水泥混凝土开裂机理研究

水泥混凝土开裂机理研究1水泥混凝土开裂机理水泥混凝土的结合力主要是范德华力，所以其抗拉强度非常低，通常只有抗压强度的7%-11%左右。混凝土开裂最基本的力学原理就是其抗拉强度比较低，当拉伸应力大于抗拉强度时就会产生裂纹。但是混凝土实际开裂的过程是非常复杂的，根据拉应力产生及发展情况的差异，水泥混凝土开裂机理通常可以分为：收缩、沉降、膨胀、有害反应、静载作用和疲劳等。1、收缩根据混凝土收缩的原因可以分为：化学减缩、干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、自体收缩和碳化收缩，当这些收缩变形受到基层、骨料或外部约束时，就可能引发拉伸开裂。混凝土收缩时间和收缩量化学减缩在水泥混凝土凝结硬化硬化过程中，水泥水化产物的绝对体积要小于原反应物的体积，从而导致体积收缩。一般这种收缩对混凝土影响不大。干燥收缩水泥混凝土中水是以结合水、层间水、吸附水以及毛细水等状态存在的，在水泥混凝土凝结硬化的过程中，毛细水的蒸发会导致毛细管压力增加；干燥进一步加剧，吸附水的蒸发会使水泥凝胶颗粒的表面张力增加；同时层间水的流失还会使层状结构的水化产物(C-S-H)体积进一步收缩，以上几种情况导致水泥混凝土大量收缩。一般这种收缩对混凝土的影响最大。混凝土的干缩曲线温度收缩在混凝土凝结硬化的过程中，水泥水化产生的热量使混凝土的温度急剧升高，温度通常在18小时以后达到峰值，随着混凝土硬化逐渐完成其温度又降到与环境温度相同，在降温过程中混凝土会发生收缩，即温度收缩。混凝土内部温升曲线塑性收缩第15页当混凝土表面水分的蒸发速率超过泌水率时，混凝土开始干燥，导致表面附近的毛细管压力急剧增加。而此时混凝土尚未硬化，弹性模量很低，因此发生塑性收缩。塑性收缩一般是在混凝土浇筑完成后最初的几个小时内发生。水泥、砂浆、混凝土的塑性收缩自体收缩在水泥混凝土凝结硬化过程中，水泥水化反应使内部湿度降低，出现自干燥现象，导致毛细管压力增加，从而使混凝土产生收缩。化学减缩和自体收缩曲线碳化收缩空气中的二氧化碳在水分存在的条件下与水泥水化产物(C-S-H)发生化学反应，生成碳化钙、铝胶、硅胶和游离水，从而使混凝土收缩。2、沉降新拌混凝土随着时间不断沉降，当受到约束时就会发生沉降开裂。混凝土中较重的颗粒在重力作用下不断下沉，直到凝固为止。塑性沉降使拉伸应力不断增大，并伴有毛细管压力和自体影响，因此足以使塑性裂缝产生。研究表明，新拌混凝土的均匀沉降不会引起塑性开裂，而不均匀沉降则会引起开裂。保护层厚度、钢筋尺寸和钢筋间距是影响非均匀沉降大小的主要因素，钢筋越粗、保护层厚度越薄就越容易产生较大的裂缝。此外，由于基层强度不足或浸水以及模板刚度不足或移动也会使混凝土发生沉降。3、膨胀内部膨胀受到约束时应力就会急剧增加，当应力超过混凝土强度（或抗裂特性）时就会开裂，内部膨胀主要是由化学腐蚀或孔隙水的冻结导致的。（1）冻胀当水冻结并膨胀时，毛细孔的液体压力和渗透压力会增加。如果渗到有裂纹和空隙的地方冻结，会导致裂缝宽度增加。通常压力的大小取决于冻结速率、饱和度、混凝土的渗透性以及水分逸出的最短流动路径长度。（2）腐蚀在高PH值环境下，一般高于12.5时，加强钢筋表面上形成一种三氧化二铁钝化保护层来抵抗腐蚀，碳化和或氯离子的侵入导致PH值降低并促进腐蚀发生。腐蚀对暴露在干湿循环环境下的混凝土害处最大，腐蚀产物具有膨胀属性，并且使加强筋周围产生有效拉应力。一旦大量腐蚀发生，就会导致分解裂缝产生，并导致水泥大量缺失。可能造成混凝土开裂的腐蚀产物厚度和覆盖厚度成正比，对于覆盖厚度为40毫米的混凝土，50微米厚的腐蚀产物就足以导致开裂，这些裂缝传播到表面就会导致混凝土剥落或者水泥缺失。最近的研究表明，已经存在的裂缝可以加速腐蚀的萌生和扩展，而持续的负荷进一步加速腐蚀。4、有害反应（1）碱骨料反应第16页碱集料反应（AAR）是指某集料和混凝土中或外来的碱质（如除冰盐、地下水、海水等）发生反应。如果集料是硅酸质的，AAR称为碱-硅反应（ASR）；如果集料是白云石质碳酸盐岩，AAR称为碱-碳酸盐反应（ACR）。当集料中的可溶硅与可溶性碱反应生成的碱-硅胶吸收水分时就会膨胀，硅胶的膨胀可能会导致混凝土开裂；另外，由于裂缝被明胶填充，阻止裂纹闭合，在温度、收缩、冻融和荷载的影响，可能会造成更大的开裂。（2）硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀主要是由两种化学反应造成的：硫酸盐与石灰反应生成石膏；硫酸盐与水化铝酸钙反应生成钙矶石。最终反应产物的体积比原成分的体积大的多，引起的内部膨胀可能会导致混凝土开裂。据推测，硫酸盐结晶产生应力，也可能会导致破坏。某些硫酸盐，如硫酸镁，含有导致进一步膨胀的阳离子，从而加剧了硫酸盐侵蚀的影响。在初始固化阶段，由于高温的原因，有时在成熟混凝土中会发生延迟膨胀DEF）,通常延迟膨胀会与其他恶化机制相结合。5、静载作用混凝土加载后会立即产生一些微裂缝，这些裂缝可以忽略不计，因为应变-应力关系变化不大（接近线性）。当荷载达到极限强度的40%-50%时，微裂缝不断增多，材料的弹性模量逐渐降低,这时应力-应变关系开始呈非线性。当荷载接近峰值的90%-95%时，裂缝开始集中并连通，最终出现可见裂纹。根据试件的加载情况，裂纹可能导致突然失效或者继续扩展直到荷载达到峰值后发展成为可见裂纹。当达到峰值以后，试件开始表现出应变-软化关系，因为随着应变的增加荷载传递能力逐渐降低。应变-软化关系曲线混凝土破损反应模型6、疲劳疲劳是指在机械荷载反复作用下造成的失效，荷载的大小在疲劳失效中的影响没有静载破坏中的那么明显。虽然疲劳破坏的机理目前还没有完全了解，但是关于裂纹在素混凝土中的产生和发展有两种基本假设。第一种假设：疲劳破坏的实质是骨料和水泥基质连接区域的逐渐失效。第二种假设：疲劳破坏的实质是在混凝土中先天存在的微裂缝不断聚结，最后导致形成一条局部宏观裂纹。虽然水泥混凝土开裂的机理目前已经研究的比较