（材料学专业论文）商品混凝土早期开裂的研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：张桫玲日期：溯年钥，争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在垒年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：山p 芗年月，争日 日期：多赫月名日 摘要 摘要 由于混凝土强度的不断提高，在使用过程中出现开裂的现象越来越 少。但随着商品混凝土和高强混凝土的推广应用，伴随而来的是混凝土 开裂时间大大提前，混凝土的早期开裂问题日益突出。影响混凝土耐久 性的关键因素已经不是强度，而是裂缝。虽然这些微裂缝在早期并不影 响混凝土结构强度，但会成为侵蚀介质进入混凝土的通道，成为混凝土 提早劣化的隐患。因此混凝土早期开裂已经引起混凝土材料界和工程界 的广泛关注。进行商品混凝土早期开裂的系统研究对减少和防治混凝土 的早期开裂，确保混凝土工程的耐久性能和混凝土材料的可持续发展均 具有重要的意义。 本文分别采用了板状开裂架实验、环约束实验和温度应力机实验，在 温度2 0 4 - l ，相对湿度5 0 士5 的实验室条件下，对混凝土3 d 内的开裂 进行了研究。主要研究了普通混凝土( w b - - 0 4 6 8 ，0 6 2 ) 和高强混凝土( w b = o 3 0 ) 早期开裂的特性、原因以及砂率大小、砂的细度模数、混凝土外 加剂品种与掺量、混凝土浇注后的养护条件等因素对其早期开裂的影响， 并针对实际工程中不同强度等级的混凝土提出预防其早期开裂的有效措 施。研究结果表明：( 1 ) 普通混凝土与高强混凝土早期开裂的主因及开裂 特性都不相同。普通混凝土早期开裂主要由沉降收缩和干燥收缩引起， 随着水胶比增大沉降收缩起主导作用，反之干燥收缩起主导作用；裂缝 数量多且短而浅，形式多为“龟裂缝”或“鸡爪缝”，出现在混凝土浇注后 l 2 h ，且终凝之后裂缝就趋于稳定。高强混凝土早期开裂主要是自生收 缩导致的；裂缝数量少但较长较深甚至贯穿，裂缝在1d 之后才趋于稳定。 ( 2 ) 砂率增大使混凝土早期开裂加剧，水胶比越低，加剧程度越显著。对 于高强混凝土，相同砂率条件下，粗砂更易导致混凝土早期开裂。要减 少混凝土早期开裂应尽量调整好骨料的级配采取较低的砂率。( 3 ) 缓凝剂 能够有效地防止高强混凝土的早期开裂，减水剂掺量过大以及引气剂的 使用都会增大混凝土的早期开裂程度。( 4 ) 盖膜养护、初凝后的二次抹面 等良好的养护措施可以有效避免和减少普通混凝土的早期开裂，二次抹 面可以有效消除混凝土表层“起粉”、“起皮”现象；早期湿麻袋养护对避免 高强混凝土早期开裂极为重要。 关键词：混凝土早期开裂原因与措施板状开裂架实验温度应力机 实验环约束实验 华南理：【= 大学硕七学位论文 a b s t r a c t t h ec r a c k i n go fc o n c r e t es t r u c t u r ei nu s i n gp r o c e s si sl e s sa n dl e s sa s t h es t r e n g t ho fc o n c r e t em a t e r i a lr i s e sc o n t i n u o u s l y t h ek e yf a c t o rt h a t a f f e c t st h ec o n c r e t ed u r a b i l i t yi sn o tt h es t r e n g t hb u tc r a c k sn o w a d a y s ， a l o n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n o ft h ec o m m e r c i a lc o n c r e t e ( p r e m i x e dc o n c r e t e ) a n dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e ( h s c ) ，t h ep r o b l e mo fe a r l y c r a c k i n g i nc o n c r e t ei si n c r e a s i n g l y o u t s t a n d i n g t h e s et i n yc r a c k sw i l l b e c o m et h eh i d d e nt r o u b l ee v e nt h e yd on o ta f f e c tt h es t r e n g t hf u n c t i o no f t h ec o n c r e t es t r u c t u r e ，w h i c ha r ea c c e s sf o re r o d e n tt oe n t e rt h ec o n c r e t e a n dd e v e l o pt oh a r m f u lc r a c k sf i n a l l y s ot h ee a r l yc r a c k i n gi nc o n c r e t eh a s b r o u g h te x t e n s i v ea t t e n t i o ni n t h em a t e r i a la n de n g i n e e r i n gf i e l d s y s t e m r e s e a r c ha b o u tc o m m e r c i a lc o n c r e t ec r a c k i n ga te a r l ya g eh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ea st od e c r e a s eo rp r e v e n tc r a c k i n ga n de n s u r et h e e n d u r a n c e q u a l i t ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t h ec o n c r e t e i nt h i sa r t i c l ec r a c k i n go fc o n c r e t ed u r i n g3d a y sw e r es t u d i e db yu s i n g t h e p l a t e a n d r i n gt y p e f o rr e s t r a i n e ds h r i n k a g ec r a c k i n gt e s t a n d t e m p e r a t u r e s t r e s sm a c h i n et e s tu n d e rt h ec o n d i t i o no f2 0 士1 a n dr h = 5 0 士5 t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm a i nr e a s o n so ft h e e a r l yc r a c k i n go fo r d i n a r ys t r e n g t hc o n c r e t e ( o s c ，w b = 0 4 6 8 ，0 6 2 ) a n dh s c ( w b = 0 3 0 ) r e s p e c t i v e l y e f f e c tf a c t o r ss u c ha ss a n dr a t e ，m o d u l u so fs a n d ， a d d i t i v es p e c i e sa n dd o s a g e ，c u r i n gc o n d i t i o nw e r ed i s c u s s e d e f f i c i e n t m e a s u r e m e n t so fh o wt op r e v e n ta n dr e d u c et h ec r a c k i n ga te a r l ya g ew e r e a l s op u tf o r w a r d t h er e s u l t si n d i c a t e ：( 1 ) t h ec r a c k i n gc h a r a c t e r i s t i c a n d c a u s e sa r ed i f f e r e n tb e t w e e no s ca n dh s c f o ro s c ，t h em a i nc a u s e sa r e s e t t l e m e n ts h r i n k a g ea n dd r y i n gs h r i n k a g e ，a st h ew b r i s e ss e t t l e m e n t s h r i n k a g ei sd o m i n a n t ，o nt h ec o n t r a r yd r y i n gs h r i n k a g ed o e s ；t h ec r a c k sa r e s h o r ta n dm o s t l yt h ec h a po nt h es u r f a c e ，a n dw i l l n o td e v e l o pa f t e r s e t t i n g f o rh s c ，c r a c k i n gp r i m a r i l y o w e st o a u t o g e n e o u ss h r i n k a g e t h e c r a c k sa r el e s sb u tl o n g e re v e nr u nt h r o u g h t h e yw i l li n c r e a s eb e t w e e n s e t t i n ga n d1d a y ( 2 ) t h ee a r l yc r a c k i n go fc o n c r e t eb e c o m em o r es e r i o u sa s t h es a n dr a t ei n c r e a s e d t h el o w e rt h ew b ，t h em o r es e r i o u st h ec r a c k i n g c o a r s es a n di sm o r ee a s yf o rc r a c k i n go nh s cw h e nt h es a n dr a t ek e p t h a b s t r a c t 一 _ _ _ - - _ - - - l 一 u n c h a n g e d l o w e r s a n dr a t ew i l l b eb e t t e rt or e d u c ec o n c r e t e c r a c k sb y i m p r o v i n gt h ea g g r e g a t eg r a d a t i 0 n ( 3 ) t h er e t a r d e r c a n 盯觚n w l y 矿：v ? m h cf r o me a r l yc r a c k i n g w h i l e w a t e rr e d u c i n ga g e n ta n da i r e n t r a l n l n 专 a g e n tm a k e t h ec r a c k i n g m o r es e v e r e l y ( 4 ) c o v e r i n g f i l ma n ds e c o n d 磊i s h i n g c a na v o i d o rr e d u c e c r a c k sf o ro s c s e c 0 们n m 8 h h g n e f f c c t i v e l ye l i m i n a t et h e p o w d e r ”，“s h e l l p h e n o m e n a o nc o n c r e t e s u r f a c e c o v e r i n go ft h e w e ts a c ki se x t r e m e l yi m p o r t a n t t op r o t e c th s cf r o m c r a c k i n ga te a r l ya g e i r 盹 | 蓥 m 心 强一蝎 哪竺 担 哪 吖 叽 华南理t 大学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 混凝土发展概况1 1 2 混凝土的耐久性及开裂状况3 1 2 1 混凝土的体积稳定性及变形种类4 1 2 2 裂缝的类型及成因5 1 3 混凝土早期收缩及开裂的研究现状7 1 3 1 普通混凝土早期收缩及测量方法的研究进展7 1 3 2 高强混凝土早期收缩及测量方法的研究进展7 1 4 课题来源及主要研究内容17 第二章原材料及实验方法2 0 2 1 原材料2 0 2 2 实验方法21 2 2 1m a r s h 筒实验21 2 2 2 环约束实验2l 2 2 3 混凝土板状开裂架实验2 2 2 2 4 温度应力机实验2 4 2 3 混凝土的养护方法2 6 第三章普通混凝土的早期开裂2 7 3 1 普通混凝土的早期开裂特性2 7 3 2 砂率对普通混凝土早期开裂的影响2 8 3 3 不同养护条件对普通混凝土早期开裂的影响3 3 3 4 本章小结3 4 第四章高强混凝土的早期开裂3 6 4 1 高强混凝土早期开裂特性3 6 4 2 砂率及砂的细度模数对高强混凝土早期开裂的影响3 9 4 3 不同外加剂对高强混凝土早期开裂的影响4 3 4 3 1 外加剂对净浆开裂的影响4 4 4 3 2 外加剂对混凝土早期开裂的影响4 6 i v 目录 4 4 养护条件对高强混凝土早期开裂的影响4 9 4 5 本章小结5 5 结论5 7 创新之处5 8 后续工作及研究展望5 9 参考文献6 0 攻读学位期间发表的论文6 5 致谢6 6 v 第一章绪论 1 1 混凝土发展概况 第一章绪论 自从18 2 4 年英国阿斯普丁( i a s p d i n ) 首先获得波特兰水泥专利以来， 水泥混凝土的使用已经有一个半世纪的历史，由于它具有原材料来源广， 价格低廉，坚固耐用，易于施工等优点，被广泛应用于建筑、工业、交 通、海洋、国防等领域。目前混凝土已经发展成为世界上应用最广泛的 人造材料。在可预见的将来，混凝土仍然是一种现代建筑不可或缺的大 宗性工程材料。混凝土实际上已经成为现代社会的基础 1 。回顾混凝土 的发展，从混凝土性能来看，其经历了普通混凝土到高强混凝土再进步 到高性能混凝土阶段。从生产方式来看，其从现场搅拌发展到商品混凝 土，从原材料的组成来看，已经从四组分( 水、水泥、砂、石) 到五组分( 水、 水泥、砂、石、外加剂) 再发展到六组分( 水、水泥、砂、石、外加剂、矿 物掺和料) 。 外加剂作为混凝土的第五组分，是混凝土改性的一种重要方法和技术 1 。近代混凝土外加剂的发展有7 0 多年的历史。2 0 世纪30 年代初，美 国、英国、日本等已经在公路、隧道、地下工程中使用防冻剂、引气剂、 塑化剂和防水剂。早期使用的外加剂主要是氯化钙、氯化钠、松香酸钠、 木质素磺酸盐和硬脂酸皂等化学物质。2 0 世纪6 0 年代，混凝土外加剂得 到较快发展。19 6 2 年，日本的服部健一等首先将萘磺酸甲醛高缩合物用 作混凝土分散剂，在19 6 4 年已作为商品销售。几乎与此同时，19 6 3 年， 联邦德国研制成功三聚氰氨磺酸盐甲醛缩聚物。同时出现的还有多环芳 烃磺酸盐甲醛缩合物。由于这三种外加剂对水泥有很强的分散作用，减 水率高达2 0 30 ，而不同于普通的减水剂，当时称为高效减水剂或超 塑化剂，此名称一直沿用到现在，使得高强混凝土的生产成为可能。19 71 年至l9 7 3 年，德意志联邦共和国首先用超塑化剂三聚氰氨系研制成功流 态混凝土，使得新拌混凝土能“自流”或进行泵送，改善了混凝土的工作 性能和施工工艺，方便了混凝土拌合、运输、浇灌、振捣等操作，具有 节能、省工、省力、高效的效果。同时还促进了集中搅拌的商品混凝土 的发展。2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，针对高强混凝土存在的问题( 如抗冻 融性、体积稳定性等) 以及流态混凝土存在的问题( 如坍落度损失及解决办 华南理工大学硕+ 学位论文 法、泌水与离析、耐久性等) ，许多国家进行了大量的研究但还没有得到 完全解决。外加剂以高效减水剂应用技术的研制和发展为标志，使混凝 土进入第三个时代1 。 混凝土的第六组分为矿物掺合料，一般有：矿渣、粉煤灰、硅灰、稻 壳灰等。通过大量的研究工作，人们对矿物掺合料的认识产生了质的飞 跃。过去，人们掺用矿物掺合料主要是为了节约水泥，而现在，人们将 矿物掺合料看成是混凝土性能的调节剂，掺合料已经成为高性能混凝土 中不可缺少的一个组分，而且对于混凝土的使用更加趋于科学化。5 0 年 前，我国就研究开发粉煤灰混凝土拍1 ，6 0 年代在水工混凝土和大坝混凝 土中曾大量推广应用湿排粉煤灰，喜忧参半，如三门峡水利枢纽等工程， 取得了良好的技术和经济效益，但也有一些水利工程粉煤灰混凝土质量 低劣，严重影响粉煤灰混凝土信誉，有些部门甚至颁发在混凝土中禁用 粉煤灰的规定3 。使粉煤灰混凝土技术的发展受到一定程度的影响。其 主要原因是粉煤灰利用科技发展战略的失策和失据。l9 7 8 年前后，粉煤 灰科学技术进步终于出现了契机。通过学习国外先进经验和依靠本国的 科技力量，在8 0 年代开拓了许多粉煤灰利用的新技术。根据美国能源部 研究报告，在混凝土中应用矿渣和粉煤灰，可以达到每天节约2 2 0 0 0 桶石油的水平。2 0 世纪8 0 年代，沈旦申等提出了粉煤灰效应假说3 ，将 粉煤灰效应归结为形态效应、活性效应、微集料效应等三个基本效应过 程的综合，并指出形态效应为第一效应。混凝土工作者也普遍接受了粉 煤灰效应的概念。并用来解释和分析在混凝土中应用粉煤灰的使用效能。 9 0 年代，在实际工程“双掺技术”大量推行。所谓双掺，是指粉煤灰和减 水剂同时使用在混凝土中。主要是因为粉煤灰颗粒表面结构较差，往往 需水量较大，会对混凝土使用效能产生不良影响，所以要同时应用减水 剂，改善粉煤灰颗粒的表面性质，使粉煤灰的形态效应得到充分发挥阳1 。 也有人提出 矿物质超细粉是高性能混凝土的功能组分之一。矿物超细 粉是指粒径 c 3 s c 2 s ；同时水泥越 细，会增大反应速率和水化程度，因此早强型水泥、铝酸盐水泥、高标 号水泥混凝土的自生收缩都较大。混凝土自生收缩随着水泥用量增加而 增大心引。这是因为水泥的不断水化导致内部相对湿度降低，同时水泥用 量增多相应地减少了单位体积混凝土中限制收缩的骨料体积。但是同水 灰比条件下，不同水泥用量混凝土的自生收缩发展趋势基本相同，1d 内 自生收缩占2 8 d 自生收缩的7 0 。 巴恒静引等人的研究结果表明高性能混凝土的自生收缩主要发生在 早期，1d 自生收缩约占2 8 d 收缩值的5 0 6 0 ，并指出这是导致约束状 态下高性能混凝土早期开裂的主要原因；加入碳纤维或聚丙烯纤维将混 凝土2 8 d 收缩减小l5 ，减缩剂的加入大大降低早期收缩速率，1d 内收 缩值比基准混凝土减少4 0 以上；聚丙烯纤维与减缩剂复合使用时效果 优于单掺纤维而不如单掺减缩剂的效果。 ( 3 ) 矿物掺合料的影响 安明哲等叫在恒温环境下在水胶比为o 2 9 ，胶凝材料用量为5 5 0 k g m 3 的基础上研究了粉煤灰不同掺量对高强混凝土自生收缩的影响。实验结 果表明：混凝土的自生收缩随着粉煤灰掺量的增加而降低，特别是早期 8 第一章绪论 收缩降低的非常明显：3 d 后掺入粉煤灰的混凝土的自收缩增长速率高于 空白混凝土；粉煤灰掺量超过2 0 后，减少自生收缩的效果并不显著。 粉煤灰的加入使得水泥用量相对减少，降低了早期的混凝土硬化速度， 相对减弱了内部自干燥程度，自收缩减少，而且粉煤灰的掺入引起了自 生收缩的“滞后效应”。惠荣炎等人口进行的掺粉煤灰水工混凝土的自收 缩测定结果也表明，混凝土自生收缩随粉煤灰掺量的增加而降低。高小 建心5 1 研究了不同掺量和细度的粉煤灰对自生收缩的影响。结果表明：粉 煤灰细度为5 6lm 2 k g 时，随着掺量的增加，混凝土自生收缩明显减小， 掺量为1o 4 0 对混凝土ld 自生收缩减小分别为9 4 、2 9 7 、4 0 6 、4 5 ，2 8 d 自生收缩减少分别为6 2 、13 8 、2 0 5 和2 6 。掺 量为2 0 时，粉煤灰越细( 4 2 5 m 2 k g 、5 61m 2 k g 和6 55 m 2 k g ) ，自生收缩 值也越大。硅灰掺入混凝土中，提高了水泥水化程度，使水化产物数量 增加，混凝土中孔隙细化，因此掺入硅灰后不但增加了混凝土的干燥收 缩纠，也大大加大了混凝土的自生收缩3 3 。日本学者53 研究表明：水 灰比为o 2 3 时，掺硅灰混凝土与基准混凝土相比，14 d 前硅灰混凝土的自生 收缩大于不掺硅灰的混凝土，l4 d 之后则相反。而巴恒静等心73 从初凝开始 测量，混凝土自生收缩在2 8 d 之前随硅灰掺量的增加( 10 ) 而减小，2 8 d 之后与不掺硅灰混凝土自生收缩基本相同。二者的结果差异与开始测量 的时间和养护龄期有关。b r o o k 等人口引也测定了硅粉掺量不同的高性能 混凝土1d 后的自收缩，结果表明：硅粉掺量不同的混凝土早期自生收缩 差异并不大，当硅粉掺量超过5 后，其后期自生收缩随硅粉掺量的增加 而有较大幅度的提高。当水胶比从0 2 8 降到0 2 3 后，其自生收缩增加显 著。高小建心5 1 的研究结果：从初凝开始测量，掺硅灰对混凝土1d 内自生 收缩基本无影响，而1d 后掺硅灰混凝土收缩开始加快，超过了基准混凝 土，到2 8 d 时掺5 ，l0 硅灰使混凝土自生收缩分别增加了8 9 和13 4 。这是由于1d 时硅灰的活性不显著造成的。 矿渣水泥自生收缩比普通硅酸盐水泥大心8 1 。然而也有发现矿渣水泥混 凝土早期膨胀，最终自缩值小的现象。这与所用矿渣的化学成分、细度 和粒形、粒度分布等有关。日本学者7 1 研究表明：矿渣细度大于4 0 0 m 2 k g 时，掺矿渣的水泥石自生收缩增加更多：当细度小于30 0 m 2 k g 时，掺入 矿渣后水泥石的自生收缩并不增加。s n l i m 和t h w e e 引对细度分别为 4 2 0 m z k g ，6 0 0 m 2 k g ，7 9 0 m 2 k g 的磨细矿渣替代6 5 水泥的h p c 自生收 缩研究表明矿渣细度越大，混凝土自生收缩也越大，且细度增加明显增 大了前2 8 d 自生收缩速率；对水胶比为o 3 ，矿渣细度为4 2 0 m 2 k g ，随着 矿渣掺量的增大，自生收缩增加；当细磨矿渣掺量为5 0 时，混凝土自 9 华南理工大学硕士学位论文 生收缩达到最大值，此后，自生收缩不再随矿渣掺量的继续增加而增大。 高小建心5 1 的研究结果表明：对于细度为501m 2 k g 的矿渣来说，ld 后掺量 l0 、2 0 的混凝土自生收缩值开始超过基准混凝土，而掺量大于3o 的混凝土自生收缩在整个测量期间均小于基准混凝土；掺量4 0 的混凝 土由于产生泌水，开始的收缩值非常小甚至有微膨胀现象；细度分别为 3 9 0 m 2 k g 、5 01m 2 k g 的矿渣相同掺量2 0 时的结果相比较，前者比后者 自生收缩小2 0 左右。如果从1d 龄期算起，矿渣掺量越多，混凝土产生 的自生收缩就越大，而且两种细度不同矿渣混凝土收缩差别不大；硅灰、 粉煤灰、矿渣复掺结果表明，粉煤灰的掺入总是减小自生收缩，而矿渣 和硅灰的掺入通常会加大自生收缩，特别是1d 龄期后收缩。 高小建心引进行了不同因素下混凝土早期干燥条件下总收缩的研究，结 果表明：0 2 8 o 4 5 水灰比之间，总收缩随着水灰比的减少而明显增大， 而且主要发生在初凝后6 1o h 。掺硅灰对混凝土总收缩影响很小，掺与 不掺硅灰混凝土收缩值相差在士5 以内。掺粉煤灰混凝土在2 0 h 之前由 于减小了自生收缩，使得总收缩低于基准混凝土，1d 后由于超细粉煤灰 混凝土自生收缩增长速度加快，较粗粉煤灰混凝土结构不致密水分散失 较大，因而这两种混凝土的总收缩逐渐超过基准混凝土，但28 d 时超细 粉煤灰又略小于基准混凝土；中等细度粉煤灰混凝土ld 的后由于降低了 自生收缩，因而总收缩值小于基准混凝土。掺矿渣混凝土在开始测量的 6 8 h 里，矿渣混凝土的总收缩小于基准混凝土，且掺量越大混凝土收缩 值就越小，随后，由于矿渣保水性不好，水分的不断散失以及自生收缩 的快速增长使总收缩增长速度加快，从而超过了基准混凝土。 综上所述，自生收缩主要发生在0 4 0 以下水灰比的混凝土中，随着水 灰比的降低，自生收缩大幅度增加。自生收缩主要发生在混凝土初凝到 1d 龄期内。矿物掺和料对混凝土自生收缩的影响因掺和料的表面性质、 反应活性及细度而不同，导致混凝土内部的相对湿度发生相应的变化， 结果使得自生收缩不同。矿渣和粉煤灰以玻璃体形态存在，表面吸附水 的能力较水泥差，所以当它们取代部分水泥后混凝土内部的自由水相对 增多，相对湿度较大；同时因为它们的活性较水泥差，体系水化速度减 慢，推迟了白干燥的发生。在自生收缩的测量结果中就表现为减少了早 期自生收缩。而硅灰非常细，吸水量大，反应活性也比粉煤灰和矿渣大， 所以降低了早期混凝土中的相对湿度，使得混凝土的自生收缩比不掺硅 灰的自生收缩大，对于减少后期自生收缩的作用也不大。在干燥条件下 混凝土的早期收缩既有自生收缩又有干燥收缩，因此干燥条件下影响更 为复杂。 l o 第一章绪论 1 3 2 2 自生收缩测量方法的研究现状 高性能混凝土的自生收缩测定需要从初凝开始测量，而且要保证混凝 土密封良好，使之与外界无水分交换，因此对测量技术要求很高。日本、 法国、荷兰等国家和地区的研究人员对高性能混凝土的自生收缩测定方 法、影响因素、产生机理、力学模型等方面进行了较为广泛的研究 。 自生收缩的测量方法可以分为体积法和线性变形法两种。高小建介绍 了橡胶皮套测量自生收缩的方法，属于体积法它是通过将新拌水泥浆装 入不透水的橡胶皮套中，测量浸水试件的浮力变化，换算出体积变化。 这种方法的优点是可以在浇注后立即开始测量，不足之处是橡胶皮套与 水泥浆体间的不良接触，导致泌水或表面残余气泡等；在水化过程中， 水和残余气泡将会因化学减缩而被吸回到水泥浆体中。这样，化学减缩 也可能被误测为自生收缩，从而导致很大的测量误差。另外，不透气的 橡胶皮套产生的压力可能破坏凝结过程中水泥石的脆弱结构。从而导致 了测量结果离散性很大。r g a g n 6 等人h 们对体积法进行了改进，可以同时 分别测量出化学减缩和自生收缩但该方法还只限于水泥净浆而不适用于 测量水泥砂浆和混凝土。j e n s e n 1 介绍了波状型模子进行自生收缩的测 量。它们采用的是一种特殊的波形模子，在凝结之前，这种模子可将体 积变形转化为线性变形。其原因是这种模子半径方向上的刚度比长度方 向上来的大，所以这种方法兼具线性测量和体积测量的优点。但是这些 方法都只限于胶凝材料，不适用于砂浆和混凝土。目前常用的混凝土自 生收缩的测定方法可以分为三种：埋入法、千分表法及非接触测量法。 埋入法主要有振弦仪法心钊、差动位移传感器法h 纠、光纤法h 引、差动 式电阻应变计法h4 1 。这类方法的优点是可以较好地解决密封问题。缺点 是：在早期混凝土尚无足够强度时应变计无法与混凝土同步变形而此时 混凝土刚好产生很大的收缩；埋入精度要求较高；应变计价格昂贵、易 损坏、无法重复使用。 千分表法主要有两种i 日本的t a z a w a 6 1 将自生收缩分为拆模前和拆 模后两部分测定。该方法很好地解决了早期混凝土尚无足够强度时的收 缩测定，但是难以保证不同龄期测量时埋入混凝土的侧头与收缩仪的侧 头对中一致。安明哲等人叫对t a z a w a 的方法进行了改进，利用两端固定 千分表测量混凝土早期自生收缩。整个过程中要避免试模或干分表架受 到振动，而且每个试件配两个千分表，测量过程中不能替换。需要人工 读数，而且在早期混凝土的收缩发展很快，需要有人连夜值班。大批量 华南理工大学硕士学位论文 实验时极不方便。 非接触法阻引测量混凝土的早期自生收缩是迄今为止比较理想的测量 方法。该仪器具有非接触式测量、测试精度高、人为误差小、操作简单、 能自动记录和处理数据等优点。很好地解决了由于早期混凝土强度不高， 开始测量中对试件或侧头的碰撞甚至接触产生的误差。测量过程中忽略 温度对自生收缩的影响，同时假设混凝土的热膨胀系数为一定值，可以 通过测量密封条件下混凝土试件的收缩与试件的内部平均温度变化来换 算出自生收缩。 对混凝土收缩的研究大多是在自由收缩状态下进行的，小试件在自由 状态下的收缩是不会导致开裂的；况且收缩只是开裂的必要条件，收缩 不等于开裂，单用收缩值没办法明确反映混凝土的开裂情况。鉴于混凝 土早期开裂的复杂性，单一种类收缩的测量方法也无法解释混凝土实际 工程中出现开裂的原因。g b j 8 2 8 5 混凝土干缩试验方法可以测量成型后 4 d 及以后很长龄期的干燥收缩值，但是没办法测量3 d 之内混凝土的收 缩，所以用该方法根本没办法解释混凝土的早期收缩开裂。测量自生收 缩方法的发展使得混凝土早期收缩测量成为可能，但是对于早期自生收 缩很小的普通混凝土来说，仍然没办法解释低标号混凝土的早期开裂。 高标号混凝土早龄期自生收缩占主导地位，但是干燥收缩同样不可忽视。 自生收缩与干燥收缩是失水方式不同的结果，而且二者相互作用相互影 响。某些因素对二者的影响结果可能是相反的，所以在干燥环境中的混 凝土总收缩远比单纯的自生收缩复杂。单从早期自生收缩角度很难完全 解释高强混凝土早期开裂。因此混凝土开裂及其测试方法的研究逐渐成 为混凝土工程界与学术界的热点。 1 3 3 混凝土早期开裂及测试方法的研究进展 对于混凝土开裂的研究方法，世界各国都无统一的标准可依。不同学 者根据实际条件采用不同的方法。国内外关于混凝土开裂的测试方法，主 要可以分为三大类：环约束实验、板状开裂实验和棱柱体单轴约束实验。 1 环约束试验 l9 6 9 年，b l a i n e 等人提出了用于测量水泥净浆开裂性能的环约束实验 方法。这种方法通常是将水泥净浆注入两个同心钢环模具之间，成型一 个环状试件，实验时将整个试件连同模具放入一定的干燥环境中，去掉 外环，保留内部钢环对水泥试件起约束作用，当水泥净浆收缩时就会因 约束产生拉应力，从而使其产生开裂。后来，w k a r lh 引用类似的环状试 1 2 第一章绪论 件研究混凝土的收缩开裂，s p s h a h ”在混凝土环约束实验基础上，通过 理论推导提出了一种测混凝土收缩开裂的方法。具体的环收缩开裂试验 设备如图1 2 所示。之所以采用图中所示的尺寸，是因为这样可以保证混 凝土收缩在受到内部钢环约束而受拉时，环状试件内、外侧产生拉应力 相差不超过l0 ，从而可以假设混凝土环是处于均匀的单轴拉力作用之 下，便于分析。该方法主要用于测试水泥净浆与砂浆，或者细石混凝土( 骨 料最大粒径不超过10 m m ) ，一般不适合测量普通骨料的混凝土 ql 肾嚣m m 到 卜3 7 5 r a m _ 叫 r 1 4 0 m m 上 c a ) ( b ) 图1 2环约束收缩开裂实验示意图h 引 f i g 1 - 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fr e s t r a i n e ds h r i n k a g ec r a c k i n g 4 6 3 中国建筑材料科学研究院的姚燕引等人参考k a r lw i e g r i n k 的圆环装 置，对高强混凝土的收缩开裂影响因素进行了研究。该研究发现，在相 对湿度大于9 5 的环境中养护了2 4 小时后脱模，放入2 0 ，相对湿度 6 0 士5 的干燥室中，在水胶比0 3 0 4 之间，随着水胶比减小高强混凝 土的收缩开裂趋势增大了；掺入细磨矿渣或硅灰取代水泥，由于早期强 度增长快，应力松弛能力低，使开裂时间提早，裂缝宽度增加，增大了 高强混凝土的收缩开裂趋势：而粉煤灰或2 0 的减缩剂s r a 能明显降 低其收缩开裂趋势。 环约束试验的物理意义不太直观，混凝土受力状态与实际工况不符； 约束程度不明确，难以动态地将约束应力和构件开裂联系起来；只能应 用于素混凝土而无法应用于配筋构件；只能观测开裂龄期和裂缝宽度， 无法提供足够信息进行理论分析；同时只能做定性判断，不能测出收缩 应力的大小。但是该方法的实验装置简单，操作方便；可有效克服轴向 试件施加端部约束的困难和易产生偏心等缺点；在一定范围内，试件尺 寸、边界情况对实验结果影响不大，易于推广和标准化，便于对实验结 果的分析和比较。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 2 板状开裂试验 目前，采用板式混凝土试件测试早期开裂的方法各国都还处于试验阶 段，没有形成统一的标准，不同学者采用的试件尺寸各不相同。 工程中早期收缩开裂最敏感的是一些板式构件，如混凝土楼板、屋面、 桥面板、路面以及工业厂房地面等。这类构件都是处于双向约束状态， 板式混凝土的约束收缩实验可较好地模拟这些构件的早期收缩开裂情 况。板式开裂架可以做到双向约束，既可以只在板四周用铆钉加以约束， 也可以在板四周和板底同时加以约束，而且该试验方法既可以用于素混 凝土收缩开裂的研究，也可以用于配筋混凝土收缩开裂的研究。由此可 见，用板式混凝土试件测量混凝土的早期开裂更能贴近薄板混凝土的工 程实际。 r a v i n a 等h 引采用了6 50 m m 8 0 0 r a m 7 0 m m 的模具研究了不同密度、不 同配比的水泥净浆在不同温度与风速下的早期塑性收缩开裂，模具内壁 四周布满了钢丝以限制收缩，同时表面四周铺上宽1o c m 的聚乙烯薄板条 用以防治边框处水分蒸发( 这样蒸发面积变为4 5 0 m m 6 0 0 m m ) 。s a m m a n 叫 研究普通和高强混凝土板的早期塑性收缩裂缝采用了 6 0 0 m m x 9 0 0 m m x3 0 0 m m 尺寸的模具，模具材质为内部掺有铝纤维的18 m m 厚的胶合板制成，实验中将混凝土板分别置于三种不同环境条件下( 即室 内、室外、有风室外) ，每隔10 15 m i n 测定气候条件、水分散失、裂缝 出现时间、裂缝面积、裂缝数量等。 高小建心引等人采用如图1 3 所示的板式开裂架研究混凝土早期开裂。 试件尺寸为6 0 0 m m 6 0 0 m m 6 3 m m ，模具的四个边上朝里同时装配了14 个10 1o o m m 的全螺纹栓对混凝土的收缩起约束作用。该模具中成型的 混凝土试件在收缩过程中同时受到两种约束作用：刚性模具通过螺纹钢 柱的约束和由于试件上下层收缩不均匀而产生的上下层间的约束，这与 实际工程中的大面积混凝土现浇底板和路桥现场施工时的混凝土所处情 形相近。福州大学土木建筑工程学院的罗素蓉等人妇采用 6 0 0 m m 6 0 0 r a m 5 0 m m 的平板法实验对泵送高流态混凝土的7 d 龄期收缩 开裂性进行实验研究，主要以骨料品种、砂率以及粉煤灰掺量为设计参 数。该实验试件先密封养护2 h ，然后放置于温度2 7 ，相对湿度5o 的 环境中，并用碘钨灯照射，实验结果表明，相同工作性能下，反击式破 碎碎石混凝土的抗裂性比颚式破碎碎石混凝土好；而颚式破碎中，卵石 的抗裂性不及碎石：并提出粉煤灰对混凝土的抗裂性存在一个最优掺量， 掺量较高时应加强早期养护；随着砂率的增大，混凝土出现裂缝的机会 增加。关于砂率增大混凝土开裂机会增加的解释为：砂率的增加，减少 1 4 第一章绪论 了粗集料之间的摩擦力即混凝土之间的连接能力减弱；细集料和粗集料 的弹性模量和线膨胀系数存在差异，在温度和湿度变化的情况下，这两 种组分变形不一致，于是就产生了相互的约束力，当砂率增大时，两种 集料之间的约束应力随之增大，导致混凝土变形的增大，出现裂缝的机 会也就增加了。 哈尔滨工业大学的高小建心引利用改进了的板式开裂架及光纤光栅传 感器考察了混凝土的早期开裂和应力分布等。他通过观察试件在密封养 护6 个小时后，放置在自然条件或风吹条件下混凝土的开裂程度，考察 了水灰比、水泥用量、硅灰、矿渣和粉煤灰等对早期开裂的影响。结果 表明，水灰比越小、水泥用量越多，混凝土的早期抗裂性能就越差；掺 入硅灰略微增大了混凝土早期开裂程度，而优质粉煤灰的掺入和大量磨 细矿渣的掺入可以提高混凝土的早期抗裂性。并指出干燥条件下混凝土 内部应力收缩应变与距离干燥表面远近的距离成指数函数分布，在距离 四个边越近的位置上，混凝土所受的约束越大，测到的收缩值越小。 图1 3 板状混凝土开裂架 f i g ，1 - 3p l a t e t y p e m o u l d f o r s h r i n k a g e c r a c k i n g t e s t 图1 4 塑性收缩裂缝试验用约束装置 f i g 1 - 4r e s w a i n e d 蛐e s e tf o rc r a c k i n gb e f o r es e t t i n g 近两年来，重庆大学也较多的采用板状开裂架来进行混凝土塑性收缩 裂缝的研究，模具尺寸如图1 4 所示。与其它板状开裂架的不同之处在于 约束方式，该模具采用端约束生成器提供约束，中心应力生成器促使裂 缝在试件的中部形成。蔡贵生等人哺纠采用该试验装置研究了水灰比和砂 率对大流动性特细砂混凝土塑性收缩裂缝的影响。结果表明：特细砂混 凝土的塑性收缩裂缝在较低和较高水灰比时都较大，当水灰比处于0 5 左右时，其裂缝面积最小，为最佳水灰比范围；砂率存在一临界值范围， 该范围之外，塑性收缩裂缝将逐渐增加。王川等人拍33 采用同样的装置研 究了矿渣和粉煤灰对塑性收缩裂缝的影响。实验结果表明：比表面积在 1 5 华南理t 大学硕士学位论文 4 0 0 m 2 k g 左右的矿渣掺入混凝土后对塑性收缩裂缝影响不大，其中掺量 为30 与7 0 时混凝土的裂缝相当且较小，掺量为5 0 与不掺时的裂缝 相当且较大；掺入矿渣后对新拌混凝土水分蒸发速率的影响与水胶比有 关，水胶比大时掺入矿渣将减小水分蒸发，水胶比小时将增大水分蒸发； 水胶比为0 3 6 及以上时，掺入粉煤灰后将增大拌合物的塑性收缩裂缝， 裂缝增大的程度视拌合物的实际水胶比而定；水胶比在0 4 0 及以上时， 掺入粉煤灰将增大水分蒸发，反之相反。杨长辉等人哺钉用同样的装置研 究了水灰比对混凝土塑性收缩裂缝的影响。实验结果表明：水泥和集料 一定的