1、会计学1混凝土的开裂与裂缝控制混凝土的开裂与裂缝控制第1页/共158页拌合物坍落度的变化50年代 干硬、插捣 02 cm60年代 干硬、插捣与低频振捣 24 cm70年代 塑性、低频振捣 59 cm 80年代 泵送、流态、高频振捣 1020 cm90年代 泵送、自密实 1625 cm原因一 混凝土拌合物沉降与泌水第2页/共158页沉降与泌水 20世纪70年代，曾任日本混凝土学会主席的樋口芳郎做了一个试验：他将坍落度为8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地发现在粗骨料下方普遍形成水囊；混凝土硬化后抗弯拉强度明显下降。第3页/共158页骨料水可见泌水内泌水第4页/共158页钢筋沉降裂缝水囊混凝
2、土表面第5页/共158页混凝土沉降形成的缝隙钢筋混凝土第6页/共158页第7页/共158页第8页/共158页1）塑性收缩 指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生的收缩。特点是当表面水分向外蒸发时引起局部产生应力，因此当蒸发速率大于泌水速率时，会发生局部的塑性收缩开裂。低水灰比（水胶比）混凝土拌合物体内自由水少，矿物细粉和水化生成物又迅速填充毛细孔，阻碍泌水上升，因此表面更易于出现塑性收缩开裂。第9页/共158页混凝土表面第10页/共158页泌水速率 蒸发速率开裂混凝土表面第11页/共158页潮湿、干燥与风速(2.5m/s)对收缩的影响不同参数影响的差异（摘自“减小早期收缩的方法”混凝土的收缩200
3、0)第12页/共158页干缩随风速增加而明显增大第13页/共158页相对湿度对干缩的影响(2.5m/s风速;20)第14页/共158页气温对收缩的影响(2.5m/s风速；RH40)第15页/共158页影响蒸发速率的因素1）气温；2）混凝土体温；3）相对湿度；4）风速；5）太阳辐射热；以上任意两个因素的组合都属于热天混凝土浇注(Hot Weather Concreting)。第16页/共158页 设风速 16km/hr；气温与混凝土温差5.6第17页/共158页塑性收缩裂缝第18页/共158页第19页/共158页第20页/共158页Richard W.Burrows.The Visible an
4、d Invisible Cracking of Concrete.ACI monograph No:11,1999.第21页/共158页Richard W.Burrows.The Visible and Invisible Cracking of Concrete.ACI monograph No:11,1999.第22页/共158页第23页/共158页第24页/共158页3）温度变形（热变形）混凝土硬化期间由于水化放热产生温升而膨胀，到达温峰后降温时产生收缩变形。升温期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力，且因徐变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模增长，而松弛作用减小，受约束时形成大得多的拉
5、应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现开裂。第25页/共158页第26页/共158页图3-46 硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升水化热的影响混凝土温度随水泥用量增加而上升第27页/共158页图3-47 混凝土浇注厚度对温升的影响（浇注温度20C，水泥用量400kg/m3）混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧2.0m2.5m结构断面尺寸非常大第28页/共158页第29页/共158页 混凝土因为收缩引起开裂，尤其是大体积混凝土因水泥水化放热产生的温升会引起开裂的问题，在20世纪初就为工程界所认识。第30页/共158页 自20世纪初起，为了减小水化放热产生的影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又开发
6、出低热水泥。利用加大粗骨料粒径、非常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注层高和管道冷却等措施，进一步获得了降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。Thermal Cracking in Concrete at Early Ages E&FN SPON(1994)第31页/共158页第32页/共158页 近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂的现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了。水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。Thermal Cracking in Concrete at Early Ages.E&FN SPO
7、N 1994.第33页/共158页 4）自生变形 混凝土在没有温度变化，没有和外界发生水分交换，也不受力的条件下发生的表观体积变形称自生变形，自生变形时体积减小称自生收缩。混凝土发生自生变形的原因，是由于化学减缩水泥（及掺合料）和水发生水化反应绝对体积减小的现象。第34页/共158页龄期体积减缩初凝时的化学收缩 初凝 终凝自生收缩 化学收缩水化产生的孔隙化学收缩与自生收缩之间的关系第35页/共158页自生收缩与干燥收缩的比较 自生收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度
8、降低，体积减小。第36页/共158页 当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自生收缩加大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自生收缩与干缩值两者接近；当水灰比为0.17时，则混凝土只有自生收缩而不发生干缩了。自生收缩与干燥收缩的关系第37页/共158页自生收缩与干燥收缩的异同点相同点：均由于水的迁移所引起；不同点：1）自缩不失重；2）自缩各向同性地发生，干缩由表及里 地发生；3）水灰比降低时，干缩减小，自缩增大；4）覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而自 缩必须通过湿养护(供水）减小或消除第38
9、页/共158页影响自生收缩的因素 水泥品种低热水泥中热水泥 摘自Work of JCI committee on Autogenous Shrinkage.Shrinkage of Concrete.2000第39页/共158页磨细矿渣比表面积的影响 矿物掺合料第40页/共158页磨细矿渣掺量对自生收缩的影响第41页/共158页粉煤灰掺量对自生收缩的影响第42页/共158页 水灰比 对水泥浆自生收缩值的影响第43页/共158页水灰比对混凝土自生收缩值的影响第44页/共158页 温度的影响第45页/共158页将净浆试件浸在水中，试验水养护抑制自生收缩的结果表明：尺寸影响十分显著。W/C=0.30
10、第46页/共158页试件尺寸对水泥浆在水中长度变化的影响（W/C0.30)第47页/共158页膨胀剂对水泥浆自生收缩的影响（W/C0.30)Ei-ichi Tazawa.et al.Work of JCI Committee on Autogenous Shrinkage.Shrinkage of Concrete.Shrinkage 2000.RILEM.第48页/共158页 收缩应变大小只是导致混凝土开裂的一方面原因，另一方面还有混凝土的延伸性：弹性模量 弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；徐变 徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料
11、开裂的危险越小。原因三 混凝土的延伸性第49页/共158页徐变Gerald Pickett(1942年）说过：“在大多数情况下，如果不是因为徐变，混凝土会严重地开裂。”Neville(1959年）断定：徐变通常与强度相反强度越高，徐变就越小。水泥浆体强度越低，徐变能力越大。第50页/共158页 西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌（1996年）。第51页/共158页(d)(C)(b)应力t=0加载(a)时间时间时间时间卸载应力应变应变粘弹性材料在一定应力作用下的徐变粘弹性材料在一定应变作用下的
12、应力松弛应力应变应变应力第52页/共158页 徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达3050%，减小混凝土的徐变，对这样一些结构物是有益的。但是另一方面，徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，可以降低应力峰值，从这个角度来说：徐变较大的混凝土又有有利的一面。徐变的作用第53页/共158页无松弛作用时出现开裂混凝土的抗拉强度开裂延迟应力松弛后的实际应力应力松弛时间收缩应变受约束时产生的弹性拉应力收缩与徐变对混凝土开裂的影响第54页/共158页环境相对湿度的影响第55页/共158页总应变时间干
13、缩基本徐变干燥徐变60%湿度、不加载100%湿度、加载60%湿度、加载徐变应变干缩第56页/共158页温度对徐变的影响第57页/共158页第58页/共158页第59页/共158页第60页/共158页 早期强度发展快的混凝土，抗拉强度虽然随抗压强度发展加快而加快，但相对幅度较小，而其弹性模量迅速增大，徐变松弛作用则很快减小，综合效果是其延伸性明显地变差。因此，现今使用高活性水泥、水灰比较低，早期强度发展快的混凝土，其自生收缩、温度收缩产生的弹性拉应力易于超过抗拉强度，很快出现开裂。高早强混凝土的开裂第61页/共158页第62页/共158页第63页/共158页约束、环境条件影响原因四：约束第64页
14、/共158页路面板收缩受底部基层强烈的连续约束柱梁收缩受端部约束梁结构混凝土约束第65页/共158页重庆无渣轨道底板混凝土凿毛误区3：新老混凝土的粘结第66页/共158页尺 寸浇注混凝土相邻结构放 热尺 寸刚 度温 度水泥品种水泥用量外加剂配合比浇注顺序浇注速率施工缝（长度）初温（Tc)冷却环 境气 温湿 度模板隔热温度发展不均匀成熟度力学性能强 度弹 性徐 变温度膨胀温度收缩断裂力学成熟度发展约 束力学模型温度应力开裂风险开裂？各种方法相互影响的多因素决定混凝土温度应力和早期开裂示意图第67页/共158页第68页/共158页Biansa Baetens,et al.Computer Simu
15、lation for Concrete Temperature Control.Concrete International.Dec,2002第69页/共158页Biansa Baetens,et al.Computer Simulation for Concrete Temperature Control.Concrete International.Dec,2002第70页/共158页周元德、陈观福、尹显俊、张楚汉；用工程类比分析法研究高拱坝坝踵开裂稳定性，水力发电学报，2002年第1期(专刊)；第71页/共158页奥地利Kolnbrein 拱坝第72页/共158页奥地利Kolnbrein
16、 拱坝第73页/共158页一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1.侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2.荷载作用（循环荷载、冲击荷载）由于微裂缝和孔隙连通并延伸到表面，不透水性逐渐丧失环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）水的渗入O2、CO2渗入酸性离子（Cl-,SO4-)渗入A：以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀B：混凝土强度与刚度降低开裂、剥落与整体性丧失混凝土劣化的“整体性”模型第74页/共158页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
17、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。第75页/共158页第76页/共158页第77页/共158页02040608010012014016020222426283032343638粉煤灰 掺量 对 水 化温度 的 影响 J F10 F20 F30 F40 F50温 度（OC）小 时 （h）第78页/共158页粉煤灰掺量对水化绝对温升和温峰出现时间的影响0246810121416180246810121416绝对温升值（）*16.514.212.911.810.17.9温峰出现时间（h）1212.513.314.214.81
18、5.2JF10F 20F 30F 40F 50粉煤灰显著降低温峰、推迟温峰出现时间第79页/共158页02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 001 02 03 04 05 06 07 0粉 煤 灰 掺量 对 水 化热 的 影 响 J F1 0 F2 0 F3 0 F4 0 F5 0水 化 热 （C al/g）时 间 （h）第80页/共158页第81页/共158页第82页/共158页第83页/共158页距美国西部大陆约4000km的太平洋小岛上一座用手工雕凿成美观的大理岩石材建造的庙宇 粉煤灰掺量60%，价格为200吨，水泥价格是$75吨第84页/共158页第85页/共
19、158页第86页/共158页未掺早强防冻剂的大掺量粉煤灰混凝土（50质量比）正在浇注第87页/共158页第88页/共158页温度检测、发送与采集和匹配养护 Temperature measurement,transmit,collection and TMCTt现场试件加热装置电脑发送装置接收装置测温点养护箱转发装置第89页/共158页第90页/共158页第91页/共158页第92页/共158页第93页/共158页第94页/共158页第95页/共158页第96页/共158页第97页/共158页第98页/共158页第99页/共158页第100页/共158页第101页/共158页第102页/共15
20、8页第103页/共158页第104页/共158页第105页/共158页第106页/共158页第107页/共158页第108页/共158页减缩剂对不同强度等级混凝土早期收缩的影响 01020304050020406080100120140160180200early shrinkage/10-6age/h图8减缩剂对不同强度等级混凝土早期收缩的影 响Fig.8 Effects on early shrinkage of SRA for deferent grade concrete C20 C20SRA C30 C30SRA C40 C40SRA第109页/共158页01020304050600
21、50100150200250KJFJJ0AFAKAJJJshrinkage(10-6)time(h)JJJ0AJFJAFKJAK不掺减水剂的混凝土（JJ），48h收缩率只有掺减水剂混凝土（J0）的25%。粉煤灰和矿粉的掺入，在不加减缩剂时，也能适当减小早期收缩，48h时分别为6.2%和11.6%。减缩剂对掺粉煤灰和矿粉混凝土的早期减缩效果同样十分显著，48h时的减缩率达到45%以上。第110页/共158页010203040506070809010011012013005001000150020002500 WMFJ0-0%WMFJ1-0.3%WMFJ2-0.6%WMFJ3-1.2%WMFJ4-
22、1.8%收缩率/10-6龄期/d图10 减缩剂量掺对水泥净浆收缩率的影 响第111页/共158页0204060801000200400600800100012001400 ZS0-0%ZS1-1.2%ZS2-1.8%收缩率/10-6龄期/d图11 减缩剂掺量对砂 浆收缩率的影 响第112页/共158页0510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1000100200300400500600700800 ZC0-0%ZC1-1.2%ZC2-1.8%收缩率/10-6龄期/d第113页/共158页第114页/共158页AA300370
23、270混凝土试件钢环木底板图6-1 受限收缩试件尺寸图mmmmmm140mm第115页/共158页编号1m3混凝土各材料用量（kg）塌 落 度mm 水泥 水 砂 石子 减水剂 减缩剂 膨胀剂JJ1 420 190 716 107400080DJ 420 190 71610747.6500210SJ 420 190 71610747.657.650225UJ 370 190 71610747.65050.4207第116页/共158页051015202530SJ掺减缩剂UJ掺膨胀剂DJ掺减水剂JJ1不掺减水剂时 间/d编 号第117页/共158页编号裂缝状况时间（d）61920294260JJ1
24、裂缝数目012223DJ裂缝数目199121516SJ裂缝数目000122UJ裂缝数目001233第118页/共158页051015202530354045505560650.00.20.40.60.81.0裂缝 宽度(mm)时 间（d）J0 DJ UJ SJ第119页/共158页编号1m3混凝土各材料用量（Kg）塌落度水泥水砂石子减 水剂减缩剂膨胀剂凝结时间J042019071610747.65 0 10:10210AJ42019071610747.657.65 11:40225UJ389.619071610747.6530.410:30207UA389.619071610747.657.6
25、530.411:00220第120页/共158页051015202530354045505560-100-50050100150200250shrinkaget(hour)J0 AJ UJ UA第121页/共158页020406080100050100150200250300350400450500550600650700750D58J58J81D81D90J90收缩/10-6龄期/d第122页/共158页BEAUTY and DURABILITY第123页/共158页第124页/共158页04年7月18日。楼板面积820m2，各施工410m2。气温38，现场温度56。第125页/共158页时
26、 间浇筑后24h测试浇筑后第13d测试位 置B区不掺SRA A区掺SRAB区/A区(%)A 区(不掺SRA)B区(掺SRA)B区/A区(%)裂缝数量（条）1131614.2489357.16单位面积裂缝数量（条/）0.4540.07115.61.9660.1557.88第126页/共158页时 间浇筑后24h测试浇筑后第13d测试位 置A区(不掺SRA)B区(掺SRA)B区/A区(%)A区(不掺SRA)B区(掺SRA)B区/A区(%)裂缝总长度（mm）4814043208.9719364067603.49单位面积裂缝长度（mm/m2）193.519.19.87778.429.93.84第127
27、页/共158页位 置A区(不掺减缩剂)B区（掺减缩剂）B区/A区(%)裂缝总名义面积（mm2）11450033122.89单位面积裂缝名义面积（mm2/m2）460153.26第128页/共158页第129页/共158页第130页/共158页第131页/共158页第132页/共158页增强理论纤维阻裂理论和复合材料理论 n纤维阻裂理论的通俗解说：当混凝土块体内部存在有发生微裂缝的倾向，并且可能向任何方向发展时，这条裂缝在最远不超过块体内纤维平均中心距离的路程就会遇到横亘在它前面的一条纤维。由于这些纤维的存在，使微裂缝发展受阻，只能在混凝土块体内部形成类似于无害孔洞的封闭的空腔或者非常细小的孔。
28、裂缝纤维第133页/共158页第134页/共158页图19 掺聚丙烯纤维对混凝土早期收缩的影响-200-150-100-50050100150200024681012242628385262时间 (h)收缩应变(10-6)XJXA1XA2XA41500g/m3600g/m3900g/m3第135页/共158页编号XJXB1600g/m3XB2900g/m3XA2900g/m3初裂冲击次数n14691113115破坏冲击次数n255100123126试件破坏的冲击韧性w（J）1108201524792539初裂后继续吸收的能量Aw（J）181181202222第136页/共158页第137页/共158页第138页/共158页第139页/共158页第140页/共158页第141页/共158页第142页/共158页第143页/共158页第144页/共158页第145页/共158页第146页/共158页第147页/共158页第148页/共158页第149页/共158页第150页/共158页第151页/共158页第152页/共158页第153页/共158页第154页/共158页第155页/共158页第156页/共158页Liquid nitrogen being used to cool concrete第157页/共158页感谢您的观看。第158页/共158页
