第四章3 混凝土的体积稳定性与耐久性

1、土木工程材料土木工程材料Civil Engineering Materials 孙家瑛 三、砼的变形性能 砼在荷载作用下产生弹性与非弹性变形，在硬化过程和干燥或冷却作用下也要产生变形，当变形受约束时常会引起开裂。 80%以上的开裂都是由于砼变形所引起，只有很小一部分是由于承载力不足导致。 裂缝治理专家 王铁梦 1、化学收缩 在砼硬化过程中，由于水泥水化产物的体积比反应前物质的总体积小，从而引起砼的收缩，称为化学收缩。 水水泥水泥浆收缩水泥水化后，固相体积增加，但水泥水体系的绝对体积则减小 特点 a、化学收缩是不可恢复的。 b、其收缩量是随砼硬化龄期的延长而增加，一般在砼成型后40天内增长较快，

2、以后逐渐趋于稳定。 c、化学收缩值很小，对砼结构没有破坏作用，但在砼内部可能产生微细裂缝。 2、干湿变形 干湿变形干缩湿涨，由于砼中水分变化所致。 干缩的特点： a、砼的干缩可以部分恢复，但不能完全恢复。 b、砼的干缩与水泥品种、水泥用量和用水量有关。 采用矿渣水泥配制的砼比用普通水泥的大； 水泥细度越大，干缩越大； 水泥用量越大、水灰比越高，干缩越大。（案例） c、骨料在砼中形成骨架，对收缩有一定的抵抗作用。 骨料的弹性模量越大，砼的收缩越小； 骨料的含泥量越大，收缩越大； 骨料的吸水率越大，干缩越大。 d、在水中养护或在潮湿条件下养护可大大减少砼的收缩，采用普通蒸汽养护可减少砼的干缩，蒸压

3、养护的效果更佳。 一般在工程设计中，普通砼的线收缩值为（1520）10-5mm/mm，即每米收缩0.150.2mm。 3、温度变形 温度变形热胀冷缩 砼的热膨胀系数约为110-5/，温度每升高或降低1，砼每米就膨胀或收缩0.01mm。 对于大体积砼而言，其内外温差可达5070，这将使内部砼产生较大膨胀，而外部砼却随气温降低而产生收缩，内部膨胀和外部收缩相互制约，从而导致砼出现开裂现象。 对于大体积砼的施工，通常采用低热水泥、掺大量混合材料的水泥或砼、减少水泥用量、人工降温、设伸缩缝或温度钢筋等措施来防止开裂。 53(1 10 ) 1 (1 10 )0.01LTLmm 4、荷载作用下的变形 （1

4、）短期荷载作用下的变形 材料性质有弹性与塑性。砼是由多种组分组成的复合材料，其中骨料可作为弹性材料，而水泥浆体则为非弹性材料，这就决定了其本身的不均质性，即砼不是理想弹性体，而是一种弹塑性体。它受力时，既会产生可以恢复的弹性变形，又会产生不可恢复的塑性变形，如图所示。 工程上经常用弹性模量表征砼所受应力与应变的关系。 弹性模量，简单的说就是应力应变曲线上任一点的应力与其应变的比值，以E表示， E / 。 E为使材料产生单位变形所需的应力，E越大，要使材料变形就越困难。若材料为完全弹性材料，则E为一常数，对于砼而言，其为弹塑性材料，其应力应变曲线为高度非线性，其弹性模量可分为原点切线模量、切线模

5、量和割线模量，因此给弹性模量的确定带来了困难。 一般工程上以应力应变原点与曲线上相应于1/3极限应力的点所作连线的斜率表示。 。 影响砼弹性模量的因素 a、砼的强度：砼的强度越高，弹性模量越大。 当砼的强度等级由C10增加到C60时，其弹性模量大致由1.75104MPa增加到3.60 104MPa； b、骨料的含量与弹性模量：骨料的含量越多，弹性模量越大，砼的弹性模量越高； c、养护条件等：砼的水灰比较小、养护较好及龄期较长时，砼的弹性模量就较大；蒸养砼比标养砼弹模低。 d、引气砼的弹性模量较普通砼小。 （2）长期荷载作用下的变形徐变 定义：砼在长期荷载作用下，沿作用力方向的变形会随时间不断增

6、长，这种随时间而发展的变形性质称为徐变。徐变一般要延续23年才趋向稳定。 如图所示。 徐变产生的原因：一般认为是由于水泥石凝胶体在长期荷载作用下的粘性流动，并向毛细孔中移动，同时吸附在凝胶体粒子上的吸附水因荷载应力而向毛细孔迁移渗透所致。 影响砼徐变的因素： a、水灰比：砼的水灰较小或在水中养护时，徐变较小； b、水泥用量：水灰比相同的砼，水泥用量愈多，徐变愈大； c、骨料性质：砼所用骨料的弹性模量较大时，徐变较小； d、荷载：所受应力越大，徐变越大。 砼徐变对钢筋砼构件产生的影响： a、能消除钢筋砼内的应力集中，使应力产生重分布，从而使结构物中局部集中的应力得到缓和；（有利） b、对于大体积

7、砼而言，能消除一部分由于温度变形产生的破坏应力； （有利） c、预应力钢筋砼中，徐变将使预应力受到损失。（有害） 徐变引起的工程事故： 四、砼的耐久性 1、定义 砼抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持砼结构的安全、正常使用的能力称为砼的耐久性。 强度设计 强度和耐久性设计 砼耐久性涵盖的范围很广，主要包括抗渗性、抗冻性、碳化等。 。因冬季撒除冰盐而腐蚀的桥栏板氯离子腐蚀南方某海港码头砼腐蚀冻融破坏的桥梁 2、抗渗性 1）定义 抗渗性：砼抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。 砼获得高耐久性与长寿命的关键是提高砼的抗渗性。 2）砼抗渗性的评价 用抗渗等级表征。 抗渗

8、等级是以28d龄期的标准试件，在标准试验方法下所能承受的最大静水压来确定的。抗渗等级有P4、P6、P8、P10、P12等五个等级，表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的静水压力而不渗透（P: Penetration 渗透）。 抗渗等级P6级的砼为抗渗砼。 3）影响砼渗透性的因素 砼渗水的主要原因：内部的孔隙形成连通的渗水通道。产生于： 施工振捣不密实 水泥浆中多余水分的蒸发而留下的气孔 水泥浆泌水所形成的毛细孔 粗骨料或钢筋下部界面水富集所形成的孔穴 。 提高砼渗性的关键是提高砼的密实度，具体措施有： a、水灰比：采用低水灰比。起决定性作用起决定性作用，水灰比越大，抗渗性越差

9、。 b、骨料：骨料粒径要小，级配要好。 骨料粒径越大，抗渗性越低，原因是骨料与水泥浆界面处易产生裂缝和较大骨料下方易形成孔穴；骨料级配不好，则砼内部孔隙率大。 c、养护：养护砼要有足够的湿度、温度和时间。 d、原材料：适当选择水泥品种；条件允许的情况下尽可能掺用外加剂和矿物掺合料。 。 3、抗冻性 1）定义 抗冻性是指砼在水饱和状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。 砼受冻融破坏的原因：由于砼内部孔隙中的水在负温下结冰后体积膨胀形成的静水压力；当这种压力产生的内应力超过砼的抗拉强度，砼就会产生裂缝；多次冻融循环使裂缝不断扩展直至破坏。 2）砼抗冻性的评价 砼抗冻性一般用抗

10、冻等级表示。 抗冻等级是采用慢冻法以28d龄期的砼标准试件，在饱水后承受反复冻融循环，以抗压强度损失不超过25，且质量损失不超过5时所能承受的最大循环次数来确定。 砼的抗冻等级有F10 、F15、 F25、 F50、 F100、 F150、 F200、 F250和 F300等九个等级，分别表示砼能承受冻融循环的最大次数不小于10、15、25、50、100、150、200、250和300次。抗冻等级F50的砼为抗冻砼。 。 3）影响砼抗冻性的因素 水灰比或孔隙率：水灰比大，则孔隙率大，导致吸水率增大，冰冻破坏严重，抗冻性差。 孔隙特征：连通毛细孔易吸水饱和，冻害严重。若为互不连通的闭口孔，则不但

11、不吸水，而且这些孔隙可以作为冻胀力的缓冲，从而提高砼的抗冻性，故加入引气剂能提高抗冻性。若为粗大孔洞，则水分无法在孔中存留，抗冻性好。 吸水饱和程度：若砼的孔隙非完全吸水饱和，冰冻过程产生的压力促使水分向孔隙处迁移，从而降低冰冻膨胀应力，对砼破坏作用就小。 砼的自身强度：在相同的冰冻破坏应力作用下，砼强度越高，冻害程度也就越低。 案例：大连远洋公司锅炉房为砖混结构，建筑面积137m2。屋面为1.5mx6m大型屋面板，搁置在0.25x0.65x7.8m的现浇梁上。大梁施工完约2个月左右突然断裂塌落。 原因分析：事故后，根据调查及施工记录， 本次事故原因可排除设计、使用了不当材料等引起。施工期间，

12、当时气温在-9.8到+8.4间，砼施工属冬季冻区施工，但从施工记录及现场调查时发现，浇筑大梁所搅拌的砼，除将水略加温外，其余材料未加温，也未用防冻外加剂。大梁浇筑后又未及时保温，浇筑后6天才保温，致使砼施工过程中受冻，砼强度严重受冻，砼强度严重降低。断裂后的大梁砼碎渣的石子表面仍可见一层冰霜。 防治措施：冬季冻区浇筑的砼应按国家施工规范GBJ204-92规定的技术要求进行施工，如施工时应加热集料等，并密切注意天气预报，以防气温突然下降，使砼冻坏。 4、砼的碳化（中性化） 1）定义 砼的碳化是指砼内水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳，在湿度相宜时发生化学反应，生成碳酸钙和水，也称中性化。它是二

13、氧化碳由表及里逐渐向砼内部扩散的过程。 2）碳化对砼性能的影响 有利影响： 可以提高砼的抗压强度。原因是碳化作用产生的CaCO3填充了水泥石的孔隙，以及碳化时放出的水分有助于未水化水泥的水化，从而提高砼碳化层的密实度。22232()2Ca OHCOH OCaCOH O 不利影响： a、碳化作用导致碱度降低，减弱了对钢筋的保护作用 原因：钢筋处在碱性环境中而在表面生成一层钝化膜，保护钢筋不易腐蚀；当碳化深度穿透砼保护层而达钢筋表面时，钢筋钝化膜被破坏而发生锈蚀，锈蚀产物体积膨胀，致使砼保护层产生开裂；开裂后的砼有利于二氧化碳、水、氧等有害介质的进入，更加剧了碳化的进行和钢筋的锈蚀，最后导致砼产生

14、顺筋开裂而破坏。 b、碳化作用会增加砼的收缩，引起砼表面产生拉应力而出现微裂缝。 3）影响砼碳化的主要因素 a、环境中CO2的浓度： CO2浓度高，碳化速度快； b、水泥品种：掺混合材的水泥碱度较低，碳化速度随混合材料掺量的增多而加快； c、水灰比：水灰比愈小，砼愈密实， CO2水不易侵入，碳化速度就慢； d、环境湿度：当环境中的相对湿度在5075时，碳化速度最快，当相对湿度小于25（缺乏使CO2及Ca(OH)2作用所需的水分）或等于100（砼孔隙中的水分阻止CO2向砼内部扩散）时，碳化将停止。 最佳条件：RH5075。 5、提高砼耐久性的措施 a、合理选择水泥品种； b、选用质量良好，技术条

15、件合格的砂石骨料； c、控制水灰比及保证足够的水泥用量是保证砼密实度的重要措施，是提高砼耐久性的关键； d、掺入外加剂（减水剂或引气剂）和矿物掺合料，改善砼的孔结构，对提高砼的抗渗性和抗冻性有良好作用； e、改善施工操作，保证施工质量。作业： 4.18、4.20 某车间完工后发现顶层每个框架横梁上都出现不同程度的裂缝。裂缝均于梁的上部，长约为梁高一半，裂缝上宽下窄，最大宽为0.5 mm。经设计复查，设计计算无误；整个车间坐落于完整的砂岩地基上，没有不均匀沉降，材料全部合格，砼强度满足要求。 原因：在顶层施工中为赶进度，把砼的强度等级从C20提高至C30，单位水泥用量增加了90 kg，且当时使用的砂恰好细度变细。这两方面都会使收缩增大，从而