（工程力学专业论文）基于细观力学理论的混凝土早期裂缝形成机理.pdf

ab s t r act abstract c o n c re t e c ra c k h asal w a y s b ee n a fo c uso f a t t e nt i o n ，b uts l u d y one arly c rack i s n otdoneeno u gh ， 0 沮 yw h e nwe g r a s pthe re gul at i o no f e arly c ra c k a n d c a n yo ut c o rres 即nd i n g m e as urem e nt， q ualityo f c o n c rete buil di 吧 wil l besati s 斤 i n g.th i s p ap e ranal y s i sc o n c retee ar l yc ra c kfr o m 1 h r e ea s p e c t s:fo rnnn gm e c h a ll i sm， e ngi n e e ri n gs t a t u s andtheo ry.i t re s e arehe ar lyc r ac kal 而n g atune v en s hr i nka g e . t h e reh ave b e e nb ul l t al o t o f mod e l s o f e arlyc rackaswe al l kno w， n u m eric al te c hni q ue c an o n l yana l y z es p e c i fi cm atte r sw h i 1 eav e rase 一 fi e l d山 e o 卿 o f m e s o m e c h a ll l c s are n otp r e c i s e.m e t hod s b o t have ra g e 一 fi e l dtheo ryandnumenc al te c hniq u e werec o n d u cted i n th i s p ape r f i rst ，i t b u i 1da theo rym o d u l eo f e ar l yc r a c ko nth e b ase o f s e l f- c o n s i stency theo ry， 允 r e c ast macro一 p r o p e rt i e s ， s t r a l nand s t r e s s o f e 即 hp h a s e c anb e g etwith s e l f- c o n s i st e ncy r e s ul t asit s o utsi defo rc e ， i t b u i l d j udg e c r 1 1 e r i o n abo ute arlyc r ac k a p p e arin g onthe b as i s o f m ean 一 fi e l d t h e o ry thec onc re te 、 ， a 名re g a r d e das t h ecom posi te o fc o a r s eaggr e g atesa ll d m o n 肛，a fter c al c ul ating 1 h e r n a i n s t r a i n a n d s 1 r e ss初tha n s ys， c o n 1 p aring t h e re s ult withthe o new h 1 chisc al c ul at edb a s i n g onconcr e 1 e e arly j u d g e c ri t e ri o n . it 、 即 a s s u r e t h a t the j u d g e c ri l e ri on、 ， a s accuracy eno u ghtos atis fi e d c 。 朋t ru c l i o n re q u ire m ent. k ey w o r d s :c o ncr ete e arlyc rack， m e s o mec h ani c s c o ncrete二 n u r n e n c als 而ulation. 鳍g r e g ate g r a d i n g l i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的 地方外，论文中不包含 其他 人已 经发 表或 撰写过的 研究成果， 也 不 包 含为 获 得 南昌大李 或其他 教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ) : 雷福 、1屏 、 签 字 日 二 砷年 子 月， “ 日 学位论文版权使用授权书 本学位论 文作者完全了 解 南昌大学 有关 保留、 使 用 学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本 人授 权南昌大学可以 将学 位论 文的 全部或部 分内 容 编入有 关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 手 写 ， : 禹 碑雨 ， 导师签名 ( 手写) : 签 字 日 期 : 词年 月 店日 签字日期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 1 章 绪论 第一章绪论 1 . 1混凝土工程裂缝t1 t 由于混凝土在技术上具有高强、可塑性好、耐久性长、与钢材粘结力好等 特点，尤其在经济上成本低而被广泛应用于各类建筑工程中。 但混凝土毕竟是 由固体、气体、液体组合而成的非均质复合材料，因而从材料的结构上存在着 抗变形能力差、抗弯抗拉强度低，特别在施工中，当混凝土浇筑成型后短则几 小时，多则1 一 3d 内，易受环境温度、湿度等条件的影响，在混凝土表面或内部 形成裂缝。这些裂缝常常被称作 “ 混凝土早期裂缝” ，往往是造成工程事故的隐 患，而且严重地影响了混凝土的施工质量。混凝土工程技术在不断取得进步的 同时也不可避免地暴露出了一些新问题，其中现代混凝土的早期体积稳定性越 来越差，由此造成的混凝土早期裂缝问 题成为当前工程界巫待解决的问题。 一 些大坝、桥面板在浇筑后冬3 d内就出现了贯穿性裂缝，许多现浇梁、板在刚拆 除模板甚至浇筑后 企1 2 h就出现了不同程度的裂缝。早期裂缝问题在国内外的 工程中都相当普遍。自20世纪90年代以 来，这个问 题越来越受到人们的关注， 国内外学者围绕这一问题展开了大量的学术研究与工程实践。然而，迄今混凝 土的早期裂缝并未得到很好的控制。 1 . 2工程裂 缝的 危害及 形式田 3 (一 一一 一 混凝土裂缝的危害是显而易见的，首先裂缝严重影响了 混凝土的强度等级，特别对于钢筋混凝土的裂缝可以降低混凝土与钢筋的握裹 力， 还能使钢筋产生严重锈蚀，降低使用年限:其次对于有特殊要求的混凝土 如抗渗混凝土等，裂缝是产生渗漏水的主要原因，有的裂缝还会导致建筑物受 到毁坏。 由于造成混凝土裂缝的原因多种多样，因此裂缝形式也不尽相同，裂缝的 形式跟结构的受力状态及变化形式有直接关系，工程中出现的裂缝，从形状上 看大致有纵向的、横向的、 斜向的、对角线的、 x 形的、 八字形的、枣核形、网 第 1 章 绪论 状的;从扩展深度上看，有表面的、贯穿的、外宽内窄的。在现浇混凝土楼板 中经常在板角出 现在4 50裂缝或放射状裂缝， 以及在板面出现十字形裂缝。 常见 裂缝形式及分 布:( 1) 纵向 裂缝: 平 行于构件底面， 顺筋方向 分布，主要由 钢筋锈 蚀作用引起;( 2)横向 裂缝:垂直于构件截面，主要荷载作用、温差作用引起; (3 ) 剪切裂缝: 由于结构构件的竖直或震动位移引起;( 4 ) 少 、 字裂缝: 常见于墙体 表面，主要因地基的不均匀沉降或在温度、湿度作用下的墙体纵向收缩引起的; (5 ) x 形裂缝: 常见于 框架梁、 柱的 端头以及墙面上， 由于瞬间的 撞击作用或者由 于地震荷载作用引起的;( 6)网状裂缝: 常出现在混凝土早期裂缝凝结过程中， 通常为塑性收缩裂缝，成因很多，比如混凝土搅拌或运输时间过长就可能引起 这类裂缝;(7 ) 板角4 5 。 裂缝: 常见于现浇楼板的板角处， 通常认为由纵横两个方 向的收缩导致的。 1 . 3工程裂缝产生的原因5 1 . 3 . 1塑性裂缝 它是由于混凝土浇筑后，表面没有及时覆盖，受到风吹日 晒，表面游离水 分蒸发过快，体积急剧收缩，而此时混凝土早期强度低，不能抵抗这种变形能 力，导致开裂。另外，使用收缩率较大的水泥和使用过量的细砂和粉砂以及水 灰比 过大、模板过于干燥也会导致塑性裂缝。 这种裂缝有两类: 一类是塑性沉降 裂缝，是由于固体颗粒沉降时受到阻碍而产生的:另一类是塑性收缩裂缝，产 生的主要原因是快速千燥，当蒸发速率超过泌水速率时混凝土表面干燥，这是 产生塑性收缩裂缝的基本原因。 1 . 3 . 2温度裂缝 温度裂缝多源于较大温差。特别是大体积混凝土施工，在浇灌后，混凝土 硬化期间放出大量水化热，内部温度不断上升，使混凝土内部和表面温差很大。 当 温度出现非均匀变化时，如施工中过早拆除模板，冬季施工中过早拆除保温 层，或受到寒流袭击，都会导致混凝土表面急剧的温度变化，使其因降温而收 缩。此时，混凝土表面受内 应力的约束，产生很大拉应力，而混凝土早期抗拉 第 1 章 绪论 强度和弹性模量又很低，因 此出 现裂缝。 对梁板而言，当 板受到高温时，梁会 出现裂缝，当梁的伸长率超过板时板就会出现裂缝。 1 . 3 . 3收缩裂缝 ( 1)塑性收缩裂缝 裂缝产生的主要原因是混凝土在塑性状态时，表面水分蒸发过快，产生了 急剧的体积收缩。而蒸发速度与风速、相对湿度、混凝土表面空气温度以及自 身的温度有关。风力大、温度高，水分蒸发速度则快。可归纳为以下几点:1) 混凝土的流态; 2)混凝土本身组成;3)成型振捣条件及温度。 (2 ) 沉降收缩裂缝 裂缝产生的原因是混凝土浇捣后，骨料颗粒沉落，水分上升，受到钢筋或 埋设件或大的粗骨料阻挡，而使混凝土互相分离，或混凝土本身组成材料沉落 不均造成开裂:斜坡上的混凝土由于重力向下流动而开裂;门窗上角由于新浇 混凝土在门窗两侧沉陷较之上部为大，也常引起这类裂缝。 (3 ) 干燥收缩裂缝 裂缝产生的原因，主要是混凝土养护不周，受风吹日晒，表面水分散失过 快，而内部湿度变化小，表面干缩变形受到内部混凝土的约束，产生较大的拉 应力而引起裂缝。此外，构件时干时湿，表面湿度发生剧烈变化，后张预应力 混凝土构件在露天堆放过久不进行张拉，也常出现这类裂缝.另外，采用含泥 量大的粉砂、施工中振捣过度使混凝土表面形成水泥含量较多的砂浆层，也容 易产生干燥收缩裂缝。 1 . 4混 凝土早 期裂缝 控制 存在的主 要问 题团 混凝土早期裂缝之所以一直得不到有效的控制，是与许多因素密切相关的。 诸如对早期裂缝的形成机理缺乏系统的认识，早期影响开裂的因素众多，混凝 土早期性能的不确定性等等。随着混凝土趋于高性能化，新的材料不断出现， 以及人们对结构耐久性的逐渐重视，很多新的问题或者一直被忽视的现象堕待 解决与 研究 ，尤其是涉及混凝土早期性能方面的。因此新的测试方法与 新的评 估模式都有待建立，比如对于混凝土的收缩，现行规范是测成型3d后的干燥收 第 1 章 绪论 缩，而在结构设计中对收缩因素的考虑也是很粗糙，显然不适用于以低水胶比 与掺磨细矿物掺料为特征的高强高性能混凝土。因为研究证实这类混凝土的自 收缩量与 干燥收缩量 相当，甚 至超过后者，且自 收缩毛 要发生在浇筑后1 一 3 d 的 早龄期，可见自 收缩是混凝土早期性能的 1 个重要影响因素。因此对于早期3 d 前的干 燥收缩、自 收缩等问题都应在规范中有所反映，结构设计与 施工中须将 考虑这些“ 新”的因素进去，新的收缩测试方法也有待确立。另外，材料方面 膨胀剂的收缩补偿效能有待重新评估，新型减缩材料比如减缩剂( s ra) 的减缩效 能也需经试验认证。 概括地讲，当前对早期裂缝的控制研究尚存在如下3 方面主要问题: 1 . 4 . 1结构设计方面 混凝土早期裂缝的生成效应主要是温度作用 ( 热胀冷缩) 、湿度作用( 干缩 湿胀等) ，以 及施工临时支撑结构的变形、地基沉降变形等变形作用，而评估这 些变形作用对混凝土开裂效应的分析方法目前还未有系统成熟的理论可 借鉴。 至于荷载作用，在早期主要为施工荷载，由其造成的开裂效应可采用成熟的结 构分析计算方法，施工技术规范和结构设计规范中都有明确的规定。然而，变 形作用引起的开裂效应缺乏这方面的理论规定。此外，由于对早期性能的认识 不足，在结构设计时对收缩、徐变等的估计较为粗糙，容易引起设计缺陷，为 混凝土开裂埋下隐患。 1 . 4 . 2材料性能 与早期裂缝相关的混凝土早期性能主要包括温度、湿度作用、应力松弛与徐 变变形效应。 (l ) 温度作用 温度作用涉及早期混凝土的水化热、环境温度、材料的热工特性。对于早 期温度裂缝的控制主要是对于一些大体积结构。朱伯芳在1 9 76年就对大坝的大 体积混凝土温度裂缝做了详细论述，王铁梦也对工业与民用建筑中的大体积混 凝土裂缝，如基础底板的温度进行了系统研究。国外对温度裂缝的研究也相当 深入， 如比利时学者q d es c h u ti e r 等对硬化过程中混凝土的热作用与 力学行为进 行了深入的试验研究。另外，几le m 于 1989 年专门建立了相应的技术委员会 第 1 章 绪论 tcn g ，研讨预防混凝土早期温度裂缝问题，该委员会还组织了国际研讨会来加 深对这方面的认识。应该说，对于早期温度裂缝的控制成效较为显著，其相关 的理论( 如水化温升模型、温度场理论) 也相对较为成熟。但还有一些尚待深入 认识的性能 ， 如混凝土的热膨胀系数( t h e n n aldil ationc oeffici e ni， 简称t d c)， 这是一个将材料温度变化转化为结构应变的材料参数。目 前结构设计中仅涉及 到成熟混凝土的 t d c ，认为是个常数，通常取10 xlo 书 。 c。但事实上，在早期 硬化过程中，这是个随时间变化极大的变量，直到成熟后才接近常数。但目 前 对早期的t d c研究还相当有限，至今未取得共识，这在一定程度上将影响早期 收缩的准确评估。 (2 ) 收缩作用 混凝土的收缩是造成其变形裂缝的主要因素之一，在早期主要包括塑性收 缩、自收缩、千燥收缩。应该说，对于混凝土早期收缩性能的研究是目前针对 混凝土早期裂缝控制展开的又一个学术热点。然而，由于长期以来对自收缩现 象的忽视，而随着高强、高性能混凝土的发展，这一问题的重要性也逐渐被人 们关注。但是这个问题的认识还有待进一步，特别是从机理上和量测上尚应深 入研究并取得共识。此外，减水剂对混凝土早期收缩的影响也应重新加以评估， 尤其在早期前 3 d的龄期内。由于长期以来，缺乏对混凝土早期前 3d 的收缩量 测的统一方法，因此，针对早期裂缝的频频发生，许多相关的问题有待重新思 考与评估， 确立1 套标准化的早龄期( 初凝后前3 d)收缩测量系统显得尤为迫切。 (3 ) 徐 变变形与 应力 松弛 效应徐变 是对固体材料在固定荷载作用下随时间产生缓慢变形的现象所进行的描 述，而固体材料在固定变形约束下，其内部的应力随时间逐渐变化的现象定义 为应力松弛。对这两者的研究是有效预测荷载与变形作用引起的混凝土约束应 力水平及开裂效应的关键。早期变形作用下( 包括温度变形与收缩变形) 的混凝 土实际内约束应力受徐变效应影响很大，而早期混凝土徐变及应力松弛效应是 个复杂的时程过程，随混凝土水化性能的发展而发展。 通常认为徐变可以松弛 减低早期混凝土内部由于温度和收缩变形引起的拉应力积累，从而缓解裂缝的 产生和发展。然而尚缺乏对这方面的定量研究，理论上也远未达到应用的水平。 国外，b 出 兑 ni对干燥徐变有较为系统的研究，并积累了大量的数据。国内尚缺 乏这方面的数据库积累。当然，徐变问题的研究离不开对早期混凝土弹性模量 的准确认识，早期弹性模量的时程变化也是一个值得深入探究的问题。 第 1 章 绪论 1 . 4 . 3施工养护 施工的好坏在一定程度上可以说是决定混凝土开裂与 否的关键，客观的开 裂因素我们可以在设计与材料的使用上降到最低限度，然而施工这一主观因素 控制的过程做不到位，那么所有的努力都是徒劳的。一些客观的原因造成了目 前施工中存在的诸多问题，在此，作者要强调的是 “ 切实提高对混凝土早期养 护重要性的清晰认识并付诸实施” 。当 然， 这需要科研人员与 工程主管部门的不 懈引导。尽管对早期裂缝的控制存在以上 3方面的问题，但是，这三者不是孤 立的，而是相辅相承，密不可分的。因为对材料性能的系统深入认识有助于为 结构设计提供更完备的基本资料，提高结构设计的准确性与 前瞻性:结构设计 的种种不尽合理的假设与粗糙估计也恰恰为材料性能的进一步研究提供了方 向:而这两者的合理运用为施工过程提供了理论依据与指导，也有待施工过程 的实践证实与问题的发现，从而推动材料的研究与设计的完善。 1 . 5混凝土早期裂缝研究 现状及主要存在问 题。 ， 近十几年， 早期裂缝成为当前混凝土裂缝问题的焦点是跟整个行业环境密切 相关的。尽管国内外都存在这一问题，有趣的是似乎国内的情况更为严唆，真 是这样吗? 其实不然， 这涉及到一个人员素质问题。首先是施工人员素质，这主 要指的是专业素养方面，不可否认，国内的施工人员在这方面远没有达到国外 相关人员的水平，由 此可能导致国内早期开裂现象比国外严重些，但这不是决 定性的，国外早期开裂问题照样不容乐观。另外，便是业主或普通民众的素质。 近年来国内围绕混凝土裂缝( 多数是早期裂缝) 的质量纠纷时有发生，光浙江省 每年都有多起发生。值得肯定的一点是，这说明人们的工程质量意识在提高。 但这当中也存在对工程裂缝问题的一些认识误区，因为有些裂缝并不严重，不 会危害到结构本身，只要适当处理封闭就可以了，但往往这个时候将问题复杂 化。因此，相关的裂缝工作者尚 应担起 “ 裂缝常识”普及化的责任，提高普通 民众的认知素质。 混凝土早期裂缝主要是由伴随水泥水化发生的温度与湿度变化引起的各种 体积变形( 主要是自 收缩、干燥收缩、温度变形) 造成的，而早期混凝土的各种 性能本身又是在不断发展变化当中，影响因素又众多，因此对这一问题的研究 第 1 章 绪论 涉及到热力学、物理化学、断裂力学、流变力学、计算力学、扩散理论等诸多 学科，是一个多学科交叉的复杂边缘问题。尽管目 前国内 外围绕早期开裂进行 了大量的研究，但对混凝土早期性能尚缺乏系统的认识，对早期裂缝的控制尚 处于理论的研究当中，或者说对早期裂缝的有效控制、预测还有待研究的深入 与知识层而的拓展。 混凝土早期裂缝建立了很多理论模型，众所周知，数值方法是具体问题具 体分析，不能得到相互之间的关系式，单个体积元可得到精确解析解，但是未 考虑混凝土各相之间的作用，而细观平均场理论在预测刚度性质方面的理论比 较完善，虽然强度精度不够，但能给出各相均匀应力及各相比较好的解析关系 式。所以，本文是采用细观力学平均场理论与弹性理论基本解结合来研究混凝 土的结构和性能之间的关系，在细观结构和宏观力学性能之间架起一座桥梁。 1 . 6本课题结构组成 本课题着重研究混凝土早期收缩裂缝这一主题，从形成机理、工程现状、 理论探索三个方面对这一当前巫待解决的课题进行了深入广泛的剖析研究。 采 用混凝土细观结构，复合材料细观力学理论和方法，建立早期收缩致裂现象的 理论模型，建立预报该混凝土宏观性能的细观力学模型，定量计算细观模型的 各相应力应变，及局部最大应力应变，判断早期裂缝产生的原因;以二级骨料 级配及体积分为变化参数，建立以细观力学平均场理论为基础的混凝土早期裂 缝的判断依据;从工程现状的角度对当前围绕混凝土早期裂缝这一问题中暴露 的问题与急需改善的方面进行了必要的阐述。 下面对本文各章节的结构作出简单介绍。 第二章是对混凝土早期裂缝收缩性能的回顾及从弹性力学角度，对混凝土 内 约束及温度裂缝产生原因进行理论计算，在对一些相关概念阐述的基础上对 早期收缩裂缝从成因、控制措施、理论模型等方面做了更深入系统的了解。当 然，在理论模型方面的理论有待更加完善，在此提出为相关研究人员提供借鉴。 第三章从弹性力学角度分析，行了深入广泛的剖析研究。采用混凝土细观 结构，复合材料细观力学理论和方法，建立早期收缩致裂现象的理论模型，定 量计算细观模型的各相应力应变，及局部最大应力应变，判断早期裂缝产生的 原因。 第 1 章 绪论 第四章 建立预报该混凝土宏观性能的细观力学模型，以二级骨料级配及体 积分为变化参数，建立以细观力学平均场理论为基础的混凝土早期裂缝的判断 依据。 第五章 在基质中分别添加不同粒径骨料，应用a n s ys程序，并把边界 单元赋予相应参数，进行有限元数值计算，验证早期裂缝判断依据的精确性。 第六章对本论文所从事的研究内容的总结及对未来相关领域工作的展望。 在得出一些理论研究成果的基础上，也对本文种一些有待进一步研究的工作做 了说明，对这以领域进一步的研究指明了方向。 参考文献 【 1 过 镇海 混 凝土的 强 度和本构关系 一 原 理与 应用. 中 国建 筑工业出 版社， 2 0 0 4 :4 12寿 德 根混 凝 土r 程 早 期 裂 缝 及其 垦 待 解 决的 问 题 .施 工 技 术 ( 增刊 ) ， 加 05， 3 4: 16 一18 3朱 耀台 . 早 期 裂缝的 实 验研究和收 缩应力的 理论建模之 。 02级浙 江大学 硕士 论文:3 ， 1516 14 1 石 如 寅. 混 凝土早 期 裂 缝的 成因 及防 治 .甘肃水利水电 技术， 2 0 03， 3 9 ( 1):58 151下韶光 ， 尚 军 雷， 范斌.混 凝土 裂缝的 成因 及预防 措施2 o 06， 3 2 8):1 04 第2 章 混凝土早期裂缝成因简析 第二章 混凝土早期裂缝成因简析 2 . 1 引论 混凝土早期裂缝的产生主要是混凝土在诸多变形因素作用下受到约束条件 的限制。本章主要对混凝土早期裂缝收缩性能的回顾及从弹性力学角度，对混 凝土温度裂缝产生原因进行深层次分析，在对一些相关概念阐述的基础上对早 期收缩裂缝从成因、控制措施、理论模型等方面做了更深入系统的了 解。当然， 在理论模型方面的理论有待更加完善，在此提出为相关研究人员提供借鉴。 2 . 2早 期裂 缝成因 分 析11 近十几年来，混凝土早期裂缝问题越来越来严重，很多结构在施工期间便 出现不同程度的裂缝，一些现浇梁、板甚至在拆模或养护过程中便出现了裂缝。 早期使用荷载因素造成的混凝土裂缝并不是主要的， 可以认为9 0%以上的“ 早期 裂缝”是由于变形因素造成的，确切地说，应该是收缩作用的结果，引起混凝 土收缩的驱动力可分为两类:温度作用与湿度作用。温度收缩包括大体积混凝 土中因水化急剧温生后导致的温降收缩，以及因昼夜温差或季节温差引起的温 度收缩。湿度相关的收缩包括大体积混凝土中因内、外湿度条件引起的各种收 缩，如干缩、自收缩、塑性收缩、碳化收缩，而湿度作用和湿度作用引起的收 缩是同时发生、相互作用的，因此使得研究难度增大。 2 . 2 . 1温度收缩 温度收缩主要是混凝土在水泥水化放热出 现温峰后的降温过程中产生的。 水泥在早期水化过程中将放出大量的热。在没有缓凝剂的条件下，通常在开始 12 h 左右出现温度峰值。 随后，由于水化放缓放热减小， 在与 外界环境交换下温 度开始下降。由于混凝土内、外散热条件的不一致，表层混凝土温度降低得快， 沿混凝土截面出现温度梯度，使温降过程中出现收缩的沿截面的不一致， 从而 第2 章 混凝土早 期裂缝成因简析 将导致表面 混凝土受拉。实际上， 在最初水化过程中也会因 温度的升高 而产生 温度膨胀，但由于此时混凝土通常还是流塑性状态且温升过程迅速，因而沿截 面也相对均匀，因此温升膨胀过程对混凝土的抗裂影响不大，而随后的散热降 温过程由于 较为缓慢、均匀性又较差，且混凝土已 逐渐硬化，往往在这一过程 中出现温度收缩裂缝。这在大体积混凝土中造成的危害更为显著，因为大体积 混凝土中本身水化放热极大，而散热又很慢，因此它是造成此类混凝土早期裂 缝的主要因素。 温度梯度的出现将在混凝土中形成温度应力，这一应力跟水化发热程度、 混凝土热传导性能 混凝土硬化程度有关，当其超过混凝土抗拉强度时将导致 温度裂缝的产生。温度收缩占是混凝土热膨胀系数a与温差左的乘积，即 占 = “ 山。在温度收缩的测量过程中，温度曲线通过埋入测温度元件可以容易得 到，然而对于热膨胀系数的准确量测是比较困难的，这一系数在早期混凝土强 度产生的过程中随时间急剧降低，在 2 4h 后趋于常数。当然，不同材料组成的 混凝土这一值差异是比较大， 其中骨料与浆体的体积对其影响较大。 2 4h前的a 由于变化急剧，难以测量，因此在目前计算温度收缩时将a简化为一个常数， 这显然与实际出入是比较大的，解决这一问题有待深入研究。 2 . 2 . 2塑性收缩 塑性收缩发生在混凝土终凝前的塑性阶段，通常在浇筑后4 一 1 5h左右出现， 绝大部分发生在初凝前的流塑性阶段。这一阶段水泥水化反应激烈，分子链逐 渐形成，出 现沁水、 水分急剧蒸发以 及骨料与浆体的不均匀沉降等现象。因此， 塑性收缩又可以分为失水凝缩、化学减缩、沉降收缩三类。 ( 1) 失水凝缩 新拌混凝土在激烈的水化过程中，出现泌水或因受外界温、 湿度的作用， 水分从混凝土内部向 外迁移，并在表面迅速蒸发， 造成水分凝缩。这类收缩多 发生在干热与刮风天气中。 ( 2 )化学减缩 它的产生与 外界 湿度变化无关，主要是由于水泥熟料与化学反应的过程中， 反应后生成物的平均密度比反应物小，从而产生了 体系的体积收缩，具体的说 主要是由 于反应过程中，原来的自 由 水成为 水化产物的一部分，使它的比 容由 第2 章 混凝土早期裂缝成因简析 原 来的i cmz / 9 变 成了 约0 .7 s cmz / 9 的 缘 故。 因 此， 若 所 选用的 水 泥品 种的 水 化 产生中化学结合水量越大，则最终的化学减缩量也越大，硅酸盐水泥中的各个 组份具有不同的化学减缩量。因此，为防止或降低由此引起的收缩裂缝，最有 效的 方 法是 从 水 泥的 品 种 入手， 尽可 能 地 使 用qa 含 量 低的 水泥。 (3 )沉降收缩 这类收缩形成原因是混凝土组成材料在浇捣后发生不均匀沉降，出现分层 离析现象，粗骨料下沉，水泥净浆上浮，当受到钢筋或预埋件等阻挡时使混凝 土相互分离而开裂。这在现浇钢筋混凝土结构中尤其在采用泵送施工的混凝土 工程中经常出现。 早期的塑性收缩裂缝通常是以上三类收缩共同作用的结果，这类裂缝发生 在混凝土表面，裂缝较浅，中间宽、两端细，长短不一，即宽又密，且互不连 贯。在养护不良的地方极易出现，呈龟裂状，而由于受收缩的作用，往往沿钢 筋分布，如沿主筋通长方向分布。通常在施工中振捣充分且做好充分且做好养 护是可以避免这类收缩裂缝的，一旦出现，采用二次抹压或二次浇灌层加以平 整即可，不会影响后期的结构耐久性能。 2 . 2 . 3混凝土的干燥裂缝变形 混凝土千燥收缩主要起因于水泥石的脱水收缩;砂石不仅多不收缩，而且 还可抑制水泥石收缩从而减小混凝土收缩，所以，凡能影响水泥石脱水收缩和 能影响骨料约束效应的种种因素，就也都会影响混凝土的收缩变形。 水泥石气干收缩在内部主要受制于其中的细孔含量和孔径分布，而这又受 制于加水量和水化度;外部主要受制于环境湿度。而混凝土工程的气千收缩则 除受制于混凝土含水量、水灰比、水化度、环境湿度及骨料的特性与含量外， 还要受到工程结构的裸露程度所影响。 2 . 2 . 4自收缩 混凝土的自 收缩是指混凝土在没有与周围环境发生湿度交换的情况下发生 的体积变化，它是水泥水化过程中由于没有外界水供应或外界水通过毛细孔迁 移到体系内部的速度小于水化耗水速度时引起的混凝土内部的自 干燥过程导 致，自 干燥对于自 收缩的作用机理与干燥收缩类似，自 干燥对于自 收缩的作用 第2章 混凝土甲期裂缝成因简析 机理与干燥收缩类似。这一现象在上世纪三四十年代就己被发现。由于当时的 混凝土水灰比大，又没有掺任何矿物细掺料等诸多原因，所以自 收缩的量很小， 考虑到一般测得的干燥收缩包括了自 收缩，因此那以后很长时间里自 收缩被忽 略了。然而随着现代混凝土中为保证一定的工作性，高效减水剂的应用使得混 凝土的水灰比越来越小了， 通常小于 0 . 42，尤其随着以掺高效减水剂与矿物掺 料为特征的高强高性能混凝土技术在上世纪80年代早期发展得到了推广应用以 来 ， 自 收 缩 问 题 又 重 新 引 起 了 人 们 的 关 注 ， 国 内 外 许 多 学 者 目 前 正 从 事 着 这 一 现象的研究，自上世纪90年代中期以来，国际上专门针对混凝土的自干燥现象 展开的学术会议目前也已 经召开多次。 2 . 2 . 5碳化收缩 碳化收缩是由于碳化作用所产生的游离态水蒸气引起的浆体收缩、碳化作 用是指大气中的c o z 在有水的 条件下与 水泥水化产物作用生成c ac仇 ，铝胶、硅 胶以及游离态水，并由此引起混凝土体积收缩变形，其实质是碳酸对水泥石的 腐蚀作用。碳化收缩量的大小与水泥水化产物的碱度、空气中二氧化碳的浓度 以及湿度有关，一般碱度、 c02 浓度越高且湿度适中，则越容易发生碳化作用， 碳化收缩量也越大。因此，在干湿交替环境下易出现碳化收缩裂缝，而干燥环 境或水饱和情况下不易出现。碳化作用与 碳化收缩一般仅发生在混凝土表面， 因为碳化收缩裂缝处会析出由反应生成物形成的凝胶， 它将阻止c 认的进入，故 不再发生碳化。因此碳化收缩引起的裂缝深度通常不超过zcm，数量与龄期及 周围环境有关。防止碳化收缩裂缝的主要控制措施是尽量降低生成物的碱度。 这类收缩裂缝通常在浇筑几年后才发生，因此，在此不做研究。 2 . 3水泥石的干燥收缩机制“ 水泥石或混凝土的干燥过程是其所含水转变为蒸汽的气化过程。水泥石内 的可蒸发水存在于大孔洞、毛细孔及凝胶孔中。气干进行中，首先是大孔洞里 的水蒸 汽，但这不至于引 起收缩;随后是毛细孔水蒸发，由 较粗孔到较细孔再 到 更细 孔， 脱 水量 依次 减 少而 收 缩量 却 依次 增大:奉 强 烈 干 燥下， 凝胶 孔里的 吸附水也能解吸蒸发并引起收缩。 第2 章 混凝土早期裂缝成因简析 2 . 3 . 1毛细管张力 毛细孔水的 水面是向内 弯曲的，孔径愈细， 水面曲 率愈大;在毛细孔水蒸 发、曲 面向 后退中，曲率也随着增大。毛细孔内的弯曲 水面对其下边的水可产 生牵引效应，并使孔内产生负 压和使孔壁靠紧，从而引 起水泥石的收缩。处在 弯曲水面上的水分子所受的内部水分子的引力比 较大，所以较不容易蒸发。就 是说，弯曲水面上的湿空气饱和蒸气压要比 平面水上的为低。毛细孔径愈细小， 可引起蒸发的实际蒸气压愈低。 2 . 3 . 2表面张力 在干燥进一步加剧之后，水泥凝胶孔里的吸附水也能解吸蒸发并引起收缩。 凝胶在脱水干燥中，体积要缩小;而在吸水润湿中，体积又要增大，这种现象 只能发生于环境湿度较低的情况。 2 . 3 . 3层间水 当将水泥凝胶描绘成为由2 一 4 个分子层构成的卷曲片状结构物时，其存在 于各片层之间的层间水，在强烈的干燥中也可脱出，导致胶粒的片层靠紧并引 起收缩;反过来，在吸水润湿中则胶粒膨胀;这种效应只能在相当干燥的情况 下发生。 2 . 3 . 4混凝土材料与配合比 这方面可影响混凝土干缩的重要因素是含水量 和骨料，水泥、含砂率、 坍 落度等也可直接或间接地产生相应地影响。 含水量、水灰比既然对水泥石的毛细孔量和孔径分布有重要影响，所以也 对混凝土干缩有重要影响，含水量的影响程度是显著大于水泥量和水灰比的. 混凝土的拌水含量受制于混凝土的坍落度、含砂率、温度以及骨料的颗粒级配、 清洁程度、石子粒径等项， 这些因素也都可影响混凝土的干缩变形。看来，结 合具体工程条件，在确保混凝土浇筑均匀、振捣密实的前提下，采用较少些的 拌合水量，较小的水灰比，较好的骨料级配以及较小些的 坍落度， 较低些的拌 合温度，都是有助于减低混凝土的干缩性。 第2章 混凝土早期裂缝成因简析 粗细骨料占 混凝土体 积很大部 分，本身虽多 不缩， 但却可抑制水泥石收缩， 从 而 可 减 少 馄 凝 土 的 干 缩(e ， ) ， 有 一 个 经 验 公 式e ， = 气(l 一 v 。 ) ， ， 在r h为 50 % 环境下， 水泥石 干缩应变( 巧 00一 16 0 。 ) x lo 书 ， 增大 骨料粒 径尺寸 不 仅可影 响 拌 合水量，在抑制水泥石收缩上也更为有效。 粗骨料的 岩石品种和骨料品质也对混凝土干缩性产生影响， 低吸水率粗骨 料混凝土的弹性模量比 较高，而 干缩性比 较低。 通常认为: 石英岩、石灰岩、 白 云岩、花岗岩等骨料属低干缩型的，而砂岩、薪板岩、玄武岩等的骨料属高 收缩性的;但有些岩石的可 压缩性变化较大，影响到混凝土的干缩性也随着变 化较大。 骨料的清洁程度能影响混凝土拌和、水量，所以也能影响混凝土干缩 性，可影响20%，看来，对于骨料问 题也需予以重视，必要时通过实验研究选 定。 水泥品质影响水泥凝胶地组分、结构和数量，所以也影响水泥石毛细孔、 凝胶孔的形状、尺寸和数量，进而影响到混凝土地干缩性。水泥混合材或混凝 土外加剂能否对混凝土干缩性产生影响或其程度如何，随其品种、特性、用量 等而有不同;有的可能影响较大。看来，关于水泥及混合材、外加剂对混凝土 干缩性的影响问题，宜通过实验查明;而减水剂、引气剂能改善混凝土和易性 和提高浇筑成形质量，这是个有利因素。 2 . 4混凝土在内约束下的开裂机理剖析 2 . 41内约束开裂机理 混凝土从浇筑成里到湿养结束这期间的内 部孔隙 湿度可保持10 0 %， 经裸露 于大气中后才开始脱水变干，但干燥过程非常缓慢。混凝土表里各个层次内的 孔隙 湿度( h ， ) 随 时 间 推 移(tl斗t : 斗t ， ) 而 降 低， 表 里各 个层 次的 脱 水 程 度既 然 不同，各个层次的 干缩潜能将也不同，而如果在整体混凝土内不出现各层次之 间 的 相对变形， 则 各个层次 就 要相 互约束并 产生内 应力 121 ， 水泥砂浆内 部因内 约 束 变 产 生 附 加 应 变 ， = e( 月 ， 当 自 由 干 缩 受 到 约 束 因 而 引 起内 应 力 ， 当 内 应 力 足够大，混凝土内 部就会产生裂缝。 第2 章 混凝土早期裂缝成因简析 2 . 4 . 2内应力公式推导 水 泥 砂 浆 内 部 因 内 约 束 变 产 生 特 征 应 变 设 为 : 今 (l ) 基本方程日 平衡方程 =e ( r ) d a ， 1 ，、 。 一; ，+一t 口， 一口 夕 ) =u 口了r 几何方程 动才u 乓 = 万， “ = 丁 图2 一 1水泥砂浆受力分析图 ( 2 一 2 ) 本构方程为 = 告 (。 。 一 产 。 ) 十 : ， 一 告 a ， 一 户 。 ，+ : ， ( 2 一 3 ) 由 ( 2- 3) 可得 e ( 1 + 1， ) ( 1 一 1， ) 1 ， + 脚， 一 ( 1 + 尸 ) e ， 一导，le ， ， 二 ， 一 (1 + 产 )e ， l i +1， ) l i 一1，) ( 2 一 4 ) - 口口 1.eelt (2 ) 位移解法 将(2 一 ) 代入(2 一 1) ，再利用(2 一 2) ， d z u 则得到以位移表示的平衡方程: 1du 丽 万 十 丁 不 1二 、 de， 一 写 . u=u十产夕 一 下 - r一口r ( 2 一 5 ) 解(2 一 5) 得: ( 2 一 6 ) 将 (2 一 6) 代 入 (2 一 2) ， 求出气凡 、l r，c ， u十 产 ) 一 l 凡p 口 户+ cl r + 寸 r，r ，再代入式(2 一 ) ， 得 = 一 : 知材dp + ec1 1 一 产 eczi 1 + 产r z = : 六 f 二 ， dp 一 “ 十 ec1 1 一 户 ec， 1 十丁， =下 1 十产 r - ( 2 一 7 ) 第2 章 混凝土早期裂缝成因简析 边界 条 件a ， ( r = 西 ) = 0 ， ， ， ( r = a ) = 一 p ;代入 ( 2 一 7 ) ， 得: r 二 ， ， ，dp 十 eclecz i 1 一 产 1 十 产b z =o - 竺 l 一 二 运上= 1 一 产 1 + #a z ( 2 一 8 ) 一 p. 解(2 一 8) 得: c z=: a b ， ， + a : r : ， ， 咖 1(1 + 产 ) ( 吞 ， 一 a ， ) 五 ;a z ; 1 + : r e ， ， 2咖 (l 一 ， ) ( 2 一 9 ) c i = ( b z 一 a z ) e (3 ) 求骨料位移表达式 对半径为a 的实心体，由于r= 0 处，u= 0 1沙 六 f dr 一 0 故 ; = “ r= a ，口， =一 p l 且由于骨料收缩应力为0 ，故 图2 一 2骨料受力图 e a r= 斌 e_ 了 一 竺 飞 . 1 叹 1 + 产 j = 1 一尸1 一 产 c l = 一 p ， ( 1 一 尸 ) = 尸 1 ( 产 一 1 ) e e ( 2 一 1 0 ) 当r =口 ，“ = 扮 (1 + # ) 生 f e ， p ，dp 十 。a ， 1 + : r : ， ， 、 1。， 一 ， )a e ( b ， 一 a z ) + :a b ， 1 + a e f e ， ， 、 1、， + 产 ) ( b z 一 a z ) ea ( 2 一 1 1 ) = 卫 卫 丝 卫2 。 e 由 ( 2 一 1 1 ) 解得: l 6 第2 章 混凝土早期裂缝成因简析 p l = 一 2 : r : ， ， 咖 一 z t ，. 、二 2 ， ，一 、 . e ( 1 一 产 ) ( b z 一 a ， ) “ 气 二 一尸) 宁0 气 1 宁尸) 宁 乙 ( 2 一 1 2 ) 最 后 将 (2 一 1 2) 代 入 ( 2 一 7) ， 即 可 得 到 水 泥 砂 浆 分 布 应 力 与5 ， = 以 r) 及 沿 砂 浆 分 布 半径之间的关系: . :、矿 ，月 。 户 _ _ j _ . e(l一 川 ， ，犷 、 。 护 _ 翩 _ 以 升 甲 1 ， 一 一 下 气 尸 一 1， 1 .。 乒 不 声 宁 u 一 一 下 ) 乙 . 声 钊尸 _t，_ 1扩1由 r石广古 一 五下 l e . 月 方 ， 十 ror 一_ 2，、 . 2 /， .、 . 侧 1 一 川 (b 一 矿 ) “ 、 1 一尸少 甲口 气 1 丫产夕 ， 五 共f 、 冲一 气十 。 、矿 甲+ 1 ) + 万 沪一 r 命 r 、 、 十 互 牛 烈 。 十 知r 。 、 一乃r一 a 2 0 一 产 ) + 石 ， (l + 产 ) + e( l 一 产 ) (b 2 一 a z ) 万 1卜睁|1|lael ( 2 一 1 3 ) 2 . 5混凝土脱水的表里差异田 混凝土脱水干燥始发于裸露表面，愈深入内部，脱水愈慢愈少，超过相当 深度后，甚至可以不考虑。混凝土由表及里各个层次的脱水程度不同，影响到 各个层次的干缩潜力不同，于是在表面之间的相互约束之下就要导致细薄截面 杆件整体的干缩率比 较大，厚大截面杆件整体的干缩率比 较小。大体积混凝土 的内部脱水太慢太少， 可不至于引发整体干缩， a c 12 0 7. 2 r就指出，当v/s 大于 3 8 cm 时，干缩将不会在外约束下发生影响。 就是说，干缩裂缝则只发生于两种 情况: 一是混凝土构件整体干缩在外部约束下所引发的贯穿性的裂缝，二是混凝 土表面层干缩在内部约束下引起的表面性裂缝。 2 . 6混凝土变形的约束开裂旧 混 凝 土 收 缩 变 形 ( 干 燥收 缩 和 温降 收 缩 ) 变形 可能 受 到的 约束 作 用多 种多 样， 通常大 致区 分为 外部约束 ( 来自 外部约束体的 约束) 和内 部约束 ( 来自 内 部 邻层混 第2 章 混凝十早期裂缝成因简析 凝上的约束) 两 类。 随着混凝土收缩变形不同 和约束作用差异，各种情况下的开 裂过程也很不相同，有的还颇为复杂。 2 . 6 . 1 混凝土千缩变形的约束开裂 混凝土蒸发脱水始发于裸露表面，愈是深入内 部愈要 减慢， 混凝土构件内 的平均孔隙湿度从保湿养护结束时的100 %，降至环境大气湿度的所需时间，随 截面薄厚不同，可达几年、 几十年甚至更长时间。 如果混凝土构件内 部不因脱水不同而在各层次间引起干缩差异，则截面尺 寸较小构件近表层的脱水干缩就将起主导作用并导致整个构件出 现较大干缩: 而随着截面尺寸增大，内部少脱水、不脱水的区域增加，影响到整个构件就是 干缩减小以致不缩。 可见，混凝土干缩裂缝大致可分为两类: 一是混凝土构件整体干缩在外部约 束下引发的贯穿性的裂缝，主要发生于构件截面尺寸较、表面脱水干缩起主导 作用的情况;二是构件表面干缩在内部约束下引发的表面性的裂缝，可发生于 各种截面尺寸构件。 2 . 7温度裂缝破坏机理a 在混凝土的凝固过程中，水泥因水化作用在表面形成凝胶体，水泥砂浆逐 渐变稠和硬化，与粗骨料粘结成整体。在此过程中，水泥砂浆的失水收缩变形 远大于粗骨料的相应变形。 此收缩变形差