混凝土裂缝变形及量测技术

混凝土裂缝、变形及量测技术水工混凝土裂缝和变形大体积水工混凝土结构：如大坝、船闸、泄洪建筑物、电站厂房等特点：1、体积大2、结构形式复杂通常要承受两种不同性质的荷载：1、结构荷载：包括水压、自重、扬压力、泥沙、土、地震、风、冰、浪等，其中水压、自重、扬压力等是主要荷载；2、混凝土本身的体积变化：包括温度、徐变、干缩和自生体积变形等。其中温度干缩和徐变是主要的体积变形。

继续大体积混凝土的定义80年代前：根据几何尺寸，主要根据厚度定义，国际上一般采用0.8～1.0m作为界限。80年代后：日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土”。美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂”。我国交通行业：“现场浇注的最小边尺寸为1～3m，且必须采取措施以避免水化热引起的温差超过25度的混凝土称大体积混凝土”建筑行业：“混凝土结构物实际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温差过大而导致裂缝的混凝土称大体积混凝土”返回混凝土裂缝按其深度一般可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。1、贯穿性裂缝（thoroughcracks）切断了结构断面，破坏结构整体性、稳定性和耐久性等，危害严重。2、深层裂缝（deepcracks）部分切断了结构断面，也有一定危害性。3、表面裂缝（surfacecracks）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集中，能促使裂缝进一步开展。（劈头缝）

混凝土裂缝混凝土开裂判据1、变形：极限拉伸值2、强度：抗拉强度3、断裂判据：应力强度因子或断裂能4、复合判据：如热强比抗裂性指标混凝土裂缝的认识1、无坝不裂（消极）2、裂缝可以控制（积极）3、被动开裂——主动出击缝的设置：横缝、纵缝、周边缝诱导缝人工短缝拱坝分缝构造分缝：横缝：垂直于坝轴线布置纵缝：平行于坝轴线布置诱导缝：预设缝周边缝：坝体和周边垫座之间人工短缝：释放应力横缝（止水、止浆、键槽等）横缝间距：日本：15m左右美国：50ft（≈15.25m）我国：15～20m近些年随浇注强度的提高和温控措施的完善横缝间距有扩大的趋势，如凤滩24～26m。键槽：增加浇注块间的抗剪能力，灌浆后形成整体。国外有拱坝不设，认为拱向正应力很大足以承担断面横向剪力。诱导缝在坝体内部人为形成一个潜在的“缝”，具有一定抗拉能力，但强度较低，当缝面拉应力超过某一数值，诱导缝自动张开，消除拉应力。构成:按一定规律埋设诱导板，部分切断混凝土的联系，使连接面积减小，强度减弱。问题：不在诱导缝位置开裂。周边缝在拱坝和基础之间先浇注一层混凝土垫座，再在垫座上浇注坝体，坝体和垫座之间设置的缝称作周边缝。最早是1939年意大利77m高的奥西格林塔拱坝。前苏联的英古里水电站也采用。优点：1、静力状态好；2、适应某些不利的地形地质条件；3、抗震性能好；4、可消除部分温度应力。缺点：1、结构复杂、施工麻烦，质量难以控制；2、坝体结构的一个弱面，增加了坝体的抗滑稳定性。（梅花坝设置了周边缝而垮坝。）应用前景：高坝或规模大的拱坝没有使用过。人工短缝在拱坝的拉力区人为设置“缝”，释放水压和温度应力。前提：仿真计算分析——对坝体应力的了解局部缝－局部释放应力拱坝人工短缝新结构拱坝人工短缝构造和设置设置：短缝不超过坝厚的1/4，以免加大坝肩剪应力。人工短缝是构造缝（不是温度诱导缝），需要控制缝端断裂能以防止缝延伸。上游缝需设止水及缝内排水以防水压劈裂作用。作用：短缝的长度和形状，改变有效传力断面，可以改变水压作用下主应力的传力方向，达到释放应力的效果。上游坝肩人工短缝使坝肩上游部位的拉力区转移到内部缝端，用折缝将缝端转入低应力区，也减少缝和内部主拉应力方向的交角，以消减缝端断裂能，在缝端区埋设抗裂能力高的材料，以增大韧性，阻止裂缝发展。实测效果：溪柄实测应变<37μm，人工缝保持稳定混凝土变形砼体积变形温度变形（收缩）干缩自生体积变形（自收缩）徐变碳化收缩温度变形混凝土温度变化过程的三要素：入仓温度Tj(placingtemperature)—可降低水化热温升Tr(adiabatictemperaturerise)—可降低稳定温度Td(finalannualtemperature)—受自然条件制约，难以控制。混凝土温度变化过程曲线图考考你：1、混凝土开裂是在升温开裂？2、Tj=Td时，混凝土内是否有温度应力?TtTjTdTr温度变形量测技术温度变形量测：温度、线膨胀系数传统采用温度传感器最新温度量测技术：分布式光纤温度传感器Raman散射光：Stokes光Anti-Stokes光分布式光纤温度传感器优点：1、单根光缆长度可达20km2、每25cm为一个温度感应单元3、铺设简单，施工干扰小石门子碾压混凝土拱坝实例干缩定义：垒混凝土粒在未饱科和空气趴中因水晓分散失怨而引起负体积减夺小的变牙形。引娘起表面英开裂的蛛主要原宋因。其大小灭主要与直水灰比失、环境归温度与率相对湿涛度、水塌泥品种丹、混合凉材品种桶及掺量臭、骨料颠品种及榆掺量、孟外加剂殊种类与彩含量、魄养护温渡度、龄响期、结熟构特征锋及碳化置作用等尝因素有怜关。干缩的陶大小一命般在2胶00～雁100款0微应允变范围白内常规量测匪方法：弓餐形测微器浆、水平或娘立式千分具表测长仪秆、显微镜从式比长仪温湿耦秩合效应朱伯芳竟院士2底004享年3月塑发表在闲《水利救发电》缸的文章崭《加强追混凝土惩坝面保具护尽快梁结束“尝无坝不洞裂”的核历史》50-芽60年旺代引起您全国性调停工。清华大恐学刘光箱廷教授旬200泪0年在德新疆石田门子碾呈压混凝轿土拱坝菜中提出保温保每湿概念，继索而研究温湿耦合棉效应芬兰VAIS候ALA公司生产赌的指示器(HMI耕41)及温湿度抖探头(HMP它42)误差在3征％以内，猫国内5％碳化收越缩碳化收缩翻指大气中眉的二氧化扒碳在有水差分条件下记与已水化顶的水化物盛（实际介惯质是碳酸勉）发生化厌学反应产妥生的收缩芝变形。碳化速度庭取决于混铃凝土的含罩水量和周稍围介质的鞋相对湿度准以及二氧牛化碳的浓洞度。随水典灰比的加特大碳化深责度增加；俗二氧化碳墙浓度越大辅碳化速度坦越快；碳世化作用只煎在适中的衔湿度（越50%）才会较遵快地进行量。徐变（loa忍d、t痒ime冶）定义：持续荷测载作用未下变形站随时间郑不断发或展的变依形。意义：混凝土徐变变形吴一般比瞬他时弹性变罩形大1~夜3倍试验研究击的困难：1、C（t鉴，T）困～t，变形很权小；2、长时间竖保持荷酿载或位名移的恒理定3、难糊以和干应缩、温逢度变形辫分离4、影佛响徐变补的因素立很多（原材料嘱配合比疑、环境篮相对湿筹度、周拆围温度笋、结构耻尺寸加姻荷龄期鹅、加荷场应力比为、持荷闲时间）弹簧式弹簧式北是先通搜过用油压千塞斤顶施加压力周。使试件因和弹簧同刑时受力，宁再利用锁奔紧螺母固诵定顶部压部板，靠压皂缩弹簧获集得稳定的插荷载，荷混载大小要热用测力计或装在钉千斤顶奖上的油压表等工具宪测定。忙实验开厨始时要架调整各选个方向艰的弹簧振，从而锐达到均石匀加载桥的目的允。实验劈燕过程中观还要不暴断地检陡查荷载眠，以防悼止应力始松弛，挥这一过毫程非常抵繁重。注：我国的水看电、交通先和建筑部梯门基本上复都采用弹季簧式徐变拳仪。弹簧式1－试件；2－弹簧；3－压板；4－锁紧弹簧式单轴徐变仪2314混凝土床双轴徐趁变试验苗机为长茂春试验蒜机研究论所与清环华大学蜓水利系删共同设于计，并妖由前者岭开发制犁造出来利的。该印机器由主机、电迹控箱和计算机控路制处理系皆统三大部分霸组成。自行研制趣的双轴徐霸变仪自行研汗制的双衫轴徐变阻仪图2-1徐变试验机主机图2-2徐变试验机电控箱自行研盖制的双庭轴徐变断仪_技术指标1)加载方宾式：采摊用机电妥伺服机沸构提供孤垂直与袋水平方括向的荷告载；2)加载能普力：垂帅直方向著为500KN（压）,价水平方或向为300KN（压）；3)荷载测量巨方式及精银度：采用任轮幅式测俭力传感器引测量；精古度为1％示值驶；4)加载速唯率：在2KN/智Min霞~20嫁0KN谋/Mi劣n之间连续症可调；自行研制拍的双轴徐饲变仪5)变形换测量方式狸：采用差谣动式位移贤传感器测丧量；6)变形测量斤范围及精杆度：变形或测量范围兴为1mm，精度为0.5%F.S，分辨率达翻到0.1um；7)试验机控抵制和数据爪处理：计以算机控制盆、处理、材打印；8)试样尺机寸：100100100mm或200200400mm；9)外形尺做寸：主眠机为2100×100谨0×2750mm（宽×厚些×高）张；电控膨箱为600×600×160渴0mm（宽×厚×美高）。垂直变形测量单元垂直变形传感器水平变形传感器垂直变形测量单元计算机打印机实验控制单元垂直伺服电机水平伺服电机垂直伺服控制器水平伺服控制器加载丝杠垂直、水平测力单元垂直力传感器垂直水平力传感器水平自行研得制的双叔轴徐变例仪—控制图42136578910121116151413

1－导向杆；2－上横梁；3－垂直力传感器；4－支撑丝杠；5－水平伺服电机；6－谐波减速器；7－球形压头；8－滚柱9－试件；10－水平力传感器；11－滚珠丝杠；12－滚动导轨13－谐波减速器；14－伺服电机；15－滚珠丝杠；16－涡轮升降机CSS蜡－28运3混凝土双冠轴徐变仪姨主机结构什示意图温度控典制实验室温度变化曲线配备了三饶台Mcw娇ay冷暖空恐调20±榨0.5℃湿度控制试件在放委入徐变实浊验室之前罢都用清漆涂抹顽表面，以减弱溜和周围环瓦境之间的慌湿度扩散佛。另外在岭实验过程怠中，用亚欢都加湿器崭厂生产的TH-4借/QD加湿器控制湿忆度，它币由置于笼实验室来中间的讨湿度传众感器控乏制，以税保持房岗间内的孝湿度恒执定。实溪验室中便湿度控劫制在±50％相对放湿度。荷载的袍长期稳隔定性图2-4荷载、时间变化曲线实验结果1－实测弓单轴应变A12－实测双轴赔徐变A23－按照叠加险原理得到析的双轴徐舱变14天膀龄期长烟方体试喝件混凝占土徐变昆曲线实验结果1－实机测单轴滋徐变A32－按照叠加串原理得到溉的双轴徐嘱变3－实测继双轴徐变A460天龄染期长方体波混凝土试传件徐变曲杀线自生体积室变形（简胡称自变）定义：混凝土在童恒温绝湿拴条件下，素仅仅由于蒸胶凝材料朵的水化作器用引起的哀体积变形理称为自生俘体积变形纷。它不包源括混凝土驴受外荷载劝、温度、割湿度和碱-活性骨间料影响雁所引起类的体积诸变形。试验研究删的困难：1、C（t招，T）评～t，变形很晃小；2、难马以和干涂缩、温碗度变形虹分离4、影响激自变的因乏素很多自变的河研究现悔状1、5及0多年运前H.E速.Da俭vis就提出印了自生胆体积变逐形的概腔念。他测的罗自变（列水灰比苦大）：50～幸100微应变干缩：200绵～10惜00微应变A、和干缩(俊约)比免小一个数桨量级；B、实际测童量的干获缩中包串含了自益变。自变的竟研究一党直没有加得到重炕视。自变的研组究现状2、80榴年代人们肺发现过去奶对自生体蠢积变形的跨测定由于不能真宋正保持而试件保吴持绝湿奸状态（往往彩是密封物不好）代，造成猫试验测逝量数据缴不准确是。3、发现左水泥品种哑不同自生漠体积变形宜并不是以旨前认为的芒只收缩不方膨胀，而拜是有胀有缩，变形贿有大有为小。4、出于进对大坝混炉凝土温降敬产生的收耻缩裂缝的与控制的考坚虑，微膨胀混缺凝土开始受到扬人们的关凉注。自变的枕研究现鹊状5、9楚0年代E.Ta订zawa等研究发睛现，随水走灰比的减夕小砂浆和胡混凝土的猜自生体积押变形反而宾增大，这筋和干燥收惭缩不同（竭干缩随水依灰比减小邀而减小）昏，并且当利水灰比降市至0.2蚁时发现混新凝土试件检3个月的氧自生体积在变形达到400个仰微应变。从此混留凝土的疑自生体告积变形臣的研究独开始受贴到广泛热的关注贪，并进萝行了广裕泛深入哭的研究歉。自变的椅测定—犁—注意圣事项（1）在搅整个测试讽过程中系忆统的密封状帽况要良孩好，即必世须保证存试件在邮整个测诉试过程险中保持狮恒重，贵不允许尼有透气稍透水现欺象，以伪前由于云试件密甲封方法件不良造弓成试验顿失败或许测量数益值不准邻确的很怎多；（2）三由于自我生体积杀变形在吃早期产愿生的变采化较大撇，要求仆在早期就弹模很杀低时（授初凝）肢就开始宪测定，慢所以对警测定仪树器的精度要求忌较高（微米吓量级）无；（3）非考虑到沃温度引繁起的变拉形很大泉，测量导方法一显定要包桶含测量觉试件内海部的温往度以及插线膨胀线系数，驳在试验治结果中扣除温度弓的影响。自变的测况定方法应变计睡法千分表法高精度丙的位移头传感器我国水齐工自变采用差动熟式电阻应恼变计（长粮度100～250毫米，DI-我10型或DI-2根5型）和水损工比例电似桥测量，姨预埋在试菊件内，用距引线和仪荷表连接读蛇取变形。自变的量盈测—应变计法1——悉白铁皮填筒；2——橡筒胶皮筒狱；3——塑料答袋；4——试件禾；5——明应变计；6——锡焊缝；7——密尾封膏；8——电缆部；电阻应艺变计法凉混凝土禾自生体贞积变形论的测量租装置优点：密封性好稼，仪器性汤能可靠，障测读方便叮，受外界驴干扰因素晃少缺点：早期混凝恒土的自变贸不能准确伤测量。一次性扭使用，孩消耗较凯大电阻应变粒计对于温蚀度而言它庙有滞后的仰现象。研究表氧明：相活同的温均度补偿猪系数对四不同的嚷温度计麻算出的晶自变值翻影响很伴大，最喜多可相竞差30者～40多微应变此。自变的量茧测—应变计法自变的量宾测—千分表法浇筑时璃在试样晚两侧预晓埋器件春，再用泼千分表妇等仪器差测量该屡两个预芒埋件之盆间的变毒形。确保预埋鸟器件和混应凝土之间译粘结，测量精科度比较甩低。目前在土溪建、交通殃等领域还匀在广泛使彼用1—混拌凝土2—密封损板3—混艺凝土测译头4—千益分表架5—支移架立柱6—橡赠胶垫7—千分侧表8—铜热俭电阻9—紧固店螺丝10—特讽富纶垫板11—有勺机玻璃衬反板12—高灭度调节螺云丝千分表拘法的测凝量装置自变的量立测—千分表杏法优点：1、可台以测定叼初凝后降的自生聋体积变桑形2、投资初小3、降低淋了试模对哪混凝土收真缩的约束祥作用等缺点1、测量瞧精度比较陡低2、无教温度补闪偿3、受酷试件尺唱寸的影循响大自变的献量测—高精度贞位移计读法包括高精打度位移计教、固定支底架、混凝蛛土密封模袍具桶以及绿测温设备户四部分高精度位相移计指标骡：精度可禾达0.炊1微米传感器晕对静电帮感应和箭电磁场姻，具有私较强的丹抗干扰筝能力温度敏感化性差：差动变压雅器的温度陵系数：-0.0挺1%/℃～-0.0罢5%/℃测量范围斯大：-1山0～70店℃自变的赌量测—高精度刚位移计爷法固定支架膨主要有底游板、立柱朴、可调悬饭臂杆、内友套和外套歇组成可实现摇粗调和劫微调使省仪表调喷零。密封模具变桶用镀锌铁驴皮材料制逼作。直径枯160mm,高度33胳0mm，并用塑兵料布、螺黄油和蚀2mm厚橡皮梨贴于铁贸桶内壁棕。测温设稀备（内归部测温异和外部味测温）内部测皮温设备在采用北浅京东华腰自动化鼓仪表厂宜生产的XJY壶-01眠62智能巡涛检仪，拥可以同头时测1姑6个点蚁的温度巩；外部励测温设脊备采用布北京师瞎范大学鲜司南仪秘器厂生踏产的数宴字温度姿计1—石英带棒2—玻璃锁管3—橡俯胶指套4—密棚封桶壁5—橡辞胶皮6—黄轰油7—塑料糕薄膜8—混凝歇土9—密封灿盖10—坊热电阻密封桶(左)和测温桶(右)特点：1）传感器饮测量精穿度高，墙可达0.1微米量纲级，较千分启表精度高供出10倍；2）由于传茅感器是通吵过玻璃板桐和石英棒腹测量的，柴所以测量坛不受混凝借土强度的山影响，可矮以实现浇注成苍型后立脱即进行对自焦生体积变拆形的测量旅；3）固定支垮架中的可模调悬