大体积混凝土裂缝控制及处理措施研究_侯雁南(共39页)

1、分类号:TU755.7单位(dnwi)代码:10422学号:0543一0460279馨口,菜尤了硕士学位论文(lnwn)ShandongUniversityMaster-5Thesis论文题目:大体积混凝土裂缝控制(kngzh)及处理措施研究ONTHECONTROLANDMEASURESTODEALWITHCRACKE呀MASSCONCRETE作者专姓名侯雁南业水利工程指导教师姓名专业技术职务王有志教授2007年4月8日分类号:了U了公乐了单位代码:学号:10422-决卜汤刀宁文廿才论另位一苏学矛户舀产声硕士论文题目:.加冰剐砂裂渡瞻刘廷建浏坷兔作者姓名孩.雁指导教师姓名专业技术职务,7年少月

2、乡日原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人承担论文作者签名:日期:关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留!使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印!缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文(保密论文在解密后应遵守此规定

3、)论文名:伽啤导师签名:证期:山东大学硕士学位论文目录摘要ABSTRACT.,ii第1章相关概念及当前国内外研究状况1.1相关概念.,11.1.1大体积混凝土,.,11.1.2裂缝与裂缝控制的概念.,.,11.2工业(gngy)与民用建筑大体积混凝土结构设计与施工的特点.,11.3目前(mqin)国内外研究状况.,2第2章大体积混凝土裂缝种类及成因(chngyn)分析2.1裂缝的种类.,52.1.1微观裂缝与宏观裂缝.,52.1.2温度裂缝.,62.2裂缝产生的原因分析.,.,72.2.1混凝土本身的影响.,72.2.1.1混凝土的体积稳定性.,72.2.1.2混凝土的收缩.,82.2.1.3

4、混凝土的徐变.,152.2.1.4骨料与水泥石的界面.,162.2.1.5混凝土所用材料的影响.,172.2.2结构设计方面的因素.,182.2.3施工方面的因素.,192.2.4环境气候的因素.,-,.,.,21第3章裂缝控制理论及措施3.1结构设计方面的措施.,233.1.1设置分布钢筋的影响.,233.1.2/抗0与/放0相结合的设计原则.#,24山东大学硕士学位论文3.1.3地基处理.,253.2混凝土材料方面的选择.,263.2.1水泥和水的选择,.,263.2.2骨料的选择.,283.2.3矿物掺合料的选择.,303.2.4外加剂的选择.,323.2.5配合比的选择.,.,343.

5、3大体积混凝土的温度及温度应力计算.,353.3.1大体积混凝土的温度计算.,353.3.2大体积混凝土的温度应力计算,.,363.4施工技术措施.,413.5跟踪测试信息化施工.,463.5.1大体积混凝土的温度监控.,463.5.2大体积混凝土的应变一应力监控.,473.6减小环境气候的影响.,.,47第4章大体积混凝土裂缝控制技术研究总结及建议4.1研究总结.,.,484.2大体积混凝土裂缝控制技术建议.,50参考文献.,.,53致谢.,.,55山东大学硕士学位论文大体积混凝土裂缝控制及处理措施研究摘要大体积混凝土浇筑后水泥水化热温升较高,由于体积较大,聚集在混凝土内部的水泥水化热不易散

6、发,混凝土内部温度显著升高,造成混凝土内外温差较大,混凝土表面易产生裂缝降温阶段,混凝土逐渐散热收缩,混凝土内部易出现贯穿性裂缝总之混凝土的升降温过程会引起混凝土内部温度应力剧烈变化而导致混凝土结构产生有害裂缝,施工难度较大大体积混凝土的裂缝控制是一项较复杂的技术,理论与实践(shjin)经常存在一定的偏差本论文以大体积混凝土施工阶段的裂缝(li fng)控制为研究对象,在对裂缝的种类及成因进行分析的基础上,阐述了大体积混凝土裂缝(li fng)控制的理论及措施主要研究内容包括:1!大体积混凝土的裂缝种类及产生原因研究;2!大体积混凝土的裂缝控制理论及措施研究;3!通过以上研究提出了五条大体积

7、混凝土裂缝控制技术建议关键词:大体积混凝土!裂缝控制!信息化施工!后浇带!保温养护山东大学硕士学位论文ONTHECONTROLANDMEASURESTODEAL!VITHCRACKINMASSCONCRETEAbstraetAftermasseoneretebeingPouring,theheatformedintheeementhydrationofmasseonereteeannot90outeasilybeeauseofthelargedimension.TheinsidetemPeratureriseshighandthusformsalargertemPeratureeontrast

8、betweeninsideandoutside.Asaresult,eraekemergesonthesurfaeeofeonerete.WhenthehightemPeraturedrops,theeonereteshrinksgraduallyandmaketheeraekPassthroughtheinnereonerete.Inaword,duetothedramatiechangeoftemPerature,eraek15easytoformintheeonstruetionProeessofmasseonereteandmakesthemasseonereteeonstruetin

9、gdiffieultly.Theeontroloferaekinthemasseonerete15veryeolnPlexbeeauseaeertaindistaneeexistsbetweentheoryandPraetiee.CraekeontrollingineonstruetionPhaseofmasseonerete15researehobjeetinthisPaPer.Basedontheanalyzingofsortsandreasonsoferaek,thisPaPerexPatiatesonthetheoryandmeasuresoferaekeontrol.Theinain

10、eontentsofthePaPerareasfollows:1Theresearehonsortsoferaekandreasonsforeraekinmasseonerete;2Theresearehontheoryandmeasureoferaekeontrolinmasseonerete3Intheend,fivePieeesofsuggestionaregiven.KeywordsPOUring:maSSeonerete;eraekeontrol:informativeeonstruetion:lateslot;maintenaneeofwarmkeePing.山东大学硕士学位论文第

11、1章相关概念及当前国内外研究状况大体积混凝土结构在现代工程建设中有着广泛的应用,比如各种型式的混凝土大坝!桥梁港工建筑物!高层建筑的地下室混凝土底板以及很多大型设备的基础承台等都是用大体积混凝土浇筑而成的1.1相关概念1.1.1大体积混凝土所谓大体积混凝土,一般认为现场浇筑的混凝土其尺寸大到必须采取措施以对付水泥水化产生的热量以及伴随发生的体积变化,尽量减少温度裂缝美国混凝土协会(ACI)规定的大体积混凝土的定义是:任何就地浇筑的混凝土,其尺寸之大,必须要求采取措施解决水化热问题以及随之引起的大体积变形问题,以最大限度减少开裂的混凝土就可以称之为大体积混凝土日本建筑学会标准(JASSS)的定义

12、是:结构断面最小尺寸在80cm以上,同时水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差,预计超过25e的混凝土,称之为大体积混凝土我国2001年4月1日生效的5普通混凝土配合比设计规程6(JGJ55一2000)中规定:/大体积混凝土)混凝土结构(jigu)物实体最小尺寸等于或大于1m,或预计会因水泥水化热引起混凝土内外(niwi)温差过大而导致裂缝的混凝土01.1.2裂缝(li fng)与裂缝控制的概念一般说来,裂缝是指固体材料中的某种不连续现象,在学术上属于结构材料强度理论范畴近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量的工程实践所提供的经验表明,裂缝是一种人们可以接受的材料特征结构物的裂缝是不可避

13、免的,如对建筑物抗裂要求过严,必将付出巨大的经济代价,科学的研究是将其有害程度控制在允许范围之内这些关于裂缝的预测!预防和处理工作,称之为/建筑物的裂缝控制0要达到这一目的,必须先深入了解混凝土的物理力学性质,探索裂缝产生的原因,并经过大量的工程实践不断总结,不断摸索,在现有的理论基础上不断完善,不断创新1.2工业与民用建筑大体积混凝土结构设计与施工的特点(1)混凝土是脆性材料,抗拉强度只有抗压强度的十分之一左右,拉伸变形也很小,短期极限拉伸变形只有(0.6一1.0)x10一-,约相当于温度降低6一10e的变形;长期加载时的极限拉伸变形也只有(1,2一2.0)X10一-(2)大体积混凝土结构断

14、面尺寸比较大,混凝土浇筑后,由于水泥水化热,山东大学硕士学位论文内部温度急剧上升,此时弹性模量很小,徐变很大,升温引起的压力不大,但在日后温度逐渐降低时,弹性模量较大,徐变很小,在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力(3)大体积混凝土通常是暴露在外边的,表面与空气或水接触,一年四季中气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力(4)大体积混凝土结构通常是不配钢筋或钢筋数量很少,如果出现了拉应力,就要依靠混凝土本身来承受基于上述特点,在大体积混凝土结构设计中通常要求不出现拉应力或只出现很小的拉应力,对于自重!水压等外荷载,要做到这一点一般不困难但在施工和运行期间,在大体积混凝土结构中

15、往往会由于温度变化而产生很大的拉应力要将这种由于温度变化而引起的拉应力限制在允许范围内是不容易的正是由于这个原因,在大体积混凝土结构中往往会出现这种所谓的/温度裂缝0经验表明,要防止大体积混凝土结构中出现危害性的裂缝,须精心设计!精心施工,才能使裂缝得到控制所以说,温度应力分析!温度控制和防止裂缝的措施,是大体积混凝土设计与施工中十分重要的课题1.3目前国内外研究状况裂缝控制的理论研究是随着科学计算水平的提高和实验技术的完善而逐步发展的早在十九世纪各国科学家就从结构材料强度理论角度出发,探索混凝土开裂的基本原理,最早提出的唯象理论建立在简单基本试验的基础上,在均质!弹性!连续的假定前提下推导出

16、材料强度的各种计算公式,后期又引进了塑性理论,为解决问题提供了理论依据随着对材料微观结构的认识,又提出了混凝土结构的构造理论和分子强度理论,但这两方面的研究还远未成熟相比之下,热力学计算理论在计算混凝土结构内部由于水化热引起的温度变化中得到了较好的应用,在计算得到温度场的基础上建立合适的力学模型,求解结构的温度应力,进而决定是否需要采取控制措施,这种方法在设计和施工过程中得到了普遍认可对于边界条件比较简单的情况国内外不少学者从热传导基本方程出发,推导了混凝土结构温度场和应力场的理论解,并综合试验情况,归纳成计算表格,大大方便了使用对于情况比较复杂的计算,则大多采用数值解法,常用的有一维和二维差

17、分法及有限单元法,这些方法的采用,可以较精确的计算温度场和温度应力实际上,无论是理论解法还是数值解法都是建立在不同程度假定的基础上,不可能完全客观地反映大体积混凝土裂缝的规律,在裂缝控制方面,更多的研究山东大学(shn dn d xu)硕士学位论文集中在工程实践中如何采取有效措施达到防止裂缝(li fng)的目的概括国内外裂缝处理的经验,可以总结出/抗与放0这一对(y du)辩证统一的原则在结构裂缝控制过程中,运用这一原则,是结构既不产生很大的变位,又不产生很大的应力,确保承载力的极限状态,又满足使用极限状态,这种/抗放兼施,以防为主0的设计原则在工程中得到广泛的应用裂缝控制中/抗0的原则主要

18、体现是增加结构物的配筋配筋对混凝土抗拉强度及极限拉伸值的影响在钢筋混凝土基本理论研究中一直是个引人注目并长期争论的问题一种认为配筋对混凝土的极限拉伸没有影响;另一种认为配筋可以提高混凝土的极限拉伸,从而提高混凝土的抗裂性能,双方共同的观点是钢筋能起到控制裂缝扩展,减少裂缝宽度的作用国内一些学者对这个问题进行过大量的研究认为:混凝土材料结构是非均质的,有大量不规则的应力集中点,这些点由于应力首先达到抗拉极限强度,引起局部塑性变形,如果没有钢筋,继续受力,便在应力集中处出现裂缝,如适当配筋,钢筋将起到约束混凝土的塑性变形,分担部分混凝土的内应力,因为混凝土发生收缩,钢筋不收缩,相互之间会产生位移,

19、由于钢筋和混凝土之间的粘结力存在,会引起自约束应力实际上大体积混凝土的配筋率较低,一般小于1%,因而其内部自约束力是比较小的,可以忽略不计迄今为止,关于配筋能否提高混凝土极限拉伸值的问题仍无定论,难以用定量的标准来衡量争论的焦点仍然是如何确定出现裂缝的瞬间问题,对于这个问题,目前尚无明确的标准在实际中更多采用/以放为主0的原则,即通过设置伸缩缝(后浇带)的方法来实现我国现行混凝土设计规范(GBJ10一89)规定:现浇钢筋棍凝土连续梁式结构,处于室内或土中条件下的伸缩缝间距为55m,露天条件下为35m,无筋混凝土工程相应间距为20m和10m,和水工结构相近前苏联及东欧一些国家一贯以伸缩缝作为控制

20、裂缝的措施法国的钢筋混凝土结构规范规定对不能自由膨胀收缩的结构应当考虑温度收缩影响,法国的一些连续墙式结构设计采用30一40M的伸缩缝间距英国规范规定处于露天条件下的连续浇注钢筋混凝土结构最小伸缩缝间距为7M美国混凝土协会(ACI)在伸缩缝方面无明确规定,也没有给出具体的计算方法,要求设计者对这类结构进行温度应力计算和配筋,由设计者自己确定合理的伸缩缝间距日本土木学会混凝土规范的混凝土标准中对大体积混凝土作了原则规定,要求采取措施控制温度裂缝,根据混凝土一次浇筑量和裂缝控制的要求设置施工缝山东大学硕士学位论文.甲甲.甲甲.口.甲.口口口.甲.鱼旦鱼旦旦鱼旦旦鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼里旦综上所述,目前

21、大多数国家靠设置永久式伸缩缝来控制裂缝,伸缩缝间距为304Om,个别为10一20m,有少数工程采取不留伸缩缝的作法,其主要依据是这类工程一般也要靠设置临时性的伸缩缝,即后浇带,其间距为103枷但是这样就增加了施工的难度,还容易造成渗漏,特别是采用现代化泵送工艺后,由于水灰比大,含砂率高,水泥用量多,浇灌速度快,工程裂缝的险情增加,裂缝控制难度不断增大到目前为止,在裂缝的机理方面以及裂缝与建筑物的长度究竟是怎样的关系问题,仍无明确的定论山东大学硕士学位论文第2章大体积混凝土裂缝种类及成因分析建筑物的渗漏和破坏往往始于裂缝,所以人们一般把裂缝的出现视作危险的征兆,甚至产生/裂缝恐惧症0多年来,尤其

22、是二十世纪六十年代以来,通过大量混凝土试验研究,己经证实了在尚未受荷的钢筋混凝土结构中存在着肉眼看不见的微观裂缝(简称微裂)可以(ky)说,混凝土出现裂缝是绝对的,没有裂缝是相对的所谓/裂缝控制(kngzh)0就是通过适当的技术措施控制建筑物使其不产生有害裂缝,达到(d do)抗裂防渗等目的2.1裂缝的种类2.1.1微观裂缝与宏观裂缝现代混凝土研究已经证实,在尚未受荷的钢筋混凝土结构中存在着肉眼看不见的微观裂缝,有些学者据此建立了混凝土构造模型并通过弹性理论计算,从理论上证明了变形约束应力可以引起微裂缝一般认为,混凝土的微裂缝主要有以下三种:(1)粘着裂缝,是指集料水泥石的粘接面上的裂缝,主要

23、沿集料周围出现;(2)水泥石裂缝,是指水泥浆中的裂缝,出现在集料与集料之间;(3)集料裂缝,是指集料本身的裂缝在这三种裂缝中,前两种较多,集料裂缝出现较少混凝土的微裂缝主要指粘着裂缝和水泥石裂缝微裂缝的存在,对混凝土的基本性质,比如弹塑性!徐变!各种强度!变形!泊松比!结构刚度!化学反应等产生重要影响荷载试验表明,当混凝土受压,荷载在30%极限强度相应的荷载以下时,微裂缝几乎不变;到30%70%荷载时微裂缝开始扩展并增加;到70%90%荷载时,微裂缝显著地扩展并迅速增多,且微裂缝之间相互串连起来,直至完全破坏因为微裂缝的分布是不规则的,沿截面是非贯穿的,所以具有微裂缝的混凝土是可以承受一定拉力

24、的但是,在结构的某些受拉力较大的薄弱环节,微裂缝在拉力作用下很容易扩展并串连全截面,从而较早地导致断裂另一方面,混凝土材料的非均匀性使混凝土对抗拉甚为敏感,即抗拉强度的离散程度远较抗压强度大实际工程结构的裂缝,绝大多数是由于抗拉强度不足而引起在混凝土微裂缝扩展串连之前,混凝土截面有良好的抗剪能力,即使微裂缝扩展并串连横贯全截面,仍可靠摩擦力及交错面的咬合力而维持工作但进一步扩展将会使混凝土失去抗剪能力,这时欲维持其继续工作必须依靠配置钢筋实际上混凝土结构山东大学硕士学位论文物纯剪破坏是很少的,而剪拉破坏则是常见的微裂缝的原因可按混凝土的构造理论加以解释,即视混凝土为集料!水泥石!气体!水分等组

25、成的非均质材料混凝土水化和硬化的同时,产生不均匀的体积变形:水泥石收缩较大,集料收缩小;水泥石的热膨胀系数大,集料较小它们之间的非自由变形产生了相互约束应力按照构造理论简单的计算模型,假定圆形集料不变形且均匀地分布于均质弹性水泥石中,水泥石产生收缩变形引起内应力就会导致粘着微裂缝出现混凝土微裂缝是肉眼不可见的肉眼可见裂缝范围一般以0.05mln为界,大于或等于0.05Inln的裂缝称为宏观裂缝,宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果一般工业与民用建筑中,宽度小于0.OSInln的裂缝对使用功能不影响,因此可以假定裂缝小于0.Osmln的结构为无裂缝结构总的来说,混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的,裂缝

26、控制的目的也就是将混凝土控制在无大于0.05咖裂缝的状态2.1.2温度裂缝混凝土随着温度的变化而发生膨胀或收缩,成为温度变形对于大体积混凝土施工阶段来说,裂缝由于温度变形而引起的,可称为初始裂缝或早期裂缝大体积混凝土内出现的裂缝,按其深度一般可分为表面裂缝!深层裂缝!贯穿裂缝等三种贯穿裂缝切断了结构断面,可能破坏结构整体性!耐久性和防水性,影响正常使用,危害严重深层裂缝部分切断了结构断面,也有一定危害性表面裂缝虽然不属于结构性裂缝,但在混凝土收缩时,由于表面裂缝处断面削弱且易产生应力(yngl)集中,能促使裂缝进一步开展一般来说,由于温度收缩应力(yngl)引起的初始裂缝,不影响结构物的承载能

27、力(瞬时强度(qingd),而仅对耐久性和防水性产生影响对不影响结构承载力的裂缝,为防止钢筋锈蚀!混凝土碳化!防水防渗等,应对结构加以封闭或补强处理;对于地下或半地下结构来说,混凝土的裂缝主要影响其防水性能一般当裂缝宽度在0.lmln一0.Zmln时,虽然早期有轻微渗水,但经过一段时间后,裂缝可以自愈;如裂缝宽度超过0.Zlnln0.3mln时,则渗水量按裂缝宽度的三次方比例增加所以在地下工程中,应尽量避免超过0.3Inln贯穿全断面的裂缝由于大体积混凝土截面大,水泥用量多,水泥水化释放的水化热会产生较大的温度变化,由此形成的温度应力及混凝土的收缩是施工阶段产生裂缝的主要原因这种裂缝主要有以下

28、四种:(1)混凝土浇筑初期升温阶段,水泥水化产生大量水化热,使混凝土的温山东大学硕士学位论文度很快上升,混凝土表面散热条件较好,热量可向大气中散发,温度上升较少;混凝土内部由于其传热系数较小,热量散发较少,温度上升较多,这样就形成了内外温度梯度,导致内约束,其结果是混凝土内部产生压应力,面层产生拉应力,当该拉应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土表面产生裂缝要注意这种裂缝常常会被误认为是混凝土表面的泌水!养护不好造成的龟裂,实际上这种裂缝要比龟裂深得多(2)混凝土硬化后期降温阶段(一般为混凝土浇筑3一4天后),水泥水化热基本己全部释放,混凝土从最高温度逐渐降温,产生冷缩由于存在较大的内外温差,混凝

29、土内部温度下降较多,外部降温数值较小,导致外约束,使得内部混凝土中形成较大的拉应力而导致开裂(3)在升温阶段,由于混凝土没有硬化产生强度,故地基!基础等边界条件对其不形成约束应力在降温阶段,混凝土己硬化产生了强度并且与边界条件形成一体,当混凝土冷缩时,受到边界条件的约束,产生拉应力而导致开裂(4)混凝土的收缩(干缩)受到边界条件的约束产生拉应力而导致开裂后三种裂缝严重时会形成贯穿裂缝,破坏结果的整体性!耐久性和防水性,影响正常使用2.2裂缝产生的原因分析根据有关资料,由施工因素造成的混凝土早期裂缝占80%左右,因混凝土材料方面的原因造成的的裂缝占15%左右,因设计不当造成的裂缝占5%左右按照日

30、本混凝土工程协会编写的5混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程6,混凝土裂缝的产生主要与材料!施工!设计!使用环境等有关因此,下面就这几个方面讨论产生裂缝的原因2.2.1混凝土本身的影响2.2.1.1混凝土的体积稳定性混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理!化学作用下产生变形的能力体积稳定性不好的混凝土容易开裂,使混凝土的抗渗性等物理!化学性能降低,溶液性的物质渗透到混凝土中,从而造成混凝土的耐久性能下降混凝土的体积变化可以分为三个阶段(l)硬化前的体积变化混凝土在浇筑成型后,在硬化前就发生了早期收缩早期收缩主要是由于水分蒸发产生的干燥收缩!高水灰比混凝土泌水与骨料沉降导致的沉降收缩和由于山东大

31、学硕士学位论文表面泌水造成的塑性收缩以及由于水泥自身水化而产生的收缩(一般认为,水泥水化生成物的体积比反应前水泥与水的体积之和小,从而产生收缩)(2)硬化(ynghu)过程中的体积变化在硬化过程中,混凝土会产生三种收缩(shu su):干燥收缩!水化收缩(也称硬化收缩或化学减缩(jin su)!自收缩(3)硬化后的体积变化混凝土在硬化后,会由于碳化!干湿变化以及温度变化等原因而产生体积变化混凝土碳化的结果会产生收缩,在水中或高湿度环境下会吸水产生润湿膨胀,在干燥条件下会产生干缩,会由于温度的提高发生热胀,也会由于降温产生冷缩这说明混凝土硬化后受诸多因素的影响,会发生体积变化2.2.1.2混凝土

32、的收缩收缩是混凝土本身所固有的一种重要特性在没有负载的情况下,混凝土往往由于收缩变形而导致开裂混凝土的收缩变形主要有自收缩!干燥收缩!塑性收缩!温度收缩!化学减缩!碳化收缩!沉降收缩等一!干燥收缩混凝土置于未饱和空气中,因水分散失而引起的体积收缩变形称为干燥收缩混凝土干燥收缩主要是由水泥石的干燥收缩造成的,水泥石干燥收缩的理论有毛细管张力学说!表面吸附学说!夹层水学说等,无论是哪种学说,都认为是水分蒸发引起混凝土的干燥收缩混凝土的水分蒸发!干燥是由外向内!由表及里逐渐发展的,过程非常缓慢,产生干燥!收缩裂缝多数是在一个月以后,有时甚至一年半载后干缩裂缝一般产生在表层很浅的部位,裂缝细微,宽度通

33、常在0.05二0.Zmln之间,走向纵横交错呈龟裂状,没有规律性,常常不为人们所重视,但是干缩裂缝会加快混凝土碳化,导致钢筋锈蚀,不仅会严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性,对大体积混凝土而言,表面裂缝会发展成为更严重的裂缝,影响结构的耐久性和承载能力影响混凝土干燥收缩的因素主要有水泥品种!水泥用量!用水量!骨料品种!外加剂!掺和料!混凝土的施工!养护等(1)用水量的影响干燥收缩与混凝土的用水量有关水泥的水化用水仅占水泥用量的25%左右,而要使混凝土具备足够的施工和易性所需的水占水泥总量的40%左右这些水在混凝土浇筑完成后,一部分沿模板渗出,一部分从混凝土表面蒸发掉,还有一部分留在混凝土内部山东大

34、学硕士学位论文混凝土在养护过程中,水泥石强度的增长是与毛细管中水分的失去同时发生的在失水过程中,较大孔隙中的自由水失去后会留下孔洞,降低混凝土的抗渗能力;较小的毛细管中的水失去时,因水表面张力的增大,引起混凝土收缩(2)水泥品种及水泥用量的影响美国混凝土学会的专题研究报告认为,普通硅酸盐水泥干缩率的影响因素主要有:C进/S仇,碱含量及C4AF含量;而卡而辽通过单纯化合物试验证明CZS水泥浆比C3S水泥浆有较大的收缩水泥的干缩率比较:矿渣硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥中低热水泥粉煤灰水泥水泥用量多!用水量大,干缩也大(3)骨料品种的影响骨料品种对混凝土的收缩影响也较大,见表2.1一般低收缩性骨料为石英

35、!石灰岩!花岗岩及玄武岩另外,骨料粒径大收缩小,含水量增加收缩也增加砂也有这种倾向,砂率大或使用过量的粉砂,会使混凝土干缩增大表2.1骨料品种对混凝土的收缩影响骨骨料料密度(x10,kg/m3)吸水率(%)一年收缩率(x10一-)砂砂岩岩2.75555.00011.666板板岩岩2.75551.3335.888花花岗岩岩2.67770.8884.777石石灰岩岩2.74440.2224.111石石英岩岩2.66660.3333.222(4)外加剂!掺和(chn huo)料的影响掺加引气剂会增加干缩,但含气量在5%以下(yxi)对干缩无明显影响减水剂和缓凝剂可以减小混凝土的水灰比,但对混凝土的干

36、缩影响较小,有时(yush)减水剂甚至有增大混凝土干缩的趋势,使用时要注意质量良好!含有大量球形颗粒的优质粉煤灰由于其比表面积小,需水量少,取代了部分水泥,故能降低混凝土的干缩值(5)施工和养护的影响水灰比过大,养护期不同(7天一28天)等都会影响千缩,养护时间延长可以减少干缩值,但对最终干缩值影响不大模板!垫层过于干燥,吸水量过大也能导致干缩裂缝二!自收缩山东大学硕士学位论文自收缩是指胶凝材料在稳定的温度下体积收缩而质量并不发生改变的现象,它是引起水泥石体积收缩,导致早期开裂的一个重要原因自收缩不同于混凝土的干缩,它是水泥石在与外界无水分交换的条件下出现的对于水灰比较低的水泥浆体,由于含水量

37、不足,限制了水泥的进一步水化,硬化水泥浆体内部湿度较低,自收缩更加明显自收缩现象早在50多年前就由H.E.DaviS和Powers等提出,后来许多学者对它进行了进一步的研究1!自收缩现象产生的原因自收缩现象是与混凝土在水化过程中产生的自干燥现象紧密相连的在水泥水化过程中,水化反应产物的绝对体积呱小于消耗水的体积V.和水化水泥的体积v之和,即vh=V.+Vc一vV,这种现象首先是由LeChatelier发现的,也被称为LeChatelier减缩,记作vV当硬化水泥石不能再与外界水源接触时,LeChatelier减缩就不可避免地造成在原来水饱和的孔洞中形成气孔,随着水化反应的进行,这种气孔所占的空

38、间会越来越大,水蒸汽和水的平衡压也越来越低,这时就出现了/自干燥0现象因此硬化水泥石中微孔的状态对于自干燥现象影响很大硬化水泥石中包括两种类型的孔:凝胶孔和毛细孔凝胶孔是水化产物的固有部分,而毛细孔实际上是新拌水泥浆体中水泥颗粒之间空间的残余部分在水化过程中被凝胶孔所固定的那一部分水是不能流动的,也就是说毛细孔水即使被消耗掉,它们也不能提供给化学反应之用,这说明如果在毛细孔中没有足够的自由水,水化反应将停止,而不管水泥石中是否有未水化的水泥颗粒,此时自干燥现象也随之停止另外也说明凝胶孔始终是水饱和的,而毛细孔由于受自干燥作用而不是水饱和的计算结果表明,毛细管压对于早期水泥浆体自收缩的一些是非常

39、显著的,当毛细管内的相对湿度从100%降低到80%时,毛细管压将从OMPa增大到30MPa,如此大的压力必将导致水泥石的收缩2!影响自收缩的因素影响硬化水泥石浆体自收缩的因素很多,如水灰比!水泥类型和矿物掺和料的种类与掺量等(l)水灰比的影响许多实验结果表明,随着水灰比的降低,自收缩值明显增加,因此对于使用高效减水剂的高强混凝土来说,自收缩值是较大的(2)水泥类型的影响在低水胶比的情况下,高铝水泥和早期水泥的早期自收缩值比较大,并将导致较大的最终收缩值;中热水泥和贝利特水泥的自收缩值比较小;矿渣水泥在水山东大学硕士学位论文一一一一旦(ydn)旦目里组目口口口照.组组,困里化一段时间之后(zhh

40、u)的自收缩值比较大(3)水泥矿物组分(zfn)的影响自收缩值的大小主要依赖于c扒和C4AF的百分含量和水化程度,C3S和CZS的百分含量影响较小(4)矿物掺和料的影响用磨细的粒化高炉矿渣替代部分水泥,发现自收缩值随高炉矿渣掺量的增加而增加;掺加硅灰也增大水泥石的自收缩值;掺加部分经过处理的憎水粉末如憎水石英粉等,可以明显地降低自收缩值,这种效应主要是由于增大固相和孔中液相的润湿角,降低了孔中液相产生的毛细管压力(5)高效减水剂的影响相同水灰比条件下掺加高效减水剂的种类和掺量对自收缩降低值影响很小(6)水泥细度的影响水泥细度增加,早期自收缩值明显增加三!塑性收缩塑性收缩是新拌混凝土由于失水引起

41、的收缩它的失水是由表面脱水而导致新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水,当高风速!低相对湿度!高气温和高的混凝土温度等因素作用时水从浆体向表面移动,从表面脱水,这时产生毛细管负压力随着失水增加,毛细管负压逐渐增大,产生收缩力,使浆体收缩,当收缩力大于基体的抗拉强度时,就会使表面开裂通常认为,当混凝土表面脱水速率超过0.skg/m2.h,则失水速率将大于渗出水到达混凝土表面的速率,并造成毛细管负压,引起塑性收缩;如蒸发速率超过1.Okg/扩.h,则需采取预防开裂的措施据试验,混凝土早期塑性收缩最大速率发生在浇筑后14小时内(这种收缩大多发生在混凝土拌和后约3一12小时,在终凝前比较明显)混凝土塑性收

42、缩的大小约为水泥绝对体积的1%,多见于道路!地坪!楼板等大面积混凝土工程,以夏季施工最为普遍影响混凝土塑性收缩的原因除了风速!环境温度!相对湿度等外部因素外,还有水灰比!细掺料!浆骨比!混凝土的温度和凝结时间等内部因素相对而言,干硬性混凝土的塑性收缩比塑性混凝土小,而流态混凝土最大减小塑性收缩的措施有:(l)严格控制水灰比,不要使水灰比过大:(2)振捣要密实,振捣时间以5155/次为宜;(3)凝固时间不易过快,柱!墙!深梁与板等变截面结构宜分层浇筑;一一遗鳖鳖盆翌姿一一(4)混凝土下料不宜太快;(5)注意高温季节给硬化带来的影响,采取适当措施缓凝,炎热气温和日晒会促进混凝土失水,要注意降温!保

43、湿;(6)施工中避免遭遇大风袭击,以免引起剧烈水分蒸发,形成上部和下部或截面中部与边缘部位硬化不均和差异收缩;掺加减水剂和适量的粉煤灰,可减少沉缩量,促进工作性和流动性;(8)在混凝土浇灌1一2小时后,对混凝土进行二次振捣,表面拍打振实;(9)避免混凝土搅拌时间过长由于混凝土浇筑后不久,从凝胶体中析出的晶体不多,所以凝胶体粒子间主要是物理性接触,抗塑性变形能力较大因此,只要加强早期养护,不使混凝上表面干燥,一般不会开裂四!化学减缩化学减缩也称水化收缩,是无水熟料与水发生化学反应,使固相体积逐渐增加而水泥)水体系的绝对体积较小导致的所有的胶凝材料水化以后都有这种减缩(jin su)作用,具体地说

44、,是由于水化反应前后反应物与生成物的平均密度不同所引起水泥与水起化学反应(huxu fnyng)的过场中,原来的自由水成为了水化产物的一部分,使它的比容由原来的1c扩/g变成约0.75c扩/g,也就是说,硅酸盐水泥(shun)的化学减缩量约为化学结合水的25%,体积减缩总量约为7%一9%因此可以认为,化学结合水量越大的水泥,其最终化学减缩量也越大硅酸盐水泥的各个组成矿物有不同的化学减缩量,其中C班的化学减缩量最大,约为C3S和CZS的3倍,约为C4AF的4.5倍所以,C扒的含量越大,水泥的减缩越大此外,水泥中的石膏含量即503含量也影响水泥的体积变化掺用矿物细掺料时,水泥的化学减缩与细掺料的活

45、性有关磨细矿渣越细,活性越高,化学减缩越大,因此磨细矿渣不宜过细五!温度收缩混凝土随温度下降而发生的收缩称为温度收缩,简称冷缩对于大体积混凝土,裂缝的产生主要是由于温度变化引起的因此,如何尽量减少温度收缩变形是一个及其重要的问题在无约束条件下,混凝土温差vT所引起的温度收缩变形是vT与混凝土热膨胀系数a的乘积(即Q#vT)混凝土热膨胀系数一般为0.IOx10一勺e,而水泥浆体的热膨胀系数为1.3x10一4/e,骨料的热膨胀系数则与骨料的品种有关,石灰岩质骨料的值一般为(0.60一0.70)X10一s/e,这三种材料(混凝土!水泥浆体!骨料)热膨胀系数的差别使混凝土在降温的过程中产生山东大学硕士

46、学位论文内部局部温度应力另外由于混凝土结构的热传导性能差,混凝土的外部温度可能已接近环境温度,而内部温度仍处于原始状态,从整体结构温度分布来看,在混凝土结构中形成较大的温度梯度,从而产生相当大的结构温差应力上述两种不同形式的温度应力相叠加,造成混凝土承受相当大的温度应力,有时甚至比荷载产生的应力还大造成混凝土温度升高的原因是原材料自身的温度较高,水泥水化时放出热量以及外界气温的升高等,其中水泥水化时放出的热量是温度升高的主要原因为减少冷缩,应避免使用如石英岩!砂岩等热膨胀系数大的集料六!碳化收缩空气中含有C仇约0.04%,在相对湿度合适的条件下,C02能和混凝土表面水泥水化生成的水泥水化物很快

47、地发生反应,生成CaCO3等和游离水,该反应过程称为碳化碳化作用必定产生游离水,游离水蒸发时产生毛细管张力,从而引起浆体收缩,称为碳化收缩碳化收缩是不可逆的首先是与Ca(OH)2发生反应生成CaC03和游离水,导致体积收缩:Ca(0H):十C02CaC03+H20水泥中的其它水化物必须在一定浓度的Ca(OH)2溶液中才能稳定地存在,Ca(0H)2碳化的结果是水泥浆体中的碱度下降,继而其它水化物也可发生碳化反应,伴随水分的损失,也引起体积收缩如果混凝土有足够的密实度,碳化就只限于表面层,很难向内部进行,而在表面层,干燥速率也是最大的干缩和碳化收缩的叠加受到内部混凝上的约束,就可能会引起严重的开裂

48、无论是单纯的碳化还是在干缩的同时发生的碳化,或者先干缩再在其后碳化产生的收缩,都是在相对湿度为50%左右时最大,这是因为过高的湿度(100%)使混凝土孔隙中充满了水,二氧化碳不易扩散到水泥石中去,或水泥石中的钙离子通过水扩散到混凝土表面,碳化生成的CaC氏把表面孔隙堵塞,碳化作用不易进行,故碳化收缩较小;相反,过低的湿度(如25%),孔隙中没有足够的水使C02形成碳酸,碳化作用也不易进行,碳化收缩相应也很小;在水中,碳化停止当孔隙吸附的水膜只够溶解Ca(OH)2和C02时,碳化速率最快,混凝土碳化合适的相对湿度是45%75%实际工程中使用的混凝土通常不可能有单纯(dnchn)的碳化,一般干燥后

49、再碳化的收缩最大,应当尽量避免影响(yngxing)碳化的因素有水灰比!水泥品种和用量!细掺料等七!沉降(chnjing)收缩因浇筑时混凝土的流动性不足或流动过大,混凝土的塑性坍落受到顶部钢筋山东大学硕士学位论文或模板的限制,或是由于模板的移动下沉,或是斜面浇筑的棍凝土向下流淌硬化前没有沉实或沉实不足或沉实不均就会发生裂缝这种裂缝是在混凝土浇筑后13小时,尚处于塑性阶段,水分大量蒸发沿着梁上面和底板上面钢筋的位置发生的激烈收缩和不均匀沉缩,这种裂缝即为沉缩裂缝混凝土的沉缩变形与混凝土的流态有关,中等流态混凝土相对沉缩变形为(60100)x10一-,大流态混凝土相对沉缩变形为200 x10一-,

50、比收缩大数十倍可见流动性大的混凝土,其相对沉缩变形几乎超过普通干缩变形的3060倍,是十分客观的,如不注意,容易引起早期裂缝八!混凝土实际收缩情况混凝土的实际收缩受水泥类型!细度!水灰比!胶凝材料用量!骨料性质!施工和养护等因素影响在混凝土水化硬化前到硬化后的整个过程中,各种收缩交结在一起综合各种裂缝的特性可以认为,对于大体积混凝土,早期收缩主要是冷缩,长期收缩主要是干燥收缩,其它收缩所占比例相对较小九!外加剂对混凝土收缩的影响混凝土外加剂是近半个世纪以来发展较快的一项新技术在混凝土的拌制过程中加入各种外加剂,可以节省水泥,提高施工速度和施工质量,改善工艺和劳动条件,改善棍凝土的性能减水剂一般

51、具有分散水泥颗粒和调节凝结时间的作用,在混凝土中掺加适量的减水剂可以改善混凝土的和易性,提高强度,节省水泥按照使用减水剂的目的不同,对收缩的影响是不同的一般来说,为了提高强度而掺用减水剂时,由于水灰比减小而可使收缩减小;当掺入减水剂是为了节省水泥而保持强度不变时,虽然减水剂对水泥颗粒有吸附作用和分散作用,破坏了水泥粒子群结构,使水泥较分散,易水化,使收缩增大:另一方面,由于水泥用量的减少又使单位体积内的灰浆率减小而使收缩减小由于两种影响的互相抵消,使这种情况下减水剂的掺入对收缩基本没有影响;当掺入减水剂的目的是为了增加混凝土的和易性和流动性时,由于减水剂的掺入使水泥颗粒容易水化而使收缩增加在混

52、凝土中掺入引气剂可以在混凝土中产生一定数量的气泡,以减少混凝土在流动过程中对管壁的摩擦阻力一般情况下,掺入引气剂会减低混凝士的强度,因此宜控制其含量引气剂对混凝土产生两种作用:从成分上有增加收缩的作用;另一方面可以减少含水量,又有减少收缩的作用二者共同作用,对收缩几乎不产生明显影响单加缓凝剂,一般会使收缩裂缝加重,有时还会诱发收缩裂缝山东大学硕士学位论文适当的使用高性能矿渣掺合料等量取代部分水泥,能起到增加流动性和大幅度提高强度的作用掺合料颗粒形状大多数为珠状,在骨料间起着滚珠的作用,润滑骨料表面从而改善混凝土的流动性;同时由于骨料一般比较细,能够填充在骨料的空隙及水泥颗粒的空隙中,使得颗粒级

53、配更趋理想化,使混凝土达到较为密实的状态,减少用水量高性能矿渣掺合料本身不具有活性或活性较低,但其含量中有部分活性5102!A12仇等,在碱性环境下受到激发,可表现出胶凝性能水泥中有调凝作用的石膏,水化后能产生石灰碱,在这样的环境中,掺合料的活性成分发生反应,生成具有胶凝能力的水化硅酸钙!水化铝酸钙和水化硫铝酸钙,提高混凝土的强度十!泵送混凝土特性对混凝土收缩的影响与传统混凝土相比,泵送混凝土具有大流动性!高强度的特点(tdin)配制高强度混凝土的水泥一般(ybn)采用标号大于等于42.5的硅酸盐水泥!普通硅酸欲水泥或特种水泥(调粒水泥!球状水泥),同时兼顾(jing)水泥的需水性及水泥品种与

54、外加剂的适应性在配制过程中,由于水泥标号高!用量大,使施工中的水化热比普通混凝土大了很多,因而形成了较大的温差和温度应力混凝土的流动性,一方面可以通过适当地添加外加剂获得,另一方面应注意提高混凝土的砂率和水灰比由于粗骨料容易在砂浆流动的过程中产生自旋和无规则运动而增加泵送阻力,因此要控制粗骨料的最大粒径和粒型;在较小范围内加大砂率,可以润滑骨料表面,减少空隙率,使用水量减少普通混凝土的含砂率一般在35%36%间,而泵送混凝土可以增加到42%45%间:但是砂石骨料的粒径较小会使混凝土的收缩增加,对结构抗裂不利增大水灰比!加大用水量可以增加泵送混凝土的流动性,但降低了混凝土的抗离析能力和后期强度理

55、论研究表明,水泥完全水化的极限W/C是0.227左右,多余的水不参与水化反应,自由水蒸发,在硬化混凝土中形成贯通毛细孔,加上其它水分蒸发形成的孔隙,使总孔隙率增大,降低了水泥石与骨料之间的粘结力,导致混凝土强度下降,收缩增加因此,在施工中应考虑选择合理的外加剂(减水剂),在保证混凝土流动性的情况下,减小砂率,减少用水量2.2.1.3混凝土的徐变混凝土结构在任意荷载作用下,除了发生弹性变形外,还产生一种随时间缓慢增加的非弹性变形,称为/徐变变形0徐变变形比瞬时弹性变形大13倍这种徐变变形的性质,是混凝土内部质点的粘性滑动现象当结构变形不变,其内部约束应力因混凝土内部质点的粘性滑动而产生的应力减小

56、,称为/应力松山东大学硕士学位论文弛0在大体积混凝土结构中,徐变能降低混凝土的温度应力,减少收缩裂缝,在结构应力集中区和因基础不均匀沉降引起局部应力的结构中,徐变能削减这类结构的应力峰值有时在大体积混凝土工程施工中可在保持强度不变的条件下,以设法提高混凝土的徐变来达到减缓结构裂缝的目的但结构的徐变也有不利的一面,比如徐变会使结构的长期变形不断加大;在预应力混凝土结构中,徐变会引起预应力的损失等,所以应综合考虑徐变的影响2.2.1.4骨料与水泥石的界面混凝土中水泥基体与骨料接触面而产生的界面具有特殊的性能,使之成为混凝土结构中最薄弱的环节在骨料界面处常由于水膜层或气孔的存在造成局部的结构疏松,形

57、成孔隙与水化品体的富集与定向排列在荷载的作用下,骨料和水泥石由于弹性模量的差别变形不一致,界面成了应力集中的区域在微裂缝的引发作用下,原生孔缝和次生缝互相连通导致混凝土结构破坏界面区还是混凝土中最容易引进侵蚀因素的部位,界面区的薄弱连接使混凝土强度和性能下降因此各国学者都把改善界面结构当作提高混凝土强度和耐久性的重要途径最早研究界面结构的文献是1956年Farren发表的,他证明了混凝土中界面区的致密程度低于硬化水泥浆体本体界面区薄弱结构的形成主要来源于三个方面:(l)水膜作用:一些学者认为水膜对界面结构的形成具有重要影响由于骨料的表面作用和内析作用的影响,使得骨料表面有一层水膜,水泥颗粒水灰

58、放出的离子中,一些迁移速度快的离子如Na+!K+!O环!50弓.一!Mg.-等在水膜内富集!析晶和长大,而5104-一等很难进入水膜因此最终形成的界面结构中,富集大尺寸Ca(0H):等晶体,而C一S一H凝胶的含量较少(2)颗粒堆积作用:在砂浆混凝土中,水泥浆体本体的初始结构近似于等径球形颗粒的堆积,而骨料与水泥(shun)颗粒之间的结构近似于球形颗粒在无限大平面上堆积,这两种堆积形式(xngsh)的空隙率是不同的可以计算出等径球形颗粒规则紧密堆积的空隙(kngx)率为25.95%,无规则紧密堆积的空隙率为47.64%,由此可见水泥颗粒在无限大平面上堆积的空隙率大于颗粒之间堆积的空隙率,所以可以

59、认为在砂浆混凝土中,骨料周围的初始堆积空隙率高于水泥浆本体(3)单侧致密作用:按PowerS水化结构模型,水泥水化后固相体积增加1.13倍,因此随着水泥水化程度的增加,硬化水泥浆体的结构不断致密水化致密对水泥浆体本体空隙率的减少作用与对界面空隙的减少作用是不一样的水泥浆体l6山东大学硕士学位论文本体中空隙受到水泥颗粒的包围,因此随着水化程度增加,空隙迅速减少,而骨料周围空隙仅受水泥浆体一侧的作用,空隙减少速度较慢按水泥颗粒紧密堆积排列可以计算出,颗粒周围空隙随水化程度增加而减少的速度约为水泥浆体空隙减少速度的1/2.52.2.1.彭昆凝土所用材料的影响一!水泥和水大体积混凝土的开裂主要是由于混

60、凝土的收缩受到约束而产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度而导致用不同的水泥种类!水泥用量拌制的混凝土产生的收缩值及强度值是不同的水泥种类及其拌制的砂浆干缩值变化很大,日本水泥协会收缩专门委员会报告指出,水泥种类对干缩影响从大到小的排列顺序是:高炉水泥硅石水泥火山灰水泥普通硅酸盐水泥早强硅酸盐水泥粉煤灰水泥中热硅酸盐水泥日本水泥协会耐久性专门委员会裂缝小组的报告指出,水泥种类及其制成的混凝土干缩试验(4周)结果从大到小的排列顺序是:高炉水泥普通硅酸盐水泥粉煤灰水泥中热硅酸盐水泥早强硅酸盐水泥抗硫酸盐硅酸盐水泥采用矿渣硅酸盐水泥的混凝土的收缩值比用普通硅酸盐水泥的收缩值大25%左右,当水泥采用不当时,