土木工程材料课件(混凝土的开裂与裂缝控制).ppt

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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 cm60年代 干硬、插捣与低频振捣 24 cm70年代 塑性、低频振捣 59 cm 80年代 泵送、流态、高频振捣 1020 cm90年代 泵送、自密实 1625 cm,原因一 混凝土拌合物沉降与泌水,沉降与

2、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。特点是当表面水分向外蒸

3、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）太阳辐射热；以上任意两个因素的

4、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作用而产生膨胀。,Richar

5、d 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.ACI monograph No:11,1

6、999.,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，而松弛作用减小，受约束时形成大得多的拉应力，当超过抗

7、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10106/由于水化热产生的温升为15 则混凝土冷却时的

8、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 in Concrete at Early Ages E&F

9、N 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

10、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0.17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

11、,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

12、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：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

13、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

14、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,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

15、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SO3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

16、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,大流动性和泵送施工是在使用混凝土外加剂的前提下实现的

17、，传统混凝土减水剂使混凝土的早期收缩显著增大。混凝土的强度普遍提高，高强混凝土在更多的建筑物中得以应用，造成混凝土更大的早期收缩开裂倾向。,混凝土混凝土结构,约束、环境条件影响,原因四：约束,路面板,收缩受底部基层强烈的连续约束,柱,梁收缩受端部约束,梁,结构混凝土约束,重庆无渣轨道底板混凝土凿毛,误区3：新老混凝土的粘结,尺 寸,浇注混凝土,相邻结构,放 热,尺 寸刚 度温 度,水泥品种水泥用量外加剂配合比,浇注顺序浇注速率施工缝（长度）,初温（Tc),冷却,环 境气 温湿 度模板隔热,温度发展,不均匀成熟度,力学性能强 度弹 性徐 变温度膨胀温度收缩断裂力学,成熟度发展,约 束,力学模型,

18、温度应力,开裂风险,开裂？,各种方法,相互影响的多因素决定混凝土温度应力和早期开裂示意图,“分解论”评价方式造成误导,如上所述，结构混凝土出现开裂现象，是多方面且相互存在显著交叉作用的原因所引起，因此以分解论的理念为基础，检测干缩、自生收缩、温升或温差等单一参数，以及它们之间简单叠加的评价方法，都难以对其开裂趋势获得符合实际的评价结果。事实上，混凝土开裂是内应力不断地累积超过了混凝土抗拉强度（更确切地，是断裂能）的结果，这种整体论的理念给我们寻求新的、较为合理的评价方法，提供了重要的启示。,第二部分 混凝土抵抗开裂的主要技术措施,1.为什么要避免开裂？可能要考虑下列四方面影响：1)开裂影响结构

19、的整体性；2)开裂可能会导致耐久性问题；3)开裂引起服务功能丧失（例如渗漏、传音、饰面损坏等）；4)开裂从美学角度无法让人接受。,Biansa Baetens,et al.Computer Simulation for Concrete Temperature Control.Concrete International.Dec,2002,例如，隧洞与各种过水结构物都要求水密性（不透水性），因为引水隧洞侧壁上出现的裂缝会导致严重的渗漏；在海洋环境中，氯离子进入更增加了引起钢筋锈蚀的危险。混凝土质量、裂缝的数量以及渗漏接缝的数量决定隧洞的水密性。水流经隧洞的混凝土本体、裂缝和渗漏接缝之比，分别为

20、1:104:1010量级。,Biansa Baetens,et al.Computer Simulation for Concrete Temperature Control.Concrete International.Dec,2002,开裂的影响,高拱坝的坝踵开裂问题是对拱坝安全运行带有很大潜在威胁的根源,引起了各国坝工界的极大关注。如奥地利197高的Klnbrein双曲薄拱坝，在1978年水库运行蓄水过程中,坝踵发生了贯穿性裂缝，并损坏了防渗帷幕而引起严重漏水，该坝经历了近10年的修复加固过程，损失极大。,周元德、陈观福、尹显俊、张楚汉；用工程类比分析法研究高拱坝坝踵开裂稳定性，水力发电

21、学报，2002年第1期(专刊)；,奥地利Kolnbrein 拱坝,奥地利Kolnbrein 拱坝,一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构,环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1.侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2.荷载作用（循环荷载、冲击荷载）,由于微裂缝和孔隙连通并延伸到表面，不透水性逐渐丧失,环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）水的渗入O2、CO2渗入酸性离子（Cl-,SO4-)渗入,A：以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀B：混凝土强度与刚度降低,开裂、剥落与整体性丧失,混凝土劣化的“整体性”模型,混凝土结构非荷载裂缝是影响耐

22、久性的关键因素,非荷载裂缝导致的最严重后果是极大地降低混凝土结构的耐久性。其最基本的原理是，无论强度多高，混凝土多致密，一旦混凝土出现裂缝，对外界腐蚀介质来说就成为无障碍通道。,技术措施之一 大掺量粉煤灰混凝土技术,大掺量粉煤灰混凝土的定义 很多国家标准或规程都将粉煤灰掺量为40%作为上限，规定很多情况下粉煤灰掺量不可超过40%，因此，多数研究者认为粉煤灰掺量在40%以上的混凝土定义为HVFAC 较为合适。,大掺量粉煤灰混凝土可以抑制温度变形,掺粉煤灰有利于降低温峰值和温峰出现时间 水化温升下降粉煤灰掺量10-50%时，3天水化温升降低13.9%-52.1%水化热显著减小粉煤灰掺量10-50%

23、时，3天水化热降低5.9%-35.1%水化温升减慢、温峰出现时间推迟,掺粉煤灰有利于降低温峰值和温峰出现时间,粉煤灰显著降低温峰、推迟温峰出现时间,大掺量粉煤灰混凝土可以抑制干缩变形,粉煤灰的需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性,减少混凝土单位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小，提高混凝土的抗裂性。,粉煤灰掺量是影响混凝土早期收缩变形的一个重要因素。大掺量粉煤灰混凝土早期收缩较小，有着良好抗裂性。由于混凝土的收缩主要受水胶比或用水量的影响，加人粉煤灰后，一方而减少混凝土的用水量，抑制混凝土的收缩.其收缩随粉煤灰

24、含量的增加而减少。另一方面，粉煤灰在水泥浆体中由于微集料效应及火山灰反应生成大址水化C一S一H凝胶，填充了孔隙，相应补偿了部分收缩。,大掺量粉煤灰混凝土可以减少自生变形,粉煤灰替代部分水泥，使水泥用量减少，同时也减少了水化反应总量，有利于降低混凝土自收缩。,距美国西部大陆约4000km的太平洋小岛上一座用手工雕凿成美观的大理岩石材建造的庙宇 粉煤灰掺量60%，价格为200吨，水泥价格是$75吨,新中央电视台大厦底板混凝土浇注2005,11-2006,1,拌合物配合比与工作度：水泥 205kg/m3 粉煤灰 205kg/m3 用水量 150kg/m3外加剂：聚羧酸或萘系高效减水剂；水胶比 0.3

25、6 坍落度200220mm,未掺早强防冻剂的大掺量粉煤灰混凝土（50质量比）正在浇注,温度检测、发送与采集和匹配养护 Temperature measurement,transmit,collection and TMC,T,t,现场,试件,加热装置,电脑,发送装置,接收装置,测温点,养护箱,转发装置,整个浇注过程基本顺利。因为粉煤灰掺量大，而它密度比水泥明显小，结果粉体体积比普通混凝土大，使拌合物的水胶比明显降低（大约在0.35左右），用水量因此减少了约50kg/m3，自由水大大减少，泌水现象自然就会明显改善！该工程混凝土的设计强度是60d达到C40，由于浇注体积大，温峰均超过50，实际检测

26、结果表明14d龄期就基本达到了设计强度。,采用较低的水胶比,在适当的温度下制备和浇注与及早地覆盖养护,是粉煤灰在混凝土中应用的关键技术。要获得良好的效果,抑制混凝土变形开裂，需要采用大掺量粉煤灰混凝土,现行掺量限制不利于发挥粉煤灰的作用,是以往大水胶比条件下实践经验的产物,需要重新检验。Mehta说:大掺量粉煤灰混凝土这一开创性的应用,无疑是粉煤灰材料在建筑工业中得到最有价值利用的标志。,膨胀剂的应用,补偿收缩混凝上的确切定义是:用混凝土的限制膨胀来补偿混凝土的限制收缩。补偿收缩混凝上和普通混凝土的标致性区别是使用膨胀水泥或膨胀剂，赋予它适度的膨胀，钢筋约束膨胀产生压应力，主要用于补偿干缩与冷

27、缩。,技术措施之二 混凝土膨胀剂补偿收缩技术,膨胀源：UEA、CEA与水泥水化形成钙矾石，固相体积增加125%；CEA与水泥水化形成Ca(OH)2和钙矾石。,以适量掺入(等量取代水泥)混凝土中，在混凝土凝结硬化的初期14 d龄期内可生成大量膨胀结晶水化物水化硫铝酸钙即钙矾石。使混凝土产生适当体积膨胀，用以补偿混凝土的收缩；在钢筋或邻位等限制下,膨胀能做功，可在混凝土中建立的预压应力，其压应力大致可抵消混凝土收缩时产生的拉应力，同时也推迟了混凝土的收缩过程,抗拉强度在此期间能获得增长。当混凝土开始收缩时，足以抵消混凝土收缩应力的作用，从而防止或减少混凝土收缩开裂。,混凝土的主要变形,自由收缩，相

28、向变形，不裂限制收缩，背向变形，开裂自由膨胀，背向变形，开裂限制膨胀，形向变形，不裂,关于膨胀剂对冷缩的补偿,地下建筑物受干燥收缩与温度变化的影响不大。因为地下建筑物长期处于潮湿状态下，混凝土含水膨胀，且设于地下，受四季冷热和日夜湿度变化的影响较小。,关于膨胀剂对冷缩的补偿,但值得注意的是，有很多在夏季施工完的地下工程，到第二年春天发现裂缝，主要原因是对冷缩估计不足，而补偿收缩混凝土对冷缩补偿有限；夏季浇筑的混凝土由于养护结束至回填的时段较长，干燥收缩与季节变化的温度下降缩引起的收缩互为促进，回填土后由于保温保湿养护作用，混凝土又恢复一定的膨胀，所以施工完的地下结构应该及早回填。,补偿混凝土的

29、配制和施工,（1）水泥用量会影响膨胀率，故水泥称量要求准确。补偿收缩混凝土需水量大，而用水量增加，膨胀率减小且干缩率增大，所以应在允许条件下尽量少加水。,补偿混凝土的配制和施工,（2）补偿收缩混凝土拌合物粘稠，无离析和泌水现象，因此，泵送性能很好，宜于泵送施工。由于不泌水，凝结时间短，容易产生早期塑性收缩裂缝，所以，抹面和修整的时间可以提早，不宜过晚，并注意早期养护。拌合之后，如运输合停放时间较长，坍落度损失将引起施工困难，此时，不允许再添加拌合水，以免降低强度和膨胀率。（SL损失问题）,补偿收缩混凝土的养护,（3）膨胀剂在水泥水化过程中,需要较多的水分，且其他水化物的水化过程需要持续较长的时

30、间，膨胀剂只有与水泥均匀混合,通过充分水化才能实现要求达到的膨胀率。补偿收缩混凝土浇筑后两周内就可达到全部膨胀值的60%-80%，保湿养护十分重要。,补偿收缩混凝土的养护,浇筑后，立即开始养护,养护时间不少于14 d，以充分供应膨胀过程中需要的水分。如养护不充分，混凝土中的水分很快蒸发，水泥不能充分水化,膨胀剂的作用也就不能充分发挥，膨胀剂中未反应的组分在混凝土使用期间，在合适的条件下会产生二次钙矾石而造成破坏。,补偿收缩混凝土的养护,对于大体积混凝土，其配筋以内混凝土处于筋力的限制状态，补偿收缩混凝土对混凝土中心温度与表面温度之差的补偿很有效，而表面混凝土处于自由状态，对表面温度与环境温度之

31、差的补偿有限，因此表面必须进行蓄水养护，减小混凝土温差应力，避免表面裂缝，效果较好。,徐变对补偿收缩混凝土的影响,在混凝土湿养护期内，也就是膨胀阶段，混凝土中产生压应力，引起受压徐变，有使限制膨胀率减少的趋势，但由于一般压应力较小，且时间也短，所以，影响极小。当混凝土开始收缩后，混凝土的压应力开始减小，受压徐变也随之减小，当混凝土中产生拉应力时，受拉徐变也随之产生。受拉徐变增加了混凝土的拉伸变形能力，并能提高混凝土的极限延伸率，有利于防止混凝土的开裂。所以，为提高补偿收缩混凝土的徐变，可采用掺加外加剂、选用弹性模量较低的骨料等方法，以减少混凝土的开裂。,补偿收缩混凝土的耐久性,补偿收缩混凝土在

32、周围有约束的条件下，产生侧向挤压力，使混凝土密实，抗渗性及抗冻性均优于普通混凝土。所以，以硅酸盐水泥熟料为主要组分的补偿收缩混凝土，由于碱度较高，钢筋在其中无锈蚀危险；碱度较低的补偿收缩混凝土，如果膨胀率较小，在限制条件下，密实性较好，锈蚀也较轻微。,补偿收缩混凝土应用的几点体会,补偿收缩混凝土最好应用于地下工程中。补偿收缩混凝土最好加强配筋，保证预加应力。补偿收缩混凝土最好不要用于水胶比很低的高强高性能混凝土中，补偿收缩作用小。,技术措施之三 混凝土减缩剂的应用,混凝土减缩剂(shrinkages reducing agent)首先由日本日产水泥公司和Sanyo化学工业公司于1982年研制成

33、。随后美国在1985年获得混凝土减缩剂的专利，在实际应用中取得了极其良好的技术效果。特别是对减小混凝土的自收缩具有很强的针对性。多年来，为了降低减缩剂的成本和改善混凝土的综合性能，对减缩剂的组成及复配技术开展了大量研究，并获得了多项专利。,我国关于减缩剂的研究和报导始于90年代，由于减缩剂的成本较高，一直没有得到推广应用，但随着我国经济基础的加强，特别是混凝土工程裂缝控制的迫切需要，以及减缩剂研究技术和产品性能的进一步提高，减缩剂这一新材料定将得到越来越广泛的应用。,减缩率是一个相对稳定值：施工养护和环境条件对混凝土的减缩率影响很小。亦即养护条件差或空气相对湿度小、风速大，混凝土的收缩增大时，

34、由于减缩率基本一定，故其降低收缩的绝对值也增加。反之亦然。减缩剂几乎没有水泥适应性问题：这是因为减缩剂是通过水的物理过程起作用的，与水泥的矿物组成和掺合料等无关，且与其它混凝土外加剂有良好的相容性。,减缩剂对不同强度等级混凝土早期收缩的影响,减缩剂对掺矿粉、粉煤灰混凝土的早期减缩效果,不掺减水剂的混凝土（JJ），48h收缩率只有掺减水剂混凝土（J0）的25%。粉煤灰和矿粉的掺入，在不加减缩剂时，也能适当减小早期收缩，48h时分别为6.2%和11.6%。减缩剂对掺粉煤灰和矿粉混凝土的早期减缩效果同样十分显著，48h时的减缩率达到45%以上。,减缩剂对水泥净浆干燥收缩的影响,减缩剂对砂浆减缩率的影

35、响,减缩剂掺量对混凝土收缩率的影响,早期抗裂试验,早期抗裂试验装置,首条裂缝出现时间,裂缝条数,最大裂缝宽度与时间的关系,减缩剂与膨胀剂双掺问题,减缩剂与膨胀剂双掺问题,相对湿度对干燥收缩的影响,减缩剂应用试点工程,BEAUTY and DURABILITY,试点工程一：,04年4月，楼板面积750m2，掺减缩剂的试验区约300m2。裂缝数量减少60%。气温较低，环境湿度较高，所以作用效果不尽显著。,试点工程二：,04年7月18日。楼板面积820m2，各施工410m2。气温38，现场温度56。,裂缝数量对比,裂缝长度,裂缝名义面积对比表,混凝土浇后13d时的屋面楼板裂缝分布示意图,几点想法：,

36、1.减水剂、泵送剂等化学外加剂极大地增加混凝土早期收缩、加速早期开裂、增加裂缝数量。我们不能回避这一事实，关键是如何从生产用原材料、合成工艺和复配技术上加以改进。,2.减缩剂能有效降低混凝土的早期收缩、延缓早期开裂、减少裂缝数量。关键是如何降低成本，并使我们的设计、施工和建设单位等认识和接受它。,技术措施之四 混凝土纤维增强抗裂,20世纪60年代中期Goldfein研究用合成纤维作水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。而Zollo等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.10.3的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少1225。,增强理论纤维阻裂

37、理论和复合材料理论,纤维阻裂理论的通俗解说：当混凝土块体内部存在有发生微裂缝的倾向，并且可能向任何方向发展时，这条裂缝在最远不超过块体内纤维平均中心距离的路程就会遇到横亘在它前面的一条纤维。由于这些纤维的存在，使微裂缝发展受阻，只能在混凝土块体内部形成类似于无害孔洞的封闭的空腔或者非常细小的孔。,裂缝,纤维,复合材料理论：是将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料整体看作一个多相系统，其性能乃是各个相的性能的加和值。在纤维混凝土中，纤维材料与水泥基体之间形成良好复合体的前提有两个：一是纤维材料具有严格稳定的化学性质，即使在水泥水化时产生的强烈碱性物质也能安之若素，不发生任何变化；第二是纤维具有

38、良好的自分散性，能够在正常混凝土制备所要求的搅拌时间之内完成在混凝土整体内无所不在的均匀性分散过程。,掺聚丙烯纤维能有效改善混凝土的早期自收缩特性。这可能与纤维表面的吸附水形成内养护有关。,1500g/m3,600g/m3,900g/m3,掺聚丙烯纤维能有效提高混凝土的抗冲击性能,掺聚丙烯纤维能推迟裂缝产生的时间。且随着掺量提高，开裂时间延后，裂缝宽度减小。,技术措施之五 沉陷裂缝的防治措施,1)严格按照混凝土设计配合比搅拌混凝土,确保混凝土的合理性。要严格控制混凝土单位用水量在170kg/m3以下,在满足泵送和浇筑要求时,宜尽可能减少坍落度;掺加适量、质量良好的泵送剂和掺合料,可改善工作性和

39、减少沉陷。2)混凝土搅拌时间要适当,时间过短、过长都会造成拌合物均匀性变坏而增大沉陷。3)混凝土浇筑时,下料不宜太快,防止堆积或振捣不充分。4)严格按照操作规程进行混凝土振捣。必要时,可以在混凝土浇筑1-1.5 h后、混凝土尚未凝结之前,对混凝土进行两次振捣,表面要压实抹光。,技术措施之五 沉陷裂缝的防治措施,5)做好混凝土的养护工作,在炎热的夏季和大风天气,采取缓凝或覆盖等措施,减少因表层水分迅速蒸发而形成的内外硬化不均匀而造成的裂缝。6)避免直接在松软土或填土上制作混凝土构件,如确因需要,必须对软土地基进行必要的夯压和加固处理。预制场地应夯打密实方可使用。,技术措施之五 沉陷裂缝的防治措施

40、,7)现浇或预制混凝土构件的模板应支撑牢固,保证模板有足够的强度和刚度;加强混凝土浇筑中的模板和地基检查;做好周围排水,防止水管漏水或养护水浸泡地基;按规定时间和顺序进行拆模。,技术措施之六 混凝土的养护,随着以使用减水剂、矿物掺合料等为主要特征的高强高性能混凝土(HSPC)和泵送混凝土的广泛应用,在取得显著成效的同时也出现了早期裂缝频频发生的问题,其原因是HSPC和泵送混凝土对环境因素的敏感性提高了。,早期裂缝的形成,最开始是由于初凝至终凝前后塑性收缩裂缝的出现,这类裂缝中宽度较大的部分通常能够引起足够的重视而得到适当的处理,然而部分细小的微裂缝(称为“隐式裂缝”)则容易被忽视,则在其后的干

41、燥收缩过程中,在出现这类隐式裂缝的薄弱部位,裂缝进一步扩展,最终成为“显式裂缝”,即通常所指的干缩裂缝,由于此时混凝土强度与刚度发展均已相当成熟,因此,处理这类裂缝已不像凝结前后的塑性收缩裂缝那样,可以通过二次抹压等简单的方式加以修复。,混凝土浇筑面受到风吹日晒，表面干燥过快，产生较大的收缩，受到内部混凝土的约束，在表面产生拉应力而开裂。如果棍凝土终凝之前进行早期保温、保温养护，对减少干操收缩有一定作用。,混凝土塑性开裂的原因,塑性收缩裂缝的出现与混凝土表面水分蒸发速率、泌水速率及初凝时间有关。如果新拌混凝土表面泌水层的蒸发速率超过泌水速率,塑性收缩就可能快速发展,是引起裂缝的主导原因。我们观

42、察到首条裂缝通常出现在泌水膜消失后052h左右。,混凝土塑性开裂的原因,然而这并不是决定塑性裂缝出现与否的唯一因素，它还取决于新拌混凝土的刚度。Ravina和Bloom的试验表明，首条塑性收缩裂缝的出现时间与初凝时间有良好的相关性。众所周知,隐藏于开裂现象身后的是拉应力水平和材料抗拉强度的竞争，这些试验现象表明，伴随着混凝土初凝和刚度的形成，这种竞争机制被激活了。在此之后，在任何抗拉强度处于劣势的时间点上，裂缝具有高的出现概率。,表层混凝土水分的蒸发速率、泌水速率和初凝时间都与混凝土的养护有密切的关系,因而以上分析显示了养护对防治塑性收缩裂缝的关键作用。,与普通混凝土相比现代混凝土早期的泌水性

43、与初凝时间都有了较大变化。当前预拌混凝土普遍采用较小的水胶比，同时掺有高细度的硅灰、粉煤灰、矿粉等掺合料，泌水量比较小，甚至不泌水；因此在较小水分蒸发速率的环境下，比如2-07(kg/(m2h)，塑性收缩裂缝依然有可能出现，这意味着对水分蒸发速率的控制要求更为严格。混凝土表面的水分蒸发速率主要和相对湿度、空气温度、风速和太阳辐射等环境因素有关。因此,养护对防止水分蒸发意义重大。,例如对于大掺量粉煤灰混凝土(l)裂缝的发生及发展主要发生在ld前，24h后几乎没么变化，这是因为水化热大多集中在早期释放，所以大掺量煤灰混凝土的裂缝问题应在早期及时采取控制措施。,(2)水胶比对混凝土抗裂性能的影响最为

44、明显。水胶比越小，开裂条数越多，总开裂长度越大，开裂总量也越大。因水胶比越小，混凝土中自由水量越少，同时混凝土结构致密度增加，这样由混凝土内部向外迁移用以补充表面蒸发散失的由水量就越缺乏，从而使混凝土表面开裂越严重；此外，水胶比越小混凝土的早期自身收缩越大，也是开裂性增加的一个原因。,(3)大掺量粉煤灰混凝土可以有效减少收缩，但是不要忽视的问题是在早期凝结硬化前后，大掺量粉煤灰混凝土收缩虽小，但抗拉强度也更小，因此如果不注意及早养护很容易在1天前形成微细裂缝，造成早期开裂。,试验中发现，若在取下塑料薄膜时，对混凝上再次抹面。则该组混凝土始终不发生裂纹。这说明低水胶比的高强与高性能混凝土，浇注2

45、h后再次抹面可以很好地改善其抗裂性能。,判断养护是否良好的标准:,必须有效控制混凝土表面的水分蒸发速率必须在初凝之前开始养护。,相对湿度的控制,早期养护的关键是保证混凝土浇筑后性能发展所需的一定湿度环境。周围环境的相对湿度对混凝土早期性能尤其是收缩性能的影响很大。研究发现，早期相对湿度降低越多，混凝土收缩增幅越大，因此在混凝土浇筑的早期，控制好一定的相对湿度对混凝土收缩的抑制是很关键的。此外,有时候在工程实际中由于种种原因而不能确保在养护期间做到完全的保湿，在密封养护时喷涂养护剂不失为一种值得推广应用的措施。,保湿养护对泵送混凝土的好处,塑性收缩裂缝将可能消失；由于水分可以不断进入混凝土参与水

46、化反应(对板而言)，遏制了自干燥与自收缩,有可能减小总收缩；减少早龄期的干燥收缩,推迟或甚至避免干缩裂缝的发生，减缓其发展速度，利于徐变性能的发挥;保证了混凝土的质量,尤其是混凝土保护层的质量。,控制开始养生的时间及条件,保证混凝土养生龄期。应在混凝土浇筑完成，收浆后即开始覆盖洒水养生，同时要保证覆盖物表面保持在湿润状态，养生龄期不少于14天。,其他技术措施,采用如选用低水化热、凝结时间长的水泥；骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%83%，在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料；降低混凝土浇注温度；预埋水管；表面保温等大体积混凝土的技术措施。,Liquid nitrogen being used to cool concrete,