现代混凝土结构非荷载裂缝及其控制课件

1、现代混凝土结构非荷载裂缝及其控制 目 录：一、意义二、混凝土的裂缝分类与成因三、现代混凝土开裂的敏感性四、现代混凝土非荷载裂缝的预防五、设计、材料、施工和管理的精 诚合作 一、意义混凝土结构非荷载裂缝是影响耐久性的关键因素 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。 美国土木工程师协会于1980年代所作的一项调查显示，全国约50万座桥梁中，有20万座已经不同程度损坏。丹麦早在1950年代，调查了431座混凝土建筑物，其中3/4的建筑物已遭到各种破坏。我国的北京、天津、浙江和沿海

2、一带均出现了大量的混凝土构筑物破坏事例。耐久性影响混凝土的使用寿命、安全性、使 用领域、使用效果、经济性、设计理论、设计规范混凝土耐久性与国民经济、社会安定、环境质量、可持续发展等密切相关。耐久性混凝土材料科学的重大研究课题。 二、混凝土的开裂裂缝是混凝土结构最为常见的缺陷通常所说的裂缝是指宽度在0.030.05mm以上的宏观裂缝。混凝土裂缝的出现通常是由于混凝土发生体积变化时受到约束，或者是由于荷载作用，在混凝土内引起过大的拉应力（或拉变形）而引起的。多数情况下，混凝土出现可见的宏观裂缝只是损害结构的外观。但是混凝土开裂总是设计、施工或原材料选用不当产生的，有时还反映了结构存在严重的薄弱环节

3、，或者混凝土材料已经遭受腐蚀和重大损伤，甚至成为结构面临破坏的前兆。一旦出现裂缝，就要分析其原因并采取适当的补救措施。 拉应力是产生裂缝的必要条件 除荷载作用外，结构的不均匀沉降、收缩、温度变化等都会引起拉应力 结构中主拉应力达到混凝土（当时）的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变时才出现裂缝 硬化后的混凝土极限拉应变约为15010-6，即10m长的构件，产生1.5mm的很小受拉变形即会产生裂缝。 由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度最小的位置发生。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。 不同龄期的混凝土，其裂缝断面状况有较大差别。裂缝断面较为光滑，两裂缝不能完全闭合

4、裂缝断面则呈不规则较为锋锐状态，两断面可以闭合1. 裂缝的分类按裂缝产生的时间一般可分为施工阶段裂缝和使用阶段裂缝根据裂缝的形态来划分；横向裂缝、斜裂缝、X形裂缝、纵向裂缝、八字形裂缝、网状裂缝、云彩状裂缝、鼓胀裂缝。 根据裂缝产生的原因来划分2. 变形(非荷载)裂缝和荷载裂缝约80%的裂缝是属于由变形（温度、收缩、不均匀沉降）引起的；包括变形和荷载同时作用且以变形为主引起的裂缝；约20%的裂缝是属于荷载引起的，包括变形和荷载共同作用且以荷载为主引起的裂缝；前者并不是所有的裂缝都会对结构的安全造成严重的影响:比如混凝土梁的受拉区在设计的过程中就是考虑梁在使用过程中带裂缝工作，如果一根梁在工作阶

5、段，完全没有裂缝，说明梁的配筋十分保守，或者没有充分发挥作用；- 塑性收缩是混凝土拌合物处于塑性阶段时（初凝之前），由于出现泌水和水分的急剧蒸发，引起失水收缩。另外，固体颗粒下沉，集料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形，表面产生泌水而引起的混凝土体积减小。这些收缩发生在终凝之前的塑性阶段，故称为塑性收缩。塑性收缩值较大，一般约为混凝土体积的1%左右。3. 混凝土的早期收缩开裂：在塑性状态时混凝土表面失水过快造成的，常发生在混凝土板或比表面积较大的墙面上，一般长度大约0.22m，宽度为15mm，从外观分为无规则网络状和稍有规则的斜纹状或反映出混凝土布筋情况和混凝土构件截面变化等规则的形状。塑性收缩

6、裂缝通常延伸不到混凝土板的边缘，这一点可做为混凝土早期塑性收缩裂缝与混凝土长期干燥收缩裂缝相区别的依据。很难区别塑性收缩裂缝与塑性沉降裂缝，但如果裂缝的走向与钢筋布置的形状和混凝土构件的几何形状有关，则可以判定沉降在裂缝的形成过程中起了一定的作用。-化学收缩水泥水化反应后的水泥水体系的绝对体积则减小，使混凝土产生收缩，这种收缩称为化学收缩。属不可恢复的变形，在混凝土成型后40多天内增长较快，以后逐渐稳定。水泥硬化后，宏观体积基本不变，但是形成内部孔缝。如混凝土用量为350kg/m3，则形成孔缝体积约(2530) L/m3。混凝土的化学收缩值约为（4100）10-6，对结构物一般没有破坏作用，但

7、化学收缩是混凝土中微细原生裂缝产生的原因之一。-干湿变形混凝土因所含水分的变化而产生的体积变化，包括干缩和湿胀，统称为干湿变形。混凝土含自由水、毛细孔水和凝胶孔内的吸附水三种，当后两种水发生变化时，混凝土就会产生干湿变形。蒸发使毛细孔中形成负压产生收缩；再继续受干燥则吸附水蒸发，引起凝胶体失水而紧缩。-自收缩混凝土内部相对湿度随水泥水化的而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，而引起混凝土自收缩。高水灰比的普通混凝土由于毛细孔隙中贮存大量水分，自干燥引起的收缩压力很小。低水灰比的高强混凝土则不同，早期强度较高的发展率使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而

8、高强混凝土结构致密，外界水很难渗入补充，在这种条件下开始产生自收缩。自收缩过程开始于头几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部微裂缝，若混凝土变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝。这是高标号混凝土容易开裂的主要原因之一。-温度变形水泥水化是个放热过程，随混凝土水泥用量的提高，绝热温升可达50-80。混凝土是热的不良导体，传热很慢，因此在大体积混凝土（截面最小尺寸在1m以上的混凝土，如大坝、桥墩、底板和大型设备基础等）硬化初期，水泥水化将产生大量的水化热，水化热在混凝土内部蓄积导致混凝土温度升高。因混凝土材料原因产生的裂缝 -胶凝材料水化热水泥用量在300kg/m3左右时，温度上升为3040左

9、右。 在实际结构中，内部因水化热产生蓄热的同时，构件表面还产生放热，使得构件温度经上升后再下降。4. 服役中混凝土的开裂热胀冷缩混凝土呈现热胀冷缩变形。混凝土的温度膨胀系数约为0.710-51.410-5/，一般取1.010-5/，即温度每升高或降低1，1m长的混凝土将产生0.01mm的膨胀或收缩变形。结构在环境温度变化或受辐射热作用下，造成结构温度各部分的温度差别，引起结构内力过大而产生裂缝这种裂缝的特点是会随着温度的变化而变化，冬季的裂缝宽度会窄一些，夏季的裂缝宽度会大一些。混凝土梁上的温度裂缝表现为横向受拉细微裂缝。因为混凝土和砌体之间线膨胀系数不一致，混凝土和砖砌体的温度线膨胀系数分别

10、为1010-6/oC和510-6/oC，即在相同的温差和相同长度下，混凝土的温度变形是砖砌体的一倍。两者间的不均匀膨胀（收缩）产生温度裂缝。 在实际结构中，内部因水化热产生蓄热的同时，构件表面还产生放热，使得构件温度经上升后再下降。构件的最小尺寸大于800mm时，通常可认为是大体积混凝土对于大体积混凝土，内部温度较大，构件外周温度较低，内外温差很大，引起内外混凝土膨胀变形差异。内部混凝土膨胀受到外部混凝土的变形约束，而使构件表面产生裂缝。大体积混凝土工程，必须采取降温措施！-碱骨料反应产生的裂缝碱集料反应造成的开裂破坏难以阻止、难以修补，而被称为混凝土的癌症。在日本，如果在房屋结构鉴定中遇到这

11、种裂缝，可直接定为危险构件d级。碱骨料反应分为碱硅酸反应和碱碳酸盐反应,目前主要的碱集料反应是指碱硅酸反应。一般认为：对于高活性的硅质集料（如蛋白石），混凝土碱含量大于2.1kg/m3将发生碱集料反应破坏，对于中等活性的硅质集料，混凝土的碱含量大于3kg/m3将发生碱集料反应破坏。当集料具有碱碳酸盐反应活性时，混凝土的碱含量只要大于1.0kg/m3就有可能发生碱集料反应。骨料引起的裂缝方面碱骨料反应引起的裂缝骨料中含有MgO引起的裂缝钢筋锈蚀产生的裂缝开裂锈蚀膨胀使钢筋产生锈蚀的原因有：骨料中含氯化盐；外部进入氯化盐；混凝土碳化；保护层不足；过大的裂缝宽度。钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍

12、，使钢筋位置处的混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。这种裂缝沿钢筋方向发展，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产生空隙，这可从敲击产生的空洞声得到判别。冻融循环产生的裂缝青海某铁路的桥基座吉林某水电站的大坝基础结冰冻胀，面板剪裂二、现代混凝土开裂敏感性混凝土结构非荷载裂缝问题逐年上升 商品混凝土的高速发展，是我国混凝土技术进步和整体质量提高的一个重要标志。但也出现了一些新问题，最突出的是非荷载因素引起的裂缝问题，随着泵送法施工、外加剂应用和混凝土强度等级的提高，裂缝数量日益增多，开裂时间大大提前，质量纠纷不断增加。近年来建筑物裂缝问题的投诉量呈快速上升趋势，修补用工和费用也逐年上升。 1. 现代混

13、凝土的材料传统普通混凝土：水泥砂石子水 现场搅拌为主。现代普通混凝土：水泥砂石子+水 +化学外加剂+矿物外加剂 预拌为主、泵送施工。这些差异对混凝土非结构裂缝存在必然联系。水泥质量指标的变更、混凝土强度等级的提高和外加剂的应用，砂石资源短缺引起的质量波动，是导致混凝土裂缝增多的直接材料因素； 泵送施工技术的应用，对材料提出的高可泵性，从而要求高流动性、高砂率、高浆骨比和较小的粗集料粒径，是导致混凝土裂缝增多的间接材料因素； 过去与现实的对比：水泥项目过去现实水泥筛余58%，比表面积250300m2/kg，标稠用水量2627%，掺合料12种，筛余13%，比表面积350400m2/kg，标稠用水量

14、2730%，掺合料812种，其它原材料项目过去现实砂子原则上为中砂常出现细砂、级配差石子4060mm，楼板3031.5，楼板20mm化学外加剂原则上不用绝大部分使用矿物外加剂原则上不用绝大部分使用，且23种膨胀剂原则上不用经常使用水泥水水泥浆石子砂子骨 料新拌混凝土100%体积6075%715%2540%1421%2128%3942%凝结硬化硬化混凝土混凝土外加剂配合比项目过去现实配合比用水量大小水灰比大小砂率小大浆骨比小大坍落度小大保水性好差粘聚性好差混凝土性能项目过去现实混凝土性能坍落度小大强度等级低高早期强度低高总水化热小大总收缩小大早期收缩小大自收缩小大2. 设计对传统普通混凝土，业已

15、形成的设计理论和措施增设构造钢筋、设缝等已能较好地控制非荷载裂缝。对现代普通混凝土，当采用了这些措施，甚至掺膨胀剂等技术后，裂缝问题依然严重。增加钢筋的作用效果、适用范围、适用条件等理论问题和应用实践问题是否有待修正和完善？原有的设缝间距依据是否仍然适用？膨胀剂的实际效果如何?设计技术指标如何设定？能否从设计角度对材料参数提出技术要求？能否建立非荷载变形设计计算程序？ 非荷载裂缝控制的设计基础、设计理论缺少系统研究，从而缺乏相应有效的设计措施，是导致混凝土裂缝增多的设计因素； 3施工从传统普通混凝土坍落度3070mm，到现代普通混凝土100mm，我们的振捣成型变得轻松了，可到现场还想加水“生水

16、”。抹面变得轻松了，可抹平、抹光与抹压、特别是二次抹压的功能是不同的。养护的及时性、养护方式的选用并未引起足够的重视。传统的混凝土浇筑方式和养护措施、超常规的施工进度要求，特别是现场加水问题，是导致混凝土裂缝增多的施工因素； 预拌混凝土的应用使得更加容易配制高流动度的高混凝土。同时，预拌混凝土也给我们带来了混凝土结构非荷载裂缝的质量通病。 4 管理传统普通混凝土与现代普通混凝土质量监理和质量监督的内容与理念是否有所差异？ 监理单位和质检部门对非荷载裂缝成因及控制措施的事前关注不足，特别是理解上尚存在一定差距，是导致混凝土裂缝增多的管理因素。 四、现代高强高性能混凝土非荷载裂缝的预防高强高性能混

17、凝土定义（60）特点：构件截面尺寸、自重、施工进度、使用寿命大跨度、重载、高层、承受恶劣的环境容易开裂敏感性大51非裂缝信息去除后的图像试验中的某一局部裂缝二值化操作后的图像 高强砼与普通砼相比：早期总收缩大弹性模量高徐变对应力的松弛能力小水灰比低, 微结构致密早期收缩开裂趋势明显大于普通混凝土高强混凝土收缩开裂影响因素的分析模型矿物掺合料对高强混凝土收缩开裂的影响各不相同：当以30%的掺量取代水泥时，磨细矿渣增大了高强混凝土的收缩开裂趋势，且细度越大表现越明显；粉煤灰降低了高强混凝土的收缩开裂趋势；硅灰增大了高强混凝土的收缩开裂趋势。在温度提高、相对湿度降低后，混凝土的塑性收缩开裂情况有明显

18、的加重，初裂时间提前、裂缝的宽度加大、裂纹长度增加、裂缝总量增加。工程中如果混凝土浇筑后处在高温、低湿度的环境中应该注意预防塑性收缩开裂。 水灰比越小，混凝土表面出现裂缝越早，开裂越严重。 掺硅灰混凝土比不掺硅灰混凝土更易开裂，且出现的裂缝条数更多、裂缝宽度增大。 优质粉煤灰对混凝土的早期开裂有一定的抑制作用。工程中预防塑性收缩的措施塑性收缩塑性收缩应力毛细管压力减少早期毛细管压力增加表面的抗拉强度（1）减少混凝土表面水的蒸发速度。尤其在夏季高温、多风天气时。（2）尽量避免或减少用硅灰和高细度的矿渣。（3）养护前注意及时进行表面收光，特殊情况下应当进行多次收光。（4）及时养护。尽早进行覆盖，保

19、湿养护和洒水养护。工程中预防塑性收缩的措施夏季高温季节浇注的混凝土路面防裂措施在进行配合比设计时，要考虑到夏季混凝土稠度的变化，最好采用缓凝剂，降低各种物料温度。尽量在每日较低温度时施工混凝土路面。施工中如遇过大的热风，可设立防风墙，以降低吹到混凝土表面的风力，减少水分蒸发量；增加遮阳设备，从而防止表面收缩裂缝。做好养生工作。采用塑料薄膜、喷洒养生剂。尽量缩短施工到保温养生的间歇时间，从拌合到运输、摊铺抹面、压槽、养生等工序要紧密衔接。泵送（商品）混凝土的塑性开裂当环境温度高、风速大而且干燥，泵送混凝土的水分挥发迅速，泌水和毛细管提升水的综合作用还低于水的挥发作用时，混凝土表层脱水速度远大于混

20、凝土内层提供水的速度，造成了混凝土面层体积收缩大，若这时混凝土还未产生足够的强度，则在混凝土表面产生塑性收缩裂缝。商品混凝土因运输距离长，为防止流动性损失过大，常常加入缓凝剂、保塑剂等，更增加了形成塑性收缩裂缝的可能。因混凝土的坍落度大，对模板的侧向压力也大，使模板容易发生变形也会形成塑性裂缝。减少塑性收缩的措施混凝土配合比使用高效减水剂降低混凝土单方用水量，并适当采用偏粗的中砂。加入引气剂，切断毛细管可以减少水分的挥发，而且引气剂对泵送混凝土工作性的改善也十分有利，是降低混凝土塑性裂缝的有效措施。掺入优质粉煤灰降低混凝土的泌水和干燥收缩值。在满足强度条件下，尽可能减少水泥用量，尽可能不用矿渣

21、水泥以利于降低泌水量。改善施工混凝土构件的外界条件防止混凝土成型后在烈日下暴晒，加设临时遮阳棚或挡风墙，有利于降低混凝土表面的温度和混凝土表面的风速。在未浇筑混凝土前，对模板进行预湿。施工措施在施工时，尽量缩短浇筑与开始养护的时间差。及时覆盖塑料薄膜或喷施混凝土养护剂。及时复振。高强混凝土收缩开裂改善措施的探索膨胀剂硫铝酸盐类膨胀剂UEA-H减缩剂烷基聚氧乙烯醚类的非离子表面活性剂纤维：钢纤维有机合成纤维掺聚丙烯纤维（3d） （体积掺量0.1%）1d龄期时出现两条微裂缝基准混凝土（3d）浇注后8h出现裂缝。Dmax=0.8mmDmax=0.05mm掺减缩剂（3d） （总用水量的2.5%）掺碳纤维（3d） （体积掺量0.25%）PP纤维在混凝土中应用上世纪60年代前期：Goldfein研究用