混凝土裂缝问题漫谈.ppt

1,混凝土早期裂缝问题,中国建材研究院 王玲,2,目前混凝土工程耐久性现状,土木工程中的新挑战,3,土木工程中的经济问题,4,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。,国家“九五”“十五”科技攻关项目 重点工程混凝土安全性的研究 新型高性能混凝土耐久性的研究的应用 批准部委：国家计委、国家科技部 组织部门：中国建材院 承担单位：中国建材研院、中国水利水电科学研究院、南京化工大学、武汉理工大学、 北京科技大学、中国建研院、同济大学、苏州混凝土水泥制品研究院、清华大学等,6,针对影响混凝土耐久性问题进行了全面系统的研究： 混凝土抗碱-集料反应性研究 碱-集料反应判定方法、我国部分地区碱-集料分布图、抑制碱-集料反应材料 混凝土耐久性的研究 混凝土抗冻性、钢筋锈蚀、耐化学腐蚀、裂缝检测与修补 高性能混凝土与混凝土安全性专家系统 新型胶凝材料、高性能混凝土、混凝土安全性专家系统,7,混凝土裂缝分类、原因,8,混凝土开裂的一般原因 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。,9,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，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。 所以一旦出现裂缝，就要分析其原因并采取适当的补救措施。,10, 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tu时才出现裂缝 硬化后的混凝土极限拉应变tu 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。,11,裂缝断面较为光滑，两裂缝不能完全闭合,裂缝断面则呈不规则较为锋锐状态，两断面可以闭合,12,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,13,变形裂缝和荷载裂缝 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； 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； 裂缝的存在会给腐蚀介质的侵入留下一条通道，对混凝土的耐久性能造成一定程度的影响。,14,温度裂缝 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。,15,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左右。,16,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。,17,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。,18,因混凝土材料原因产生的裂缝 -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。,19,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,20,钢筋锈蚀产生的裂缝,21,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，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。,22,冻融循环产生的裂缝,23,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,24,25,26,27,-塑性沉降裂缝：混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水，下沉量约为浇筑高度的1%。当下沉受到钢筋或周围混凝土的约束也会产生裂缝； -塑性收缩裂缝：混凝土硬化之前产生的收缩； -混凝土的早期收缩开裂：（自收缩、干缩等的组合）。,28,高强高性能混凝土塑性收缩的研究,29,混凝土塑性收缩裂缝成因,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。,30,高强HPC塑性收缩的板状开裂试验装置 影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究 （1）养护方法 （2）水胶比 （3）水泥用量和胶凝材料总量 （4）掺合料品种 （5）温度和湿度 工程中预防塑性收缩的措施,31,高强HPC塑性收缩的板状开裂试验装置,试验模拟混凝土在四边全约束状态下的早期开裂情况。 600mm600mm63mm的钢制方形模具。 每边分别装配11个10100mm的细钢柱起约束作用。,32,风速试验和控制,电风扇向混凝土表面吹风。 用测速仪控制混凝土表面的风速为2.2m/s,33,塑性 收缩 裂缝 照片,34,板状开裂装置,框架刚度为400106N/m2,35,塑性收缩试验参数,裂缝的初裂时间（开始出现裂缝的时间） 裂缝尺寸（终凝时的最大裂缝宽度和最长裂缝长度） 裂缝数量（终凝时的裂缝总条数以及长度在5cm以上裂缝的条数）,36,影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究,(1) 养护方法的影响,37,配合比完全相同的混凝土成型后，3号表面风速为2.2 m/s；4号表面用塑料薄膜覆盖，使风速为0。在24小时的观察期内，4号表面未发现裂缝的生成和扩展。 在表面积比较大的混凝土工程施工时可以采用塑料布封闭养护的方法。,38,影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究,(2)水胶比的影响,39,对塑性阶段裂缝发展的观察发现，较低的水灰比下，混凝土中最初出现裂缝的时间也稍微提前，裂缝最大宽度增加，长度5cm以上的裂缝变多，总数量较多。即降低水胶比，增加了塑性收缩开裂的可能性。,40,影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究,(3) 水泥用量和胶凝材料总量的影响,41,结果表明，增加胶凝材料用量，塑性裂缝的总数量增加，长度5cm以上的裂缝数量也有所增加。,42,影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究,(4) 掺合料品种的影响,43,44,华能I级FA能够明显减少混凝土（9号）中塑性收缩开裂；600m2/kg矿渣混凝土（11号）的塑性收缩大于400m2/kg矿渣混凝土（10号）的塑性收缩。 14号混凝土的表面粗糙，长度在5cm以上的裂缝为9条，这说明掺加硅灰后，混凝土的塑性收缩开裂趋势增加；13号混凝土中宽而长的裂纹数量比12号混凝土中的多，5cm以上的6条，这也说明矿渣细度提高，混凝土的塑性收缩开裂增加。,45,影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究,(5) 温度和湿度的影响,46,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。,47,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。,48,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,49,（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，保湿养护和洒水养护。,工程中预防塑性收缩的措施,50,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。,51,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。,52,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，尽可能不用矿渣水泥以利于降低泌水量。,53,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。,54,高强混凝土早期收缩开裂的研究,55,高强混凝土的研究现状 试验方法 试验结果及分析,高强混凝土收缩开裂的研究,56,高强混凝土的研究现状,定义（C50） 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 研究现状 配制技术、工作性、耐久性 体积稳定性中的各种收缩性能,高强混凝土的研究现状,57,1。测长法 （GBJ82-85）标准中的混凝土干燥收缩试验方法 圆环同步法：与圆环试验同时进行的混凝土自由收缩试验方法,试验方法,58,非接触式微位移传感收缩仪,从成型浇注6h（初凝）后开始分别测量各混凝土在完全密封（ 202）和成型面置于干燥条件下（202，湿度505%）的收缩情况。,59,早期收缩,水灰比越小，混凝土早期自收缩显著增大。,不同水灰比混凝土早期自收缩,60,不同水灰比混凝土自收缩占总收缩的比例,可见随着水灰比的降低，混凝土自收缩占干燥条件下总收缩值的比例明显增大，3d时各混凝土自收缩占总收缩的比例可达4358%。,61,表面处于干燥环境中不同硅灰掺量混凝土的早期收缩,处于干燥条件下的硅灰混凝土早期收缩明显大于基准混凝土。,62,掺优质粉煤灰对混凝土早期自收缩的影响,混凝土早期自收缩值随粉煤灰掺量的增加而降低很多。,63,表面处于干燥环境中不同粉煤灰掺量混凝土的早期收缩,处于干燥条件下的粉煤灰混凝土的早期收缩略低于基准混凝土。,64,试验方法,2。圆环试验方法 装置示意图及真实的图片,试验方法,65,圆环法试验装置,特点： 提供的约束较高，且均匀。 可直接评价混凝土的收缩开裂趋势 评价指标： 混凝土环的初裂时间和最大裂纹宽度,试验方法,66,混凝土圆环的图片,试验方法,67,混凝土圆环的图片,试验方法,68,特点： 提供的约束较高，且均匀。 可直接评价混凝土的收缩开裂趋势 评价指标： 混凝土环的初裂时间和最大裂纹宽度,混凝土圆环法的特点,69,目前，对混凝土收缩裂缝的评价大都是建立在手工测定裂缝长度和宽度的基础上，这种方法存在人员主观性较强、精度较差、效率较低等缺陷。随着计算机图像分析技术的发展，它已经开始渗入到水泥基材料裂缝的定量评价中。东南大学用Delphi语言自行编制了裂缝处理软件，其主要用于裂缝的处理和面积计算。,70,图像分析法内容,图像采集：染色法对试样表面进行预处理，使用数码相机采集数据。当裂缝信息相对明显时，可直接用数码相机进行图片拍摄。 图像处理：对非裂缝信息与类裂缝信息进行处理 图像分析：以某些指标（如裂缝面积）来定量评价砂浆（混凝土）的抗裂能力。,71,非裂缝信息去除后的图像,72,圆环法和与圆环同步的自由收缩试验方法 能较好地评价混凝土的收缩性能。,结论:,73,高强混凝土收缩开裂的研究,试验结果及分析,74,混凝土配合比,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,75,圆环试验结果,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,高强混凝土环的初裂时间早，各龄期最大裂纹宽度大， 收缩开裂趋势明显大于普通混凝土。,76,收缩试验结果,标准法,圆环同步法,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,试验结果及分析,77,弹性模量（3d）,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,高强混凝土早期弹性模量大于普通混凝土,78,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,抗压强度,高强混凝土的早期抗压强度明显大于普通混凝土,79,3天龄期开始加荷的徐变试验结果,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,比徐变：,80,孔结构分析,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,孔结构统计数据,81,小 结,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 收缩开裂影响因素的分析模型,试验结果及分析,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,82,高强混凝土与普通混凝土收缩开裂的对比研究,试验结果及分析,高强混凝土收缩开裂影响因素的分析模型,83,高强砼收缩开裂影响因素的研究,水胶比 矿物掺合料 磨细矿渣 粉煤灰 硅灰,试验结果及分析,84,圆环法及其同步的收缩试验结果,试验结果及分析,水胶比对高强砼收缩开裂的影响,水胶比低的高强混凝土，总收缩大；混凝土环的初裂时间早，各龄期最大裂纹宽度大。因此，降低水胶比增大了高强混凝土的收缩开裂趋势。,85,磨细矿渣对砂浆收缩性能的影响,试验结果及分析,磨细矿渣对高强砼收缩开裂的影响,磨细矿渣能明显降低砂浆的收缩性能,86,比表面积400m2/kg矿渣,试验结果及分析,磨细矿渣对高强砼收缩开裂的影响,比表面积400m2/kg的磨细矿渣使高强混凝土的收缩开裂趋势略有增加。,87,比表面积800m2/kg矿渣,试验结果及分析,磨细矿渣对高强砼收缩开裂的影响,比表面积800m2/kg的磨细矿渣使高强混凝土的收缩开裂趋势明显增加。,88,磨细矿渣影响小结,试验结果及分析,磨细矿渣对高强砼收缩开裂的影响,与基准混凝土相比，磨细矿渣高强混凝土： 早期收缩无明显的差别 早期弹性模量偏高 徐变对应力的松弛能力小 收缩开裂趋势大，其中，矿渣的细度愈大，表现愈明显,89,粉煤灰对砂浆收缩性能的影响,试验结果及分析,粉煤灰对高强砼收缩开裂的影响,随着粉煤灰掺量的增加，砂浆的收缩明显降低。,90,圆环试验及其同步的自由收缩试验结果,试验结果及分析,粉煤灰对高强砼收缩开裂的影响,粉煤灰明显降低了高强混凝土的收缩，混凝土环的初裂时间明显延迟，各龄期最大裂纹宽度小于基准混凝土。,91,SEM分析,试验结果及分析,粉煤灰对高强砼收缩开裂的影响,水泥石（3天）,混凝土（3天）,92,孔结构分析,试验结果及分析,粉煤灰对高强砼收缩开裂的影响,粉煤灰高强混凝土3天龄期孔结构统计数据,93,粉煤灰影响小结,试验结果及分析,粉煤灰对高强砼收缩开裂的影响,与基准高强混凝土相比，粉煤灰高强混凝土： 早期总收缩明显降低 弹性模量相当 徐变对应力的松弛能力小 粉煤灰高强混凝土的收缩开裂趋势小,94,圆环试验及其同步的收缩试验结果,试验结果及分析,硅灰对高强砼收缩开裂的影响,早期收缩增大，后期收缩有降低的趋势。 初裂时间早，各龄期最大裂纹宽度大。,95,孔结构分析,试验结果及分析,硅灰对高强砼收缩开裂的影响,硅灰高强混凝土孔结构统计数据,96,硅灰影响小结,试验结果及分析,硅灰对高强砼收缩开裂的影响,与基准高强混凝土相比，硅灰高强混凝土： 早期微结构致密 早期总收缩大 弹性模量高 硅灰使高强混凝土的收缩开裂趋势明显增加,97,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