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上海大学硕士学位论文 混凝开裂机理分析及抗裂措施研究 摘要 就目前市政工程混凝土构筑物而言，开裂渗水是一个普遍存在的问题，在实 际工程中较为普遍地出现各种裂缝。裂缝的产生，轻则在工程施工阶段因直接影 响工程外观质量而造成返工，重则影响建筑物结构安全及其物理力学及抗渗、抗 冻、抗化学介质侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成水泥混凝土使用寿命大大缩短， 维护修复费用大量上升，因此混凝土的裂缝问题在近几年来受到人们的密切关 注。 本文首先对混凝土渗透开裂问题进行研究，从混凝土结构力学角度分析，由 于混凝土结构处于不同的约束状态下因收缩将引起拉应力，当混凝土自身抗拉强 度大于拉应力时，混凝土不开裂，反之则开裂。从这个角度出发，本文提出两种 抗裂防水的措施，一种是通过掺加外加剂使混凝土的收缩应力减小，并且从混凝 土自身结构形成与经济角度、社会效益考虑，本文提出采用钢渣微粉与膨胀剂复 配而成抗裂防水剂的思路，以抗渗性能、体积稳定性、耐久性能和使用性能的设 计原则，配制抗裂防水混凝土，对其进行宏观物理力学性能、耐久性和微观结构 研究：另一种是通过掺加纤维使混凝土塑性阶段的抗拉强度增加，并降低收缩应 力，使混凝土具有大大减少塑性阶段产生裂缝的可能性。 实验结果显示：钢渣与膨胀剂复配的抗裂防水剂使混凝土具有较佳的收缩补 偿作用，能有效降低混凝土收缩应力，降低混凝土由于收缩产生的开裂现象。通 过对钢渣性能的测试发现钢渣掺舍料具有较高的活性，并且没有倒缩现象，对混 凝土具有长期的补偿收缩作用。在混凝土中掺加一定掺量的抗裂防水剂能改善混 凝土的抗冻性能、抗氯离子渗透能力、抗气体渗透能力等。本文还结合平板实验、 s e m 及x r d 测试，分析了此类抗裂防水混凝土的补偿收缩原因及机理，探明了 其结构及其对耐久性的影响规律，并证明了充分养护对掺加抗裂防水剂混凝土的 重要性，最后指出该种外加剂的使用范围。 通过平板及应力测试可以发现纤维可使水泥基材料在塑性阶段的裂缝得到 有效控制，并发现不同种类纤维对抑制混凝土塑性阶段裂缝的作用不同，同时通 过对纤维混凝土进行物理力学性能及耐久性能测试结果可见，纤维能使水泥基材 料的抗拉强度明显提高，而长径比较大的纤维，所配制的混凝土耐久性较差，通 上海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 过各项实验得出了配制混凝土的合理纤维掺量。 本文最后对这两种方法进行了比较，根据其特点，可分别应用于不同条件或 不同技术要求的市政工程中。 关键词：抗裂防水混凝土：应力分析：钢渣；补偿收缩；纤维 上海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 a b s t r a c t a st om u n i c i p a le n g i n e e r i n gc o n c r e t eb u i l d i n g st o d a y , t h ep r o b l e mo fc r a c k i n g a n dl e a k a g ei su b i q u i t o u s ，a n di nt h ep r o j e c to ns i t e ，t h e r ea r ek i n d so fc r a n n i e sa t l a r g e ，w h i c h w i l li n f l u e n c et h e a p p e a r a n c e a n dt od ot h ew o r ka g a i ni nt h e c o n s t r u c t i o np e r i o d ，e v e nt h a tw i l li n f l u e n c ef r a m e ss a f e t ya n di t sp e r f o r m a n c eo f p h y s i c a la n dm e c h a n i c s ，a n t i - c r a c k i n g ，a n t i - f r e e z i n g ，a n t i - c o r r o s i o nf r o mc h e m i s t r y m e d i u m ，a n t i - r u s t i n ga n ds oo n ，a n dt h e nt h eu s a g ep e r i o dw i l ls h o r t e r , a n dt h ec h a r g e o fm a i n t e n a n c ea n dr e p a i rw i l lb eg ou pl a r g e l y , t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fc o n c r e t e c r a n n yw i l lg e tm o r ea t t e n t i o n t h i s p a p e rs t u d i e s t h e p r o b l e m o fc o n c r e t e c r a c k i n g a n d l e a k a g ef i r s t l y ， m e c h a n i c a l l y , b e c a u s ec o n c r e t eb r i n g sp u l ls t r e s sr e s u l t i n gf r o ms h r i n k a g eo nt h e c o n d i t i o no fd i f f e r e n tr e s t r i c t i o n ，w h e nt h et e n s i l es t r e n g t hb i g g e rt h a np u l ls t r e s s ， c o n c r e t ew i l ln o tc r a c k ，c o n t r a r i l y , c o n c r e t ew i l lc r a c k b a s e so na b o v ec o n c l u s i o n ， t h i sp a p e rp o i n t so u tt w om e t h o d st ob ea n t i - c r a c k i n ga n dr a i n p r o o f , o n ei st or e d u c e s h r i n k a g es t r e s sb ya d d i n ga d m i x t u r e s ，m e a n w h i l e ，t a k ec o n c r e t es t r u c t u r e ，e c o n o m y a n ds o c i a lb e n e f i ti n t oa c c o u n t ，t h i sp a p e rs e t su pt h em o d e lo fu s i n gs t e e ls l a ga n d e x p a n d a b l ea g e n tt o r e s i s tc r a c k t h ep r i n c i p l e so fp r e p a r i n gc o n c r e t ea r ew a t e r p e r m e a b l er e s i s t a n c ec h a r a c t e r ，v o l u m es t a b i l i t yc h a r a c t e r ，d u r a b i l i t y a n du s a g e c h a r a c t e r , a n dt h e ns t u d yt h ep h y s i c sm e c h a n i c s ，d u r a b i l i t ya n dm i c r o s t r u c t u r eo fi t s c o n c r e t e 。t h eo t h e rm e t h o di st oi n c r e a s et e n s i l es t r e n g t ha tt h ep h a s eo fp l a s t i cb y a d d i n gf i b e r , w h i c hc a nr e d u c es h r i n k a g es t r e s s a sw e l l ，a l lo ft h a tc a nl e s s e nt h e a m o u n to fp l a s t i cc r a n n i e s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a ta n t i - c r a c k i n ga g e n tw h i c hi sp r e p a r e db y s t e e ls l a ga n de x p a n d a b l ea g e n tc a l lm a k ec o n c r e t ec o m p e n s a t e sc o n c r e t es h r i n k a g e ， r e d u c et h es h r i n k a g es t r e s s b yt h et e s tt os t e e ls l a g ，w ef i n dt h a ts t e e ls l a gb em o r e a c t i v e ，a n di tw i l ln o tb a c ks h r i n k ，s oi tc o m p e n s a t e sc o n c r e t es h r i n k a g el o n g - t e r m a n di fa d d i n gs o m ea n t i c r a c k i n ga g e n t ，t h ec o n c r e t ew i l lh a v eb e t t e ra n t i f r e e z i n g ， a n t i - c h l o r i n ep e r m e a b l e ，a n t i - g a sp e r m e a b l ep e r f o r m a n c ea n ds oo n b ym e a n so ff l a t v i l 上海大学硕士学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 t e s t ，s e m a n dx r dt e s t ，t h i s p a p e ra n a l y s e s t h ec a u s ea n dm e c h a n i s mo f c o m p e n s a t i n gs h r i n k a g eb ya d d i n gt h ev e r ya n t i - c r a c k i n ga g e n t ，a n dp r o v eu pt h e i n f l u e n c el a wo fc o n c r e t es t r u c t u r ea n di t se f f e c to nt h ec o n c r e t ed u r a b i l i t y , a tl a s t ，t h i s p a p e ra l s op r o v e st h a th o wi m p o r t a n tp l e n t ym a i n t a i ni n f l u e n c eo nt h ec o n c r e t e a d d i n ga n t i c r a c k i n ga g e n t ，a c c o r d i n g t oa b o v e ，i tp o i n t st h e s c o p eo fu s i n g a n t i c r a c k i n ga g e n t b yf l a tt e s ta n ds t r e s st e s t ，w ef i n df i b e rc a nc o n t r o lt h ec a n n yi ne f f e c t ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo ff i b e ri n f l u e n c et h ew o r k ，m e a n w h i l e ，b yt h ep h y s i c sa n dm e c h a n i c s p e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t ye x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tf i b e rc a ne n h a n c et e n s i l e s t r e n g t ho b v i o u s l 5b u tl e n g t h d i a m e t e rr a t i oo ff i b e ri sn o td i r e c ti n t e r a c t i o nt o c o n c r e t ed u r a b i l i t y , a l s ow ec a ng e tt h er e a s o n a b l ea d d i n gq u a n t u mo ff i b e r l a s t l y , t h i sp a p e rc o m p a r e st w od i f f e r e n tk i n d so fa n t i c r a c k i n gm e t h o d s a c c o r d i n g t ot h e i rc h a r a c t e r s ，t h e yc a nb eu s e di nd i f f e r e n tp r o j e c t k e y w o r d s ：a n t i c r a c k i n ga n di m p e r m e a b l ec o n c r e t e ；s t r e s sa n a l y s e ；s t e e ls l a g c o m p e n s a t i n gs h r i n k a g e ；f i b e r 上海大学硕士学位论文混凝土开裂机埋分析及抗裂措施研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：堡避日期：亡竺! ：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：牲翮虢皿礁嗍迎坦：丛 上海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 1 1 课题研究背景 第l 章绪论 随着水泥品种增多、性能改善以及化学外加剂特别是高效减水剂的开发使 用，混凝土得到了广泛应用，混凝土技术也跨向了一个新时代，但仍存在混凝土 的易开裂问题。为了满足经济发展、解决交通拥挤，混凝土被用于各种恶劣条件 下，如海洋工程、常年处于冰冻的地区、超长隧道工程等等，这要求混凝土具备 各种优异性能( 混凝土的高性能化) ，而混凝土作为一个整体，发挥其高性能首 要条件就是不能开裂“。在国内地铁和( 过江) 隧道等建筑物的大力兴起之下， 解决混凝土的抗裂防渗是当务之急；各种海洋河流大型工程的混凝土使用也必须 要解决抗裂防渗问题；特别是在各种地区的码头港口使用的混凝土更应注意这些 问题，于是，如何让混凝土不再开裂己然成为工程界的头号难题。 1 1 1 水泥混凝土目前的应用状况 水泥混凝土是道路、桥梁工程和建筑物建设中，用量最大，使用最广泛的建 筑材料之一，同其他建材( 钢材、合金、塑料、木材等) 比较，水泥混凝土具有 节能、成本低、来源广、应用方便、耐久性好、维修能耗最低、使用寿命最长等 优点，因而需求量迅速增长，预计在今后3 0 5 0 年内，水泥混凝土及其制品将 会得到更大的发展。 水泥混凝土的迅速发展是在1 8 2 4 年约瑟夫阿斯普丁发明波特兰水泥后， 经过了近1 8 0 年的研究和应用，其发展历程中经历了四次飞跃：一是混凝土的普 及；二是预应力和干硬性混凝土的推广；三是混凝土外加剂的使用导致干硬性混 凝土向流动性混凝土转变并出现了高强混凝土；四是由仅倾向于强度的高强混凝 土转向考虑混凝土综合性能的高性能混凝土尤其是绿色高性能混凝土的研究。 从混凝土的强度来说，在2 0 世纪5 0 、6 0 年代，建筑上常使用的混凝土标号 一般为c 1 0 c 2 0 ；在7 0 、8 0 年代，建筑上常使用的混凝土标号一般为c 2 0 c 3 0 ；而在2 0 世纪9 0 年代以后，c 4 0 以上的混凝土在建筑上已经较为普遍的使 匕海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 用，c 6 0 、c 8 0 甚至为c 1 2 0 混凝土在建筑上的应用也越来越多。 水泥混凝土需求量的迅速增长也使水泥需求量剧增，我国2 0 多年来水泥产 量增长之快，是十分罕见的，2 0 0 4 年水泥产量将增至9 3 4 亿吨，比1 9 9 6 年的 4 9 亿吨差不多翻一倍，并超过世界水泥总产量的三分之一。在二十一世纪内水 泥混凝土仍将是我国现代工程建设无法替代的主要建筑材料。 但不可否认，混凝土本身存在本质的致命弱点，如抗拉强度低、脆性大，特 别是易开裂，且随着混凝土强度的提高，这些缺陷也目益突出，1 9 9 0 年5 月美 国国家标准与技术研究院( n s t ) 与美国混凝土协会( a c i ) 召开会议，提出高性能 混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o r f c r e t e ，h p c ) 这个名词。但至今，世界各国科学家 对它仍没有统一的解释或定义。唯一可以肯定的是，高性能混凝土( h p c ) 不仅要 满足工程所需的各种力学性能，还应满足高耐久性和高的体积稳定性，良好的工 作性和适用性，经济合理性，并且达到可持续发展o “。 1 1 2 混凝土的裂缝与渗漏的关系 裂缝问题越来越受到重视，是由于裂是渗的根本，只要混凝土不开裂，一般 不易渗漏。裂缝可导致混凝土的渗漏，混凝土的渗漏又将使混凝土裂缝进一步扩 展，最终导致混凝土的破坏，从而无法保证混凝土结构的使用寿命。在实际工程 中较为普遍地出现各种裂缝，因此混凝土的裂缝问题在近几年来受到人们的密切 关注。 水分子的直径约为0 4 n m ，从理论上说，水分子可穿过任何肉眼可见的裂缝， 防水结构物是不允许任何裂缝的，但实际情况不是这样。据试验资料【4 1 ，一个具 有宽度为1 2 n m 的裂缝，开始每小时漏水量5 0 0 m l ，一年后每小时漏水只有4 m l 。 说明混凝土裂缝有自愈现象，即o 1 m m 0 2 m m 宽的裂缝虽然不能完全胶合，但 可逐渐自封。 但是，当裂缝宽度超过自愈合范围时，不可避免导致混凝土渗漏，并带来一 系列问题，比如：其他化学物质的侵蚀、混凝土耐久性的降低等。裂缝渗水量q 计算公式为： a ；l a3 p g h ( 1 1 ) 1 2 0 r d 上海大学硕士学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 式中：q 一裂缝渗水量： l 一一裂缝长度： a 一一裂缝宽度； p 一一液体密度； g 一一重力加速度； h 一一水压头： s 一一经验系数； 1 1 一一液体粘度： d 一一壁厚。 可见，渗水量q 与裂缝的宽度a 成三次方比例，与裂缝的长度l 成一次方 比例，因而裂缝的宽度和长度极大地影响混凝土的抗渗透性能。 1 1 3 混凝土裂缝状况调查及分析 各项研究表明，混凝土容易出现裂缝，高强混凝土比普通混凝土多，早期裂 缝比中、后期多。混凝土的裂缝轻则在工程施工阶段因直接影响工程外观质量而 造成返工，重则使混凝土因这一“先天”缺陷而影响其抗渗、抗冻、抗化学介质 侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成混凝土使用寿命大大缩短，维护修复费用大量上 升，并将造成混凝土使用寿命大大缩短。 据资料统计表明“1 ，当前我国城市建筑物的开裂率约为6 0 ，当前竣工的漏 水房就达3 7 ，每年城市的裂缝维修费用高达1 2 亿元以上，再加上其它直接和 间接损失就更大了。 对于钢筋混凝土桥梁来说，由于这些公路桥或铁路桥有些处于沿海地域，混 凝土出现的问题更加严重，一般在投入使用l o 年左右就出现了严重的损伤破坏。 笔者就此调查了上海、山东、浙江宁波和西安等地的公路系统和铁路系统新建和 服务十几年的钢筋混凝土桥梁。这些混凝土桥梁均有不同程度裂缝和开裂，具体 破坏情况见图卜l 。 这些桥梁的裂缝特征概括如下： 桥墩、主梁、盖梁、桥面板和护栏都有开裂现象，裂缝形式包括塑性收缩裂 缝和硬化收缩裂缝。以上调查及测试结果表明：受调查的这几座桥梁的混凝土均 匕晦大学硕士学位论文混凝士开裂机理分析及抗裂措施研究 图1 - 1 混凝土桥梁破坏状况 f i g1 - 1 t h eb r e a k a g eo fc o n c r e t eb r i d g e 有相当严重开裂现象。照此推算若干年后，有害离子经裂缝进入混凝土内部，造 成钢筋锈蚀。为此笔者对具有类似病害的上海公路系统的团港桥内港河桥、医院 桥、五灶桥和六灶桥等钢筋混凝土桥梁进行现场钻孔取样，并根据要求制样，以 测定其氯离子渗透性、碳化深度和强度。 表卜l 为目前对混凝土中氯离子扩散性能与氯离子渗透性的的评价标准。对 现场钻孔取样所测的氯离子渗透性如表i - 2 所示。由测试结果可见，桥梁内侧和 外侧的混凝土试样抗氯离子渗透性明显比中部试样差，内外侧试样通过的电量大 部分超过4 0 0 0 库仑，说明混凝土的抗氯离子渗透性能已经很差，混凝土耐久性 受到严重劣化，混凝土对钢筋的保护作用已经很弱。中部试样通过的电量大约为 两侧混凝土导电量的3 4 ，说明中部混凝土的抗氯离子渗透性也受到了较强的劣 化。 表1 3 显示五座桥均受到一定程度的碳化腐蚀，其中团港桥的外侧和六灶桥 的内侧尤其严重，碳化程度分别为1 9 5 r a m 和1 8 0 m m 。从表1 2 和表1 3 可见， 上海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 混凝土的氯离子渗透性和碳化深度对混凝土耐久性的评价是一致的。 表l 一1 通电量与氯离子渗透性的关系 t a b l ei - li n t e r a c t i o nb e t w e e nc h a r g el o a d i n ga n dc i - p e r m e a b i l i t y 通电量( c )c 1 一渗透性 4 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 f ，则材料表层将会出现开裂现象。 若改变水泥基材料组成及其所处环境条件，一方面可使材料抵抗开裂的塑性 抗拉强度发生变化，另一方面也可使毛纽管失水收缩形成的毛细管张力发生改 变，从而使o m 口与f 满足o 自口f ，则材料表层的开裂状况可得以减轻，甚 至消失。 对于硬化后混凝土材料的收缩开裂，同样在有约束存在条件下，若材料失水 收缩产生的收缩拉应力o * 与材料抗拉强度f 。满足o 镕 f a ，则材料将会出现收 缩开裂现象。 若。m 与f 满足o f 。，则材料的收缩开裂状况可得以减轻，甚至消失。 我们亦可用开裂指数k 来表示，即k = 。f ，从理论上分析： 若k 1 时，材料开裂； 若k = 1 时，材料达到开裂的条件； 若k 1 时，材料不开裂 基于上述分析，若要搞清水泥基材料收缩开裂的机理，方面需要研究其不 同组成条件下的抗拉强度，另一方面需要了解其同条件下的收缩应力，然后对二 者进行比较判断，从而对混凝土收缩开裂现象采取针对性措施加以防止和消除。 由于实际上现在未找到一种能同时测量开裂处收缩应力和抗拉强度的有效方法， 所以笔者设想能通过适当途径，增加材料抗拉强度f 。，或减小。，减小材料本 4 上海大学硕士学位论文7 昆凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 身的收缩应力，以此改善混凝土开裂现象。 2 2 2 抗裂措旋初探 根据以上公式可以看出，可以通过以下两种方式来防止裂缝的产生 ( 1 ) 降低材料的收缩应力； 为了降低材料的收缩应力，可采用补偿收缩的办法，通常做法就是掺加膨胀 剂，即补偿收缩混凝土又称为膨胀混凝土，依据具体配方的不同，在水化过程中 其体积不产生收缩反而略有一定的限制膨胀，补偿混凝土由于自收缩、干燥收缩、 温度收缩等收缩，产生自应力，使水泥石更为致密，从而使水泥石具有良好的气 密性和抗渗性，使混凝土达到防裂抗渗的目的。”1 。目前普遍使用膨胀水泥或水 泥中掺加膨胀剂来配制补偿收缩混凝土。 ( 2 ) 增强塑性阶段材料本身的抗拉强度，并降低其收缩应力； 由于水泥混凝土内部存有许多孔隙和微裂缝的缺陷，混凝土浇筑初期，不断 发生早期塑性收缩裂缝，并随龄期的延长，混凝土裂隙的继续扩大和发展，混凝 土收缩裂缝逐渐增多。 由于水泥基材料的塑性收缩开裂对工程质量的危害性及其易发性，选用的抗 裂方案还必须注意塑性阶段的开裂问题。图2 2 水泥浆在开始干燥和重新潮湿时 的典型行为，从图可以看出，在开始干燥时所产生的大部分总收缩是不可逆的， 对材料性能影响较大，于是许多国家的学者开展了水泥基材料塑性收缩开裂研究 1 3 3 1 1 3 4 1 1 3 5 1 。 负应变i 时间_ 图2 2 水泥浆体水化过程中干燥和重新潮湿的典型行为 f i g2 - 2 t h et y p i c a lm o d e lo fc e m e n tm o l a rd r y n e s sa n dr e w e td u r i n gh y d r a t i n g 混凝士掺入少量的纤维后，在混凝土内部形成三维交错的支撑网络，由于纤 上海大学硕士学位论文混凝士开裂机理分析及抗裂措施研究 维的弹性模量高于早期塑性状态的水泥基材，并且由于纤维的直径较细，纤维间 距较小，纤维的比表面积大，因此具有明显的阻裂效应【3 6 】，有效地抑制了混凝 土地塑性收缩，提高混凝土抗开裂地性能。 2 3 补偿收缩混凝土 补偿收缩混凝土的应用范围较宽。美国的膨胀混凝土全部用作补偿收缩混凝 土：日本的膨胀混凝土约有二分之一用于补偿收缩，其余二分之一作为自应力混 凝土：前苏联习惯上均称作自应力混凝土，实际上很多用途如屋面、路面、水柜、 游泳池、冰球场、填缝等均属于补偿收缩，但前苏联发展膨胀混凝土的重点是压 力管道，即自应力混凝土管。我国2 0 多年来大力发展自应力混凝土压力管，故自 应力混凝土的用量较多，近几年来补偿收缩的用途迅速增加，现在二者的用量日 趋接近。 补偿收缩科学地讲，就是用限制膨胀来抵消全部或部分的限制收缩，从根本 上消除导致混凝土开裂的因素，达到解决开裂问题的目的。因此说，补偿收缩功 能使膨胀混凝土成为一种极有发展前途的防渗结构材料。 我国混凝土膨胀剂开发应用已有2 0 多年历史，在吴中伟院士的补偿收缩混 凝土理论的指导下。”取得很大成绩。拒不完全统计，膨胀剂全国年销售量到 2 0 0 1 年达4 0 万吨，从1 9 8 0 2 0 0 1 年，我国在工程上应用膨胀剂已达3 0 0 万吨， 以平均4 0 k g m 3 计算，折合补偿收缩混凝土约7 5 0 0 万立方米。 然而，我国膨胀剂大多以立窑煅烧的膨胀熟料或高铝废渣作原料，其质量水 平和稳定性较低，膨胀率不高，对早期强度有影响，而且掺量偏大，一般为水泥 用量的1 0 1 5 ，有的甚至为1 2 1 4 ，显然，这不仅会增加成本，还会给 施工带来不便。而且，大多数膨胀剂在集料中含有活性二氧化硅及水存在的条件 下，会发生碱一集料反应，从而导致集料与胶结材料界面结构疏松，给结构造成 破坏。本文采用掺加钢渣来复合膨胀剂来改善抗裂效果，下图为膨胀剂和钢渣复 配而得的抗裂防水剂对混凝土膨胀率的影响，有关膨胀剂和钢渣配比优化问题将 在第四章中进行讨论。 上海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 g ? o 褂 业 蛩 一一抗裂防水剂掺量a 一抗裂防水剂掺量b 、 基准混凝土 厂 废- 一一 1 02 0 、 3 04 05 06 0 、 ，- 旦：天， 、一- 一 混凝土开裂 图2 3 抗裂防水剂对混凝土膨胀率的影响 f i g2 - 3 i n f l u e n c eo fa n t i c r a c k i n ga g e n t0 1 1e x p a n d a b l er a t i o no fc o n c r e t e 一般认为，只要混凝土的限制收缩不超过混凝土的极限拉伸率，混凝土就不 会开裂”1 。由图可知，普通混凝土中各种收缩变形叠加后，限制收缩值往往超过 极限拉伸率( e 。= 1 2 1 0 - 4 ) ，所以容易出现裂缝。而掺加抗裂防水剂后，混 凝土具有较佳的收缩补偿作用，能有效降低混凝土收缩应力，从这个观点出发， 限制膨胀时，膨胀率要大，后期收缩不超过极限拉伸率，因此混凝土就不会开裂。 事实上，采用补偿收缩技术后，由于膨胀剂在水泥水化和硬化过程中产生膨胀源， 使体积膨胀，在钢筋和邻位的限制下( 限制条件下) ，可在结构内建立自应力值 oc ，也相当于提高了混凝土的抗拉强度，或者说是抵消了混凝土因各种收缩变 形造成的拉应力，使混凝土内的拉应力数值降低甚至转化为压应力，从而改善了 混凝土的应力状态，即抗裂防水剂一方面可以起到推迟了收缩的产生过程；另一 方面，抗拉强度在此过程中获得了较大幅度的增加，当混凝土收缩开始时，其抗 拉强度已经增长到足以抵抗混凝土收缩变形的强度，从而减少或防止混凝土裂缝 的出现，因此研究一种能有效限制混凝土后期收缩，并能改善其耐久性能的抗裂 防水材料显得非常重要。 2 4 纤维增韧混凝土 1 9 6 3 年，美国的j p - r o m u a l d i 等人提出了纤维混凝土的阻裂机理( 又称 如拍幅叫协柚拍 上海大学硕士学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 纤维间距理论) ，才使这种复合材料的发展有实质性的突破。1 9 6 6 年美国混凝 土协会成立了纤维混凝土专业委员会( a c l 5 4 4 委员会) ，继而国际标准化协会也 增设了纤维增强水泥制品技术标准委员会( 简称i s ot c 7 7 ) 。2 0 世纪7 0 年代后 期，美国、加拿大最先采用，并推广至墨西哥、澳大利亚、日本、韩国以及东南 亚若干国家与地区。 我国正式开展纤维混凝土的研究起步比较晚，于2 0 世纪7 0 年代末，有关科 研单位和大专院校爿开始研究纤维混凝土的配合比、增强机理、物理力学性能等， 并使纤维混凝土在实际工程中得到应用。目前，在一些水利、交通、军工、建筑、 矿山等行业，纤维混凝土已有成功的实际应用经验，我们对于纤维混凝土己从实 验研究阶段逐渐过渡到了实际工程的应用阶段。 纤维抗渗防裂混凝土充分利用混凝土各种原材料在混凝土中的功能优势，改 善此混凝土的孔结构，通过乱向分布的纤维各向同性的特性，限制和约束混凝土 在不同方向的结构缺陷破坏，从而达到防止裂缝出现的目的i 蚰1 。这样配制的纤 维抗渗防裂混凝土，从原理上看就具备刚柔相济、柔中带刚的抗裂防渗功能。 将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，并应用混合原理推定纤维混凝土的 抗拉和抗弯强度。在基体和纤维完全粘结的条件下，并在基体和连续纤维构成的 复合体上( 设纤维是同方向配置于基体中) 施加拉伸力时，该复合体的强度，是 由纤维和基体的体积比和应力所决定。用公式表达为： ，x l = ，j lv j v + ox v x v = ，j l v 】+ 0 x v x ( 2 2 ) 式中x l 、，j 广分别为纤维混凝土和基体的抗拉强度； 。x 纤维混凝土达到抗拉强度时纤维的拉应力； v 】、v ) ( 一单位体积内的基体体积和纤维体积；v j + v x = v 上式是纤维从基体中拔出，即基体与纤维间韵粘结破坏为前提。 本文首先从聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维对水泥基材料的塑性收缩开裂改善机 理分析探讨入手，在弄清其机理的基础上，最终解决水泥混凝土材料的塑性失水 收缩开裂问题。 2 4 1 纤维的基本的性能 由于混凝土与砂浆的相似性及混凝土塑性收缩开裂实验工作量等原因，笔者 上海大学硕： 学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 采用了砂浆塑性收缩开裂实验。下表中列出的为本文中所采用的几种纤维及其性 能的基本参数。 表2 - 1 纤维的基本参数 t a b l e2 - 1b a s i cp a r a m e t e ro ff i b e r 2 4 2 裂缝当量分析 1 、实验方法 塑性阶段收缩开裂实验【4 】l 采用9 1 4 m mx 6 1 0 m mx 1 9 m m 的木模，用砂浆搅拌 机按水泥：砂：水= 1 ：1 ：0 5 ( 质量比) 的配比搅拌约3 m i n ，对于纤维砂浆则 同时加入相应体积掺量的纤维，并适当延长搅拌时间。然后将拌和料沿木模边缘 螺旋式向试模中心进行浇注，直至拌和料自动流满整个木模，立即用刮平长木条 沿试模长边快速刮平试件表面。试件成型后即打开位于试模长边的风速约为5 m s 的电风扇，并开启位于试模上方约1 5 m 处的1 0 0 0 w 碘钨灯，实验布置状况示意 于图2 4 。 光照4 h 后关灯，风吹2 4 h 后关闭电风扇。采用自制3 r a m ，2 r a m 和l m m 塞 尺测量裂缝宽度，按裂缝宽度d 分段测量裂缝长度l i ，以表2 2 列出的裂缝宽度 权值，按下式计算塑性收缩开裂总权重值w ： w = a i - l i ( 2 3 ) w 反映了塑性收缩开裂的总长度，以c m 计。 上海大学硕士学位论文混凝士开裂机理分析及抗裂措施研究 2 、实验结果与讨论【4 2 】h 3 删 当在水泥砂浆中参加占砂浆体积o ，1 的不同纤维，实验条件为2 5 _ 2 。c ，温 度为2 0 2 时，其水泥砂浆收缩开裂情况见图2 5 、表2 3 及图2 - 6 。 图2 - 5 实验效果图 f i g2 - 5p l a c t i c a lp h o t oo fe x p e r i m e n t 由表2 3 可知，掺加纤维后，水泥基材料均具有定的防裂效果，在实验条 件相对苛刻的情况下，我们可以清楚地看到纤维对防止塑性开裂的有效性，但是， 纤维种类不同，所得的开裂相对权重值也不同，掺加未经改性的聚丙烯纤维a 时，相对权重值为7 8 6 ，而掺加0 1 改性后的m 型纤维时，开裂相对权重值 仅为6 1 2 ，这一结果说明，通过选择纤维的品种可以显著减少甚至完全消除浇 上海大学硕士学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 筑后尚处于塑性状态时产生的裂缝。 表2 - 3 塑性阶段裂缝权重值分析 t a b l e2 - 3 a n a l y s i so fp l a s t i cw e i g h t e dc r a c k i n gv a l u e 通过对实验结果中裂缝宽度分布数据的分析( 见图2 6 ) 可以发现，纤维具 有细化裂缝作用，尤其当掺加c 、d 和m 型时，细化裂缝的效果更为明显。实 验过程中还发现，由于纤维的存在，同时也可以减少混凝土表面的析水现象，使 水泥砂浆具有较佳的匀质性。 7 0 6 0 5 0 曼a o 魁 娄3 0 群2 0 l o 0 i i 口基准 1 日 l 口b i 皿c l 曰d l 皿m l | l 匡愧匡毡亘川 裂缝宽度 图2 - 6 掺加各种纤维后的裂缝宽度分布 f i g2 - 6c a n n yw i d t hd i s t r i b u t i o no ff i b e rc o n c r e t e 2 4 3 塑性应力分析 1 、实验方法 上海大学硕e 学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 塑性收缩应力测定的方法是在塑性收缩开裂测试的平板法的基础上改进而 成的。在原有的塑性收缩辜测定采用的9 1 4m m x 6 1 0m m x1 9m m 的木模上再嵌套 一个同样容积的木模，嵌套好的两个木模放置在一个凹形木板中( 凹形宽度略长 于9 1 4m m ) ，使得嵌套好的木摸不能在长边方向随意移动。然后在上面的木模前 后两个短边方向的边框、距中心1 5 c m 处各钻两个5 m m 左右的小孔，用于引出 导线。实验时先搅拌与实验砂浆配比相同仅多掺加了缓凝剂的水泥砂浆，浇注入 下方的己铺垫了塑料薄膜的木模内，然后将一块较大的塑料薄膜平铺在缓凝砂浆 上面，再将同样配比的水泥砂浆浇注在塑料薄膜上，让其自由下沉。与此同时， 将两个用以传递应力的钢筋笼( 采用中4 m m 的钢丝制成长5 0 0 m m 宽4 0 m m 高 1 8 m m 的长方体框架，并在其长度方向和宽度方向分别均匀增加2 根和l 根同样 直径的钢丝，如图2 7 所示) 传力装置放入木模中，其长度方向为木模宽度方向， 两钢筋笼间距5 0 c m 。在个传力装置距中心1 5 c m 处分别用导线( 0 2 0 o n 铜丝) 引出，穿过木模两端的小孔分别与两个同样的测力计( 量程为1 0 0 n ，测量精度为 0 1 n ) 连接，而在另一个传力装置距中心t 5 c m 处同样分别用导线( 铜丝) 引出， 穿过木模两端的小孔分别与固定在底板上的固定柱连接。实验前先适度张紧导 线，使测力计有一定的读数，保证导线处于受拉状态，如图2 - 8 所示。随后，立 即用已经润湿的铝板沿试模长边快速刮平试件表面。在以上工作完成后立即打开 位于试模长边的风速约为5 m s 的电风扇，并开启位于试模上方约1 5 m 处的 1 0 0 0 w 碘钨灯。每隔一定时间间隔( 1 5 m i n 或5 m i n ) 读取一次测力计的读数，以 两个测力计的读数和，按下式计算塑性收缩应力。 口毛细管2 z p , ( t h ) ( 2 4 ) 式中f 为5 0 0 m m ；h 为l g m m ；p l 为收缩力，单位为n 。 2 、实验结果与讨论【4 2 】【4 5 】 本实验中纤维掺量为o 1 ，图2 - 9 为基准水泥砂浆塑性阶段收缩力随时间的 变化情况，图2 1 0 为各种纤维对收缩力变化的影响。 e 海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 图2 7 传力装置 f i g2 - 7 f o r c er i g g i n g z v r 好 掣 图2 8 塑性收缩应力测量装置 f i g2 - 8 m e a s u r es e t t i n go fp l a s t i cs h r i n k a g es t r e s s 图2 - 9 基准砂浆收缩力随时间的变化情况 f i g2 - 9s h r i n k a g ef o r c eo fb a s i cc e m e n tm o r t a ra ta n ym o m e n t 2 3 8 7 8 5 4 3 2 ，0 9 8 7 6 5 4 a 2 ，0 上海大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 图2 1 0 各种纤维对收缩力变化的影响 f i g2 - 1 0 t h ei n f l u e n c eo ff i b e ro ns h r i n k a g ef o r c e 由以上结果可以发现，掺加纤维后砂浆的收缩力均有不同程度的降低，a 、 b 、c 、d 、m 的最大塑性收缩力较不掺纤维的砂浆1 7 1 n 分别下降6 4 3 、1 5 2 、 1 5 2 、4 1 5 、3 5 1 ，这是由于表层材料中存在纤维，一方面使其失水面积有 所减小，水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小； 另一方面，纤维在塑性状态的混凝土中承受干缩而产生的拉应力，可以降低材料 产生的收缩应力。 并且从图中可以看出，纤维的加入，有效延缓了应力产生的时间，并降低其 收缩应力值。我们知道，混凝土塑性阶段开裂主要因为塑性状态的混凝土强度极 低，当水分蒸发时，混凝土因收缩而产生拉应力，极易引起裂缝，而纤维使达到 最大收缩应力的时间延长，当产生最大收缩应力的时候，水泥基材料本身已具有 足够的抗拉强度来抵消由于收缩引起的拉力，有效减少与防止裂缝的产生和发 展。 2 5 本章小结 本章分析混凝土开裂的原因，并从力学角度得出开裂的原因是由于材料本身 的抗拉强度不足以抵消水泥基材料的收缩应力。针对这一点，本章提出两种有效 上簿大学硕士学位论文 混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 防止裂缝产生的方法：( 1 ) 掺加抗裂防水剂：( 2 ) 掺加聚丙烯( 聚丙烯腈) 纤维。 通过力学实验发现： ( 1 ) 掺加抗裂防水剂后，混凝土的收缩率明显降低，两种掺量的混凝土均 能有效补偿混凝土的后期收缩，并使其收缩率小于极限拉伸率； ( 2 ) 掺加各种纤维后，水泥基材料塑性阶段的裂缝得到有效控制，可以发 现通过对纤维的选择，可以将塑性阶段裂缝控制到最少甚至裂缝消失：通过收缩 应力实验发现纤维能降低塑性阶段收缩应力( 降低幅度最高达4 1 5 ) 的同时， 还能延缓应力产生的时间。 上海大学硕士学位论文混凝土开裂机理分析及抗裂措施研究 第3 章纤维混凝土性能的研究 混凝土( 砂浆) 基材中掺加纤维是提高混凝土( 砂浆) 韧性的一条有效途径【4 6 】。 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维都是低弹性模量人工合成纤维，具有强度高、延性好、 耐久性优良和价格低廉等特点1 4 7 岬】，故而在混凝土制品领域中具有广阔的应用 前景，目前纤维混