14第八章 混凝土的开裂裂缝控制1126(14)

1、第一部分第一部分 混凝土开裂的基本原因混凝土开裂的基本原因拌合物坍落度的变化拌合物坍落度的变化5050年代年代 干硬、插捣干硬、插捣 02 cm6060年代年代 干硬、插捣与低频振捣干硬、插捣与低频振捣 24 cm7070年代年代 塑性、低频振捣塑性、低频振捣 59 cm 8080年代年代 泵送、流态、高频振捣泵送、流态、高频振捣 101020 cm9090年代年代 泵送、自密实泵送、自密实 1625 cm原因一原因一 混凝土拌合物沉降与泌水混凝土拌合物沉降与泌水沉降与泌水沉降与泌水 2020世纪世纪7070年代，曾任日本混凝土学会主年代，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

2、度为席的樋口芳郎做了一个试验：他将坍落度为8cm8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地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。化后抗弯拉强度明显下降。骨料骨料水水可见泌水可见泌水内泌水内泌水钢筋钢筋沉降裂缝沉降裂缝水囊水囊混凝土表面混凝土表面混凝土沉降形成的缝隙混凝土沉降形成的缝隙钢筋钢筋混凝土混凝土1）塑性收缩）塑性收缩 指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生的收缩。特点是的收缩。特点是当表面水分向外蒸发时引起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

3、于泌水速局部产生应力，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。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。出现塑性收缩开裂。混凝土表面混凝土表面泌水速率泌水速率 蒸发速率蒸发速率开裂开裂混凝土表面混凝土表面潮湿、干燥与风速潮湿、干燥与风速(2.5m/s)(2.5m/s)对收缩的影响对收缩的影响不同参数影响的差异不同参数影响的差异（摘自（摘自“减小早期收缩

4、的方法减小早期收缩的方法”混凝土的收缩混凝土的收缩2000)2000)干缩随风速增加而明显增大干缩随风速增加而明显增大相对湿度对干缩的影响相对湿度对干缩的影响(2.5m/s(2.5m/s风速风速;20;20)气温对收缩的影响气温对收缩的影响(2.5m/s(2.5m/s风速；风速；rh40rh40) )影响蒸发速率的因素影响蒸发速率的因素1 1）气温；）气温；2 2）混凝土体温；）混凝土体温；3 3）相对湿度；）相对湿度；4 4）风速；）风速；5 5）太阳辐射热；）太阳辐射热； 以上任意两个因素的组合都属于热天以上任意两个因素的组合都属于热天混凝土浇注混凝土浇注(hot weather conc

5、reting)(hot weather concreting)。 设风速设风速 16km/hr16km/hr；气温与混凝土温差；气温与混凝土温差5.65.6塑性收缩裂缝塑性收缩裂缝richard w. burrows. the visible and invisible cracking of concrete. aci monograph no:11, 1999.richard w. burrows. the visible and invisible cracking of concrete. aci monograph no:11, 1999.3）温度变形（热变形）温度变形（热变形） 混

6、凝土硬化期间由于水化放热产生温升而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。膨胀，到达温峰后降温时产生收缩变形。升温升温期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力，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；且因徐变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模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，当超过抗拉强度（断裂能）时出现的拉应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现开裂。开裂。图3-46 硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升水化热的影响水化热的影响混凝土温度随水泥用量增加而上升混凝土温度随水泥用

7、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混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧2.0m2.5m结构断面尺寸非常大结构断面尺寸非常大 混凝土因为收缩引起开裂，尤其是大体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，在开裂的问题，在2020世纪初就为工程界所认识。世纪初就为工程界所认识。 自自2020世纪初起，为了减小水化放热产世纪初起，为了减小水化放热产生的影响，开始采用掺火山灰的办法，生的影响，开始采用掺火山灰的办法，3030年

8、代又开发出低热水泥。利用加大粗骨料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，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、抑制热裂缝进一步获得了降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。的效果。 thermal cracking in concrete at early ages e & fn spon (1994) 近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌近几十年来，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

9、收缩通常开裂的现象增多，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。应力和开裂的主导原因。 thermal cracking in concrete at early ages. e & fn spon 1994. 4 4）自生变形）自生变形 混凝土在没有温度变化，没有和外界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，自生变形时体积减观体积变形称自生变形，自生变

10、形时体积减小称自生收缩。混凝土发生自生变形的原因，小称自生收缩。混凝土发生自生变形的原因，是由于化学减缩是由于化学减缩水泥（及掺合料）和水水泥（及掺合料）和水发生水化反应绝对体积减小的现象。发生水化反应绝对体积减小的现象。龄期龄期体积减缩体积减缩初凝时的化学收缩初凝时的化学收缩 初凝初凝 终凝终凝自生收缩自生收缩 化学收缩化学收缩水化产生水化产生的孔隙的孔隙化学收缩与自生收缩之间的关系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燥收缩的比较 自生收缩与干缩一样，是由于水的迁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，移而引起。但它不是由于水向外蒸发

11、散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔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，体干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。积减小。 当混凝土的水灰比降低时当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减干燥收缩减小，而自生收缩加大小，而自生收缩加大。如当水灰比大于。如当水灰比大于0.5时，时，其自干燥作用和自生收缩与干缩相比其自干燥作用和自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计小得可以忽略不计；但是当水灰比小于但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，以下，自

12、生收缩与干缩值两者接近；当水灰比为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时，则混凝土只有自生收缩而不发生干缩了。缩了。自生收缩与干燥收缩的关系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自生收缩与干燥收缩的异同点相同点：相同点：均由于水的迁移所引起均由于水的迁移所引起；不同点：不同点： 1 1）自缩不失重；）自缩不失重； 2）自缩各向同性地发生，干缩由表及里自缩各向同性地发生，干缩由表及里 地发生；地发生； 3 3）水灰比降低时，干缩减小，自缩增大；）水灰比降低时，干缩减小，自缩增大； 4 4）覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而自）覆盖后（或拆模前）

13、不发生干缩，而自 缩必须通过湿养护缩必须通过湿养护( (供水）减小或消除供水）减小或消除影响自生收缩的因素影响自生收缩的因素 水泥品种水泥品种低低热水泥热水泥中热水泥中热水泥 摘自摘自work of jci committee on autogenous shrinkage. shrinkage of concrete.2000磨细矿渣比表面积磨细矿渣比表面积的影响的影响 矿物掺合料矿物掺合料磨细矿渣掺量对自生收缩的影响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粉煤灰掺量对自生收缩的影响 水灰比水灰比 对水泥浆自生收缩值的影响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水

14、灰比对混凝土自生收缩值的影响 温度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。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（试件尺寸对水泥浆在水中长度变化的影响（w/cw/c0.30)0.30)膨胀剂对水泥浆自生收缩的影响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 2

15、000. rilem. 收缩应变大小只是导致混凝土开裂的一收缩应变大小只是导致混凝土开裂的一方面原因，方面原因，另一方面还有混凝土的延伸性另一方面还有混凝土的延伸性： 弹性模量弹性模量 弹性模量越小，产生一定量收弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；缩引起的弹性拉应力越小； 徐变徐变 徐变越大，应力松弛越显著，残余徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；拉应力就越小； 抗拉强度抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。开裂的危险越小。原因三原因三 混凝土的延伸性混凝土的延伸性徐变徐变gerald pickett(1942年）说过：年）说过：“

16、在大多数情况下，如果不是因为徐变，在大多数情况下，如果不是因为徐变，混凝土会严重地开裂。混凝土会严重地开裂。”neville (1959年）年）断定：断定：徐变通常与强度相徐变通常与强度相反反强度越高，徐变就越小。强度越高，徐变就越小。 水泥水泥浆体强度越低，徐变能力越大。浆体强度越低，徐变能力越大。 西太平洋西太平洋carolinecaroline群岛上的一座桥梁（主跨群岛上的一座桥梁（主跨为为241m241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到2020年后坍年后坍塌塌 （19961996

17、年）。年）。(d)(c)(b)应力t=0加载(a)时间时间时间时间卸载应力应变应变粘弹性材料在一定粘弹性材料在一定应力作用下的徐变应力作用下的徐变粘弹性材料在一定应粘弹性材料在一定应变作用下的应力松弛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统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达303050%50%，减小混凝土的徐变，对这样一些结，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；在或其他收

18、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。度来说：徐变较大的混凝土又有有利的一面。徐变的作用徐变的作用无松弛作用时出现开裂无松弛作用时出现开裂混凝土的混凝土的抗拉强度抗拉强度开裂延迟开裂延迟应力应力松弛后的实际应力松弛后的实际应力应力松弛应力松弛时间时间收缩应变受约束时收缩应变受约束时产生的弹性拉应力产生的弹性拉应力收缩与徐变对混凝收缩与徐变对混凝土开裂的影响土开裂的影响环境相对湿度的影响环境相对湿度的影响

19、总应变总应变时间时间干缩干缩基本徐变基本徐变干燥徐变干燥徐变60%60%湿度、不加载湿度、不加载100%100%湿度、加载湿度、加载60%60%湿度、加载湿度、加载徐变徐变应变应变干缩干缩温度对徐变的影响温度对徐变的影响 早期强度发展快的混凝土，抗拉强度虽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、水灰比变差。因此，现今使用高活性水泥、水灰比较低，

20、早期强度发展快的混凝土，其自生收较低，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。拉强度，很快出现开裂。高早强混凝土的开裂高早强混凝土的开裂约束、环境条件影约束、环境条件影响响原因四：原因四： 约束约束路面板路面板收缩受底部基层强烈的连续约束收缩受底部基层强烈的连续约束柱柱梁收缩受端部约束梁收缩受端部约束梁梁结构混凝土结构混凝土约束约束重庆无渣轨道底板混凝土凿毛重庆无渣轨道底板混凝土凿毛误区误区3：新老混凝土的粘结新老混凝土的粘结尺尺 寸寸浇注混凝土浇注混凝土相邻结构相邻结构放放 热热尺尺 寸寸刚刚 度度温温

21、 度度水泥品种水泥品种水泥用量水泥用量外加剂外加剂配合比配合比浇注顺序浇注顺序浇注速率浇注速率施工缝（长度）施工缝（长度）初温（初温（tc)冷却冷却环环 境境气气 温温湿湿 度度模板隔热模板隔热温度发展温度发展不均匀成熟度不均匀成熟度力学性能力学性能强强 度度弹弹 性性徐徐 变变温度膨胀温度膨胀温度收缩温度收缩断裂力学断裂力学成熟度发展成熟度发展约约 束束力学模型力学模型温度应力温度应力开裂风险开裂风险开裂开裂 ？各种方法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biansa baetens, et al. computer s

22、imulation for concrete temperature control. concrete international. dec, 2002biansa baetens, et al. computer simulation for concrete temperature control. concrete international. dec, 2002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，踵开裂稳定性， 水力发电学报，水力发电学报，2002年第年第1期期 (专刊专刊)；奥地利奥地

23、利kolnbrein 拱坝拱坝奥地利奥地利kolnbreinkolnbrein 拱坝拱坝一个不透水，但存在非一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构环境作用（第一阶段）环境作用（第一阶段）（无可见损伤）（无可见损伤）1. 1. 侵蚀作用侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）（冷热循环、干湿循环）2. 2. 荷载作用荷载作用（循环荷载、冲击荷载（循环荷载、冲击荷载） 由于微裂缝和孔隙由于微裂缝和孔隙连通并延伸到表面，不连通并延伸到表面，不透水性逐渐丧失透水性逐渐丧失环境作用（第二阶段）环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）（损伤的开始与扩展）水的渗入水的

24、渗入o o2 2、coco2 2渗入渗入酸性离子（酸性离子（clcl- , - , soso4 4- -) )渗入渗入a：以下原因使孔隙内静水以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱锈蚀、碱- -骨料反应、水结骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀冰、硫酸盐侵蚀b：混凝土强度与刚度降低混凝土强度与刚度降低开裂、剥落与整体性丧失开裂、剥落与整体性丧失混凝土劣化的混凝土劣化的“整体性整体性”模模型型混凝土结构非荷载裂缝是影响耐久混凝土结构非荷载裂缝是影响耐久性的关键因素性的关键因素 &非荷载裂缝导致的最严重后果是极大地降非荷载裂缝导致的最严重后果是极大地降低混凝土

25、结构的耐久性。其最基本的原理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混凝土出现裂缝，对外界腐蚀介质来说就成为成为无障碍通道无障碍通道。 02040608010012014016020222426283032343638粉煤灰 掺量 对 水 化温度 的 影响 j f10 f20 f30 f40 f50温 度 （oc）小 时 （h）粉煤灰掺量对水化绝对温升和温峰出现时间的影响0246810121416180246810121416绝对温升值（）*16.514.212.911.810.17.9温峰

26、出现时间（h）1212.513.314.214.815.2jf10f 20f 30f 40f 50粉煤灰显著降低温峰、推迟温峰出现时间粉煤灰显著降低温峰、推迟温峰出现时间02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 001 02 03 04 05 06 07 0粉 煤 灰 掺量 对 水 化热 的 影 响 j f1 0 f2 0 f3 0 f4 0 f5 0水 化 热 （ c al /g）时 间 （ h）距美国西部大陆约距美国西部大陆约4000km4000km的太平洋小岛上一座用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手工雕凿成美观的大理岩石材建造的庙宇 粉煤粉

27、煤灰掺量灰掺量60%60%，价格为，价格为200200吨，水泥价格是吨，水泥价格是$75$75吨吨未掺早强防冻剂的大掺量粉煤灰混凝土（未掺早强防冻剂的大掺量粉煤灰混凝土（5050质量比）正在浇注质量比）正在浇注温度检测、发送与采集和匹配养护温度检测、发送与采集和匹配养护 temperature measurement, transmit, collection and tmctt现场现场试件试件加热装置加热装置电脑电脑发送装置发送装置接收装置接收装置测温点测温点养护箱养护箱转发装置转发装置减缩剂对不同强度等级混凝土早期收缩的影响减缩剂对不同强度等级混凝土早期收缩的影响 010203040500

28、20406080100120140160180200early shrinkage /10-6age /h图8减缩剂对不同强度等级混凝土早期收缩的影 响fig.8 effects on early shrinkage of sra for deferent grade concrete c20 c20sra c30 c30sra c40 c40sra0102030405060050100150200250kjfjj0afakajjjshrinkage (10-6)time (h)jjj0ajfjafkjak不掺减水剂的混凝土（不掺减水剂的混凝土（jjjj），），48h48h收缩率只有掺减水剂混

29、收缩率只有掺减水剂混凝土（凝土（j0j0）的）的25%25%。粉煤灰和矿粉的掺入，在不粉煤灰和矿粉的掺入，在不加减缩剂时，也能适当减小加减缩剂时，也能适当减小早期收缩，早期收缩，48h48h时分别为时分别为6.2%6.2%和和11.6%11.6%。减缩剂对掺粉煤灰和矿减缩剂对掺粉煤灰和矿粉混凝土的早期减缩效果同粉混凝土的早期减缩效果同样十分显著，样十分显著，48h48h时的减缩时的减缩率达到率达到45%45%以上。以上。 010203040506070809010011012013005001000150020002500 wmfj0-0% wmfj1-0.3% wmfj2-0.6% wmfj

30、3-1.2% wmfj4-1.8%收缩率 / 10-6龄期 / d图10 减缩剂量掺对水泥净浆收缩率的影 响0204060801000200400600800100012001400 zs0-0% zs1-1.2% zs2-1.8%收缩率 / 10-6龄期 / d图11 减缩剂掺量对砂 浆收缩率的影 响0510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1000100200300400500600700800 zc0-0% zc1-1.2% zc2-1.8%收缩率 / 10-6龄期/daa300370270混凝土试件钢环木底板图6-1

31、 受限收缩试件尺寸图mmmmmm140mm编号编号1m1m3 3混凝土各材料用量（混凝土各材料用量（kgkg）塌 落 度塌 落 度mmmm 水泥水泥 水水 砂砂 石子石子 减水剂减水剂 减缩剂减缩剂 膨胀剂膨胀剂jj1jj1 420420 190190 716716 107410740 00 00 08080djdj 420420 190190 716716107410747.657.650 00 0210210sjsj 420420 190190 716716107410747.657.657.657.650 0225225ujuj 370370 190190 716716107410747

32、.657.650 050.450.4207207051015202530sj掺减缩剂uj掺膨胀剂dj掺减水剂jj1不掺减水剂时 间/d编 号编号编号裂缝状况裂缝状况时间（时间（d）61920294260jj1裂缝数目裂缝数目012223dj裂缝数目裂缝数目199121516sj裂缝数目裂缝数目000122uj裂缝数目裂缝数目001233051015202530354045505560650.00.20.40.60.81.0裂缝 宽度(mm)时 间（ d） j0 dj uj sj编编号号1m3混凝土各材料用量（混凝土各材料用量（kg） 塌塌落落度度水泥水泥水水砂砂石子石子减 水减 水剂剂减缩减缩

33、剂剂膨胀膨胀剂剂凝结凝结时间时间j042019071610747.65 0 10:10210aj42019071610747.657.65 11:40225uj389.619071610747.6530.410:30207ua389.619071610747.657.6530.411:00220051015202530354045505560-100-50050100150200250shrinkaget(hour) j0 aj uj ua020406080100050100150200250300350400450500550600650700750d58j58j81d81d90j90收缩/10-6龄期/dbeautybeauty and durabilitydurability0404年年7 7月月1818日。日。楼板面积楼板面积820m820m2 2，各施工，各施工410m410m2 2。气温气温3838，现场温度，现场温度56 56 。时时 间间浇筑后浇筑后24h测试测试浇筑后第浇筑后第13d测试测试位位 置置b区不掺区不掺sra a区掺srab区区/ a区区(%)a 区区(不掺不掺sra)b区区