting)。,可能出现塑性收缩裂缝的混凝土温度与对应的相对湿度,设风速 16km/hr；气温与混凝土温差5.6,塑性收缩裂缝,现代高性能混凝土塑性收缩增大,主要原因在于高性能混凝土的低水胶比和大掺量矿物细粉的广泛使用。,2）干湿变形,硬化混凝土与周围环境存在湿度梯度，引起水分向外蒸发或吸入，产生体积变形的现象。,干湿作用的影响,混凝土受干燥作用产生的六个作用是：塑性收缩开裂、体积收缩（干缩）、微裂缝和渗透性增大、水泥-骨料粘结弱化、抗拉强度约降低30%，以及如果再受潮，可能会因为延迟钙矾石生成或受拆散力
5、作用而产生膨胀。,Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete. ACI monograph No:11, 1999.,干湿作用的影响,“在调查过程中注意到在主要遭受干燥影响的那些部位劣化最显著。发生网状开裂的程度主要取决干燥严重程度和混凝土对干燥收缩的易感性。” “劣化在桥栏杆处最显著。”（栏杆是桥最干燥的部位）“大多数受影响的混凝土没有任何明显的有害膨胀”（由于ASR）。,Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete
6、. ACI monograph No:11, 1999.,干湿作用的影响,1966年，宾夕法尼亚州Harrisburg温暖的夏季有过一次干旱，只有48mm的雨水，而不是通常的300mm。在此期间，该州的DOT为使交通升级，建造了319座桥。几年后，Carrier 和Cady（1975年）观察了其中的249座桥面，发现了断裂、破碎、砂浆劣化和横向裂缝，在总长33.8 km的桥面上发现了5425条横向裂缝。,3）温度变形（热变形）,混凝土硬化期间由于水化放热产生温升而膨胀，到达温峰后降温时产生收缩变形。升温期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力，且因徐变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模增长，而松
7、弛作用减小，受约束时形成大得多的拉应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现开裂。,此外，不同温度区域热膨胀作用的差异，如大体积混凝土中内部温度较高，产生较大膨胀，而外部则收缩，因而在外表混凝土中将产生很大的拉应力，使混凝土产生裂缝。,图3-46 硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升,水化热的影响,混凝土温度随水泥用量增加而上升,图3-47 混凝土浇注厚度对温升的影响 （浇注温度20C，水泥用量400kg/m3）,混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧,2.0m,2.5m,结构断面尺寸非常大,热收缩与热应力,混凝土的抗拉强度很小，因此在冷却时产生的拉应力很容易超过它的强度。例如： 混凝土的热膨胀系数为10
8、106 / 由于水化热产生的温升为15 则混凝土冷却时的热收缩为150106 而其弹性模量设为21GPa 如果被完全约束，冷却时的拉应力达3.15MPa 超过一般混凝土的抗拉强度 因此，如果不是由于应力松弛，很可能要开裂,混凝土因为收缩引起开裂，尤其是大体积混凝土因水泥水化放热产生的温升会引起开裂的问题，在20世纪初就为工程界所认识。,自20世纪初起，为了减小水化放热产生的影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又开发出低热水泥。利用加大粗骨料粒径、非常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注层高和管道冷却等措施，进一步获得了降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。,Thermal Cracking i
9、n Concrete at Early Ages E & FN SPON (1994),近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂的现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了。水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。,Thermal Cracking in Concrete at Early Ages. E & FN SPON 1994.,4）自生变形,混凝土在没有温度变化，没有和外界发生水分交换，也不受力的条件下发生的表观体积变形称自生变形，自生变形时体积减小称自生收缩。混凝土发生自生变形的原因，是由于化学减缩水泥（及掺合
10、料）和水发生水化反应绝对体积减小的现象。,龄期,体积减缩,初凝时的化学收缩,初凝,终凝,自生收缩,化学收缩,水化产生的孔隙,化学收缩与自生收缩之间的关系,自生收缩与干燥收缩的比较,自生收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。,当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自生收缩加大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水胶比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自生收缩与干缩值两者接近；当水灰比为0.1
11、7时，则混凝土只有自生收缩而不发生干缩了。,自生收缩与干燥收缩的关系,自生收缩与干燥收缩的异同点,相同点：均由于水的迁移所引起； 不同点： 1）自缩不失重； 2）自缩各向同性地发生，干缩由表及里 地发生； 3）水灰比降低时，干缩减小，自缩增大； 4）覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而自 缩必须通过湿养护(供水）减小或消除,影响自生收缩的因素 水泥品种,低热水泥,中热水泥,摘自Work of JCI committee on Autogenous Shrinkage. Shrinkage of Concrete.2000,磨细矿渣比表面积的影响, 矿物掺合料,磨细矿渣掺量对自生收缩的影响,粉煤灰掺
12、量对自生收缩的影响, 水灰比 对水泥浆自生收缩值的影响,水灰比对混凝土自生收缩值的影响, 温度的影响,将净浆试件浸在水中，试验水养护抑制自生收缩的结果表明：尺寸影响十分显著。,W/C=0.30,试件尺寸对水泥浆在水中长度变化的影响（W/C0.30),膨胀剂对水泥浆自生收缩的影响（W/C0.30) Ei-ichi Tazawa. et al. Work of JCI Committee on Autogenous Shrinkage. Shrinkage of Concrete. Shrinkage 2000. RILEM.,收缩应变大小只是导致混凝土开裂的一方面原因，另一方面还有混凝土的延伸性
13、： 弹性模量 弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小； 徐变 徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小； 抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。,原因三 混凝土的延伸性,徐变,Gerald Pickett(1942年）说过： “在大多数情况下，如果不是因为徐变，混凝土会严重地开裂。” Neville (1959年）断定：徐变通常与强度相反强度越高，徐变就越小。 水泥浆体强度越低，徐变能力越大。,西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌 （1996年）。,粘弹性材料在一定应
14、力作用下的徐变,粘弹性材料在一定应变作用下的应力松弛,应力,应变,应变,应力,徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达3050%，减小混凝土的徐变，对这样一些结构物是有益的。但是另一方面，徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，可以降低应力峰值，从这个角度来说：徐变较大的混凝土又有有利的一面。,徐变的作用,无松弛作用时出现开裂,混凝土的 抗拉强度,开裂延迟,应力,松弛后的实际应力,应力松弛,时间,收缩应变受约束时产生的弹性拉应力,收缩与徐变对混凝土开裂的影响,环境相对湿度的影响,总应变,时间,
15、干缩,基本徐变,干燥徐变,60%湿度、不加载,100%湿度、加载,60%湿度、加载,徐变,应变,干缩,温度对徐变的影响,Neville（1959）确信：徐变通常与强度相反。强度越高，徐变越小。他说： “凡影响强度的因素组分、水泥细度或水化程度也影响徐变：在一定荷载下，水泥浆体强度越低，徐变能力越大。”,混凝土的技术人员已成为设计强度的专家，但是当不出现裂缝也重要时，他们就必须学习如何为增大徐变而设计。这不难做到：与得到高早强的途径相反。,对早强有好处，但增大因丧失徐变而开裂的危险的因素是： 长期湿养护 高的碱含量 高的水泥细度 高的C3A含量高的C3S（低C2S）含量 低的C4AF含量 高的S
16、O3含量 低W/C 硅灰 促进水化的外加剂,早期强度发展快的混凝土，抗拉强度虽然随抗压强度发展加快而加快，但相对幅度较小，而其弹性模量迅速增大，徐变松弛作用则很快减小，综合效果是其延伸性明显地变差。因此，现今使用高活性水泥、水灰比较低，早期强度发展快的混凝土，其自生收缩、温度收缩产生的弹性拉应力易于超过抗拉强度，很快出现开裂。,高早强混凝土的开裂,相当于56MPa,混凝土开裂与其收缩变形的关系,由上图看来，收缩受约束产生的拉应力和由于徐变释放的应力之间的相互作用，是硬化混凝土出现早期开裂的核心。混凝土由于收缩受约束而开裂，可因为下列因素减小：抗拉强度高、收缩应变小、弹性模量低、高徐变应变。这些因素都是与考察强度耐久性之间的关系相关的。,现代混凝土的特点对收缩的影响
