（水利工程专业论文）大体积混凝土裂缝控制及处理措施研究.pdf

山系大学硕士学位论文 大体积混凝裂缝控制及处理措施研究 摘要 大体积混凝土浇筑后水泥水化热温升较高，由于体积较大，聚集在混凝士内 部的水泥水化热不易散发，混凝士内部温度显著升高，造成混凝土内夕 温差较大， 混凝土表面易产嶷裂缝。降温阶段，混凝土逐渐散热收缩，混凝土内郝易出现贯 穿性裂缝。总之混凝土的升降温过程会引起混凝土内部温度应力剧烈变化而导数 混凝结构产生有害裂缝，施工难度较大。大体积混凝土的裂缝控制是一项较复 杂的技术，理论与实践经常存在一定的偏麓。本论文以大体积混凝土施工阶段的 裂缝控制为研究对象，在对裂缝的种类及成因进行分析的基础上，阐述了大体积 混凝土裂缝控制的理论及措施。 主袋研究内容包括： l 、大体积溪凝豹裂缝静类及产生甄瑕研究： 2 、大体积混凝土的裂缝控制理论及措施研究； 3 、通过以上研究提患了五条大体积混凝土裂缝控制技术建议。 关键词：大体积溉凝土、裂缝控制、信息化施工、飚浇带、保温养护。 山东大学硕士学位论文 o nt h ec o n t r o la n dt 讧e a s u r e s t o d e a lw i t hc r a c ki nm 【a s sc o n c r e t e a b s t r a c t a f t e rm a s sc o n c r e t eb e i n gp o u r i n g ，t h eh e a tf o r m e di nt h ec e m e n t h y d r a t i o no fm s s sc o n c r e t ec a nn o tg oo u te a s i l yb e c a u s eo ft h el a r g e d i m e n s i o n t h ei n s i d et e m p e r a t u r er i s e sh i g ha n dt h u sf o r m sal a r g e r t e m p e r a t u r ec o n t r a s tb e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d e a sar e s u l t ，c r a c k e m e r g e so nt h es u r f a c eo fc o n c r e t e w h e nt h eh i g ht e m p e r a t u r ed r o p s ，t h e c o n c r e t es h r i n k sg r a d u a l l ya n dm a k et h ec r a c kp a s st h r o u g ht h ei n n e r c o n c r e t e i naw o r d ，d u et ot h ed r a m a t i cc h a n g eo ft e m p e r a t u r e ，c r a c ki s e a s yt of o r mi nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fm a s sc o n c r e t ea n dm a k e st h e m a s sc o n c r e t ec o n s t r u c t i n gd i f f i c u l t l y t h ec o n t r o lo fc r a c ki nt h em a s s c o n c r e t ei sv e r yc o m p l e xb e c a u s eac e r t a i nd i s t a n c ee x i s t sb e t w e e nt h e o r y a n dp r a c t i c e c r a c kc o n t r o l l i n gi nc o n s t r u c t i o np h a s eo fm a s sc o n c r e t e i sr e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y z i n go fs o r t sa n d r e a s o n so fc r a c k ，t h isp a p e re x p a ti a t e so nt h et h e o r ya n dm e a s u r e so fc r a c k c o n t r 0 1 t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1t h er e s e a r c ho ns o r t so fc r a c ka n dr e a s o n sf o rc r a c ki nm a s sc o n c r e t e ： 2t h er e s e a r c ho nt h e o r ya n dm e a s u r eo fc r a c kc o n t r o li nm a s sc o n c r e t e ： 3i nt h ee n d ，f i v ep i e c e so fs u g g e s t i o na r eg i v e n k e y w o r d s ：m a s sc o n c r e t e ：c r a c kc o n t r o l ：i n f o r m a t i v ec o n s t r u c t i o n ：l a t e p o u r i n gs l o t ：m a i n t e n a n c eo fw a r mk e e p i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：觯导师签名： 山东大学硕士学位论文 第1 章相关概念及当前国内外研究状况 大体积混凝土结构在现代工程建设中有着广泛的应用，比如各种型式的混凝 土大坝、桥梁港工建筑物、高层建筑的地下室混凝土底板以及很多大型设备的基 础承台等都是用大体积混凝土浇筑而成的 1 1 相关概念 1 1 1 大体积混凝土 所谓大体积混凝土，一般认为现场浇筑的混凝土其尺寸大到必须采取措施以 对付水泥水化产生的热量以及伴随发生的体积变化，尽量减少温度裂缝。美国混 凝土协会( a c i ) 规定的大体积混凝土的定义是：任何就地浇筑的混凝土，其尺 寸之大，必须要求采取措施解决水化热问题以及随之引起的大体积变形问题，以 最大限度减少开裂的混凝土就可以称之为大体积混凝土。日本建筑学会标准 ( j a s s 5 ) 的定义是：结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，同时水化热引起混凝土内 的最高温度与外界气温之差，预计超过2 5 的混凝土，称之为大体积混凝土 我国2 0 0 1 年4 月1 日生效的普通混凝土配合比设计规程( j g j 5 5 2 0 0 0 ) 中规 定：“大体积混凝士混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于l m ，或预计会因 水泥水化熟引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。” 1 1 2 裂缝与裂缝控制的概念 一般说来，裂缝是指固体材料中的某种不连续现象，在学术上属于结构材料 强度理论范畴。近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量的工程实践所提供 的经验表明，裂缝是一种人们可以接受的材料特征。结构物的裂缝是不可避免的， 如对建筑物抗裂要求过严，必将付出巨大的经济代价，科学的研究是将其有害程 度控制在允许范围之内。这些关于裂缝的预测、预防和处理工作，称之为“建筑 物的裂缝控制”。要达到这一目的，必须先深入了解混凝土的物理力学性质，探 索裂缝产生的原因，并经过大量的工程实践不断总结，不断摸索，在现有的理论 基础上不断完善，不断创新。 1 2 工业与民用建筑大体积混凝土结构设计与施工的特点 ( 1 ) 混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的十分之一左右，拉伸变形 也很小，短期极限拉伸变形只有( o 6 1 o ) 1 0 1 ，约相当于温度降低6 l o 的变形；长期加载时的极限拉伸变形也只有( 1 2 2 o ) 1 0 1 。 ( 2 ) 大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑后，由于水泥水化热， 山东大学硕士学位论文 内部温度急剧上升，此时弹性模量很小，徐变很大，升温引起的压力不大，但在 日后温度逐渐降低时，弹性模量较大，徐变很小，在一定的约束条件下会产生相 当大的拉应力。 ( 3 ) 大体积混凝土通常是暴露在外边的，表面与空气或水接触，一年四季中 气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力 ( 4 ) 大体积混凝土结构通常是不配钢筋或钢筋数量很少，如果出现了拉应力， 就要依靠混凝土本身来承受。 基于上述特点，在大体积混凝土结构设计中通常要求不出现拉应力或只出现 很小的拉应力，对于自重、水压等外荷载，要做到这一点一般不困难。但在施工 和运行期间，在大体积混凝土结构中往往会由于温度变化而产生很大的拉应力。 要将这种由于温度变化而引起的拉应力限制在允许范围内是不容易的。正是由于 这个原因，在大体积混凝土结构中往往会出现这种所谓的“温度裂缝”。 经验表明，要防止大体积混凝土结构中出现危害性的裂缝，须精心设计、糟 心施工，才能使裂缝得到控制。所以说，温度应力分析、温度控制和防止裂缝的 措施，是大体积混凝土设计与旌工中十分重要的课题。 1 3 目前国内外研究状况 裂缝控制的理论研究是随着科学计算水平的提高和实验技术的完善而逐步 发展的。早在十九世纪各国科学家就从结构材料强度理论角度出发，探索混凝土 开裂的基本原理，最早提出的唯象理论建立在简单基本试验的基础上，在均质、 弹性、连续的假定前提下推导出材料强度的各种计算公式，后期又引进了塑性理 论，为解决问题提供了理论依据。随着对材料微观结构的认识，又提出了混凝土 结构的构造理论和分子强度理论，但这两方面的研究还远未成熟。相比之下，热 力学计算理论在计算混凝土结构内部由于水化热引起的温度变化中得到了较好 的应用，在计算得到温度场的基础上建立合适的力学模型，求解结构的温度应力， 进而决定是否需要采取控制措施，这种方法在设计和施工过程中得到了普遍认 可。对于边界条件比较简单的情况国内外不少学者从热传导基本方程出发，推导 了混凝土结构温度场和应力场的理论解，并综合试验情况，归纳成计算表格，大 大方便了使用。对于情况比较复杂的计算，则大多采用数值解法，常用的有一维 和二维差分法及有限单元法，这些方法的采用，可以较精确的计算温度场和温度 应力。实际上，无论是理论解法还是数值解法都是建立在不同程度假定的基础上， 不可能完全客观地反映大体积混凝土裂缝的规律，在裂缝控制方面，更多的研究 2 山东大学硕士学位论文 集中在工程实践中如何采取有效措旅达到防止裂缝的目的。 概括国内外裂缝处理的经验，可以总结出“抗与放”这一对辩证统一的原则 在结构裂缝控制过程中，运用这一原则，是结构既不产生很大的变位，又不产生 很大的应力，确保承载力的极限状态，又满足使用极限状态，这种“抗放兼施， 以防为主”的设计原则在工程中得到广泛的应用 裂缝控制中“抗”的原则主要体现是增加结构物的配筋配筋对混凝土抗拉 强度及极限拉伸值的影响在钢筋混凝土基本理论研究中一直是个引人注目并长 期争论的问题。一种认为配筋对混凝土的极限拉伸没有影响；另一种认为配筋可 以提高混凝土的极限拉伸，从而提高混凝土的抗裂性能，双方共同的观点是钢筋 能起到控制裂缝扩展，减少裂缝宽度的作用 国内一些学者对这个问题进行过大量的研究认为：混凝土材料结构是非均质 的，有大量不规则的应力集中点，这些点由于应力首先达到抗拉极限强度，引起 局部塑性变形，如果没有钢筋，继续受力，便在应力集中处出现裂缝，如适当配 筋，钢筋将起到约束混凝土的塑性变形，分担部分混凝土的内应力，因为混凝土 发生收缩，钢筋不收缩，相互之间会产生位移，由于钢筋和混凝土之间的粘结力 存在，会引起自约束应力实际上大体积混凝土的配筋率较低，一般小于1 ， 因而其内部自约束力是比较小的，可以忽略不计 迄今为止，关于配筋能否提高混凝土极限拉伸值的问题仍无定论，难以用定 量的标准来衡量。争论的焦点仍然是如何确定出现裂缝的瞬间问题，对于这个问 题，目前尚无明确的标准。 在实际中更多采用“以放为主”的原则，即通过设置伸缩缝( 后浇带) 的方 法来实现。我国现行混凝土设计规范( g b j l 0 8 9 ) 规定：现浇钢筋混凝土连续梁 式结构，处于室内或土中条件下的伸缩缝间距为5 5 m ，露天条件下为3 5 m ，无筋 混凝土工程相应问距为2 0 m 和1 0 m ，和水工结构相近 前苏联及东欧一些国家一贯以伸缩缝作为控制裂缝的措施。法国的钢筋混凝 土结构规范规定对不能自由膨胀收缩的结构应当考虑温度收缩影响，法国的一些 连续墙式结构设计采用3 0 4 0 m 的伸缩缝间距。英国规范规定处于露天条件下的 连续浇注钢筋混凝土结构最小伸缩缝间距为7 m 。美国混凝土协会( a c d 在伸缩 缝方面无明确规定，也没有给出具体的计算方法，要求设计者对这类结构进行温 度应力计算和配筋，由设计者自己确定合理的伸缩缝间距。日本土木学会混凝土 规范的混凝土标准中对大体积混凝土作了原则规定，要求采取措施控制温度裂 缝，根据混凝土一次浇筑量和裂缝控制的要求设置施工缝。 山东大学硕士学位论文 综上所述，目前大多数国家靠设置永久式伸缩缝来控制裂缝，伸缩缝间距为 3 0 4 0 m ，个别为l o 2 0 m ，有少数工程采取不留伸缩缝的作法，其主要依据是 这类工程一般也要靠设置临时性的伸缩缝，即后浇带，其间距为l o 3 0 m 。但是 这样就增加了施工的难度，还容易造成渗漏，特别是采用现代化泵送工艺后，由 于水灰比大，含砂率高，水泥用量多，浇灌速度快，工程裂缝的险情增加，裂缝 控制难度不断增大。到目前为止，在裂缝的机理方面以及裂缝与建筑物的长度究 竟是怎样的关系问题，仍无明确的定论。 4 山东大学硕士学位论文 第2 章大体积混凝土裂缝种类及成因分析 建筑物的渗漏和破坏往往始于裂缝，所以人们一般把裂缝的出现视作危险的 征兆，甚至产生“裂缝恐惧症”多年来，尤其是二十世纪六十年代以来，通过 大量混凝土试验研究，己经证实了在尚未受荷的钢筋混凝土结构中存在着肉眼看 不见的微观裂缝( 简称微裂) 。可以说，混凝土出现裂缝是绝对的，没有裂缝是相 对的。所谓“裂缝控制”就是通过适当的技术措施控制建筑物使其不产生有害裂 缝，达到抗裂防渗等目的。 2 1 裂缝的种类 2 1 1 微观裂缝与宏观裂缝 现代混凝土研究已经证实，在尚未受荷的钢筋混凝土结构中存在着肉眼看不 见的微观裂缝，有些学者据此建立了混凝土构造模型并通过弹性理论计算，从理 论上证明了变形约束应力可以引起微裂缝。一般认为，混凝土的微裂缝主要有以 下三种： ( 1 ) 粘着裂缝，是指集料水泥石的粘接面上的裂缝，主要沿集料周围出现； ( 2 ) 水泥石裂缝，是指水泥浆中的裂缝，出现在集料与集料之间； ( 3 ) 集料裂缝，是指集料本身的裂缝。 在这三种裂缝中，前两种较多，集料裂缝出现较少。混凝土的微裂缝主要指 粘着裂缝和水泥石裂缝。微裂缝的存在，对混凝土的基本性质，比如弹塑性、徐 变、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等产生重要影响。荷载试验 表明，当混凝土受压，荷载在3 0 极限强度相应的荷载以下时，微裂缝几乎不变； 到3 0 9 6 7 0 荷载时微裂缝开始扩展并增加；到7 0 9 6 9 0 9 6 荷载时，微裂缝显著地扩 展并迅速增多，且微裂缝之间相互串连起来，直至完全破坏。 因为微裂缝的分布是不规则的，沿截面是非贯穿的，所以具有微裂缝的混凝 土是可以承受一定拉力的。但是，在结构的某些受拉力较大的薄弱环节，微裂缝 在拉力作用下很容易扩展并串连全截面，从而较早地导致断裂。另一方面，混凝 土材料的非均匀性使混凝土对抗拉甚为敏感，即抗拉强度r 的离散程度远较抗压强 度大。实际工程结构的裂缝，绝大多数是由于抗拉强度不足而引起。在混凝士微 裂缝扩展串连之前，混凝土截面有良好的抗剪能力，即使微裂缝扩展并串连横贯 全截面，仍可靠摩擦力及交错面的咬合力而维持工作。但进一步扩展将会使混凝 土失去抗剪能力，这时欲维持其继续工作必须依靠配置钢筋。实际上混凝土结构 山东大学硕士学位论文 物纯剪破坏是很少的，而剪拉破坏则是常见的。 微裂缝的原因可按混凝士的构造理论加以解释，即视混凝土为集料、水泥石、 气体、水分等组成的非均质材料。混凝土水化和硬化的同时，产生不均匀的体积 变形：水泥石收缩较大，集料收缩小；水泥石的热膨胀系数大，集料较小。它们 之间的非自由变形产生了相互约束应力。按照构造理论简单的计算模型，假定圆 形集料不变形且均匀地分布于均质弹性水泥石中，水泥石产生收缩变形引起内应 力就会导致粘着微裂缝出现。 混凝土微裂缝是肉眼不可见的。肉眼可见裂缝范围一般以0 0 5 1 r a n 为界，大于 或等于0 0 5 r a m 的裂缝称为宏观裂缝，宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果一般工业 与民用建筑中，宽度小于0 0 5 r a m 的裂缝对使用功能不影响，因此可以假定裂缝小 于0 0 5 m 的结构为无裂缝结构。 总的来说，混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，裂缝控制的目的也就 是将混凝土控制在无大于0 0 5 m 裂缝的状态 2 1 2 温度裂缝 混凝土随着温度的变化而发生膨胀或收缩，成为温度变形对于大体积混凝 土施工阶段来说，裂缝由于温度变形而引起的，可称为初始裂缝或早期裂缝。大 体积混凝土内出现的裂缝，按其深度一般可分为表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝 等三种。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构整体性、耐久性和防水性，影 响正常使用，危害严重。深层裂缝部分切断了结构断面，也有一定危害性表面 裂缝虽然不属于结构性裂缝，但在混凝土收缩时，由于表面裂缝处断面削弱且易 产生应力集中，能促使裂缝进一步开展。 一般来说，由于温度收缩应力引起的初始裂缝，不影响结构物的承载能力( 瞬 时强度) ，而仅对耐久性和防水性产生影响。对不影响结构承载力的裂缝，为防 止钢筋锈蚀、混凝土碳化、防水防渗等，应对结构加以封闭或补强处理；对于地 下或半地下结构来说，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在 0 1 叽o 2 m m 时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈；如 裂缝宽度超过0 2 r o m e o 3 m m 时，则渗水量按裂缝宽度的三次方比例增加。所以在 地下工程中，应尽量避免超过0 3 m m 贯穿全断面的裂缝。 由于大体积混凝土截面大，水泥用量多，水泥水化释放的水化热会产生较大 的温度变化，由此形成的温度应力及混凝土的收缩是施工阶段产生裂缝的主要原 因这种裂缝主要有以下四种： ( 1 ) 混凝土浇筑初期升温阶段，水泥水化产生大量水化热，使混凝土的温 6 山东大学硕士学位论文 度很快上升，混凝土表面散热条件较好，热量可向大气中散发，温度上升较少； 混凝土内部由于其传热系数较小，热量散发较少，温度上升较多，这样就形成了 内外温度梯度，导致内约束，其结果是混凝土内部产生压应力，面层产生拉应力， 当该拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面产生裂缝。要注意这种裂缝常 常会被误认为是混凝土表面的泌水、养护不好造成的龟裂，实际上这种裂缝要比 龟裂深得多。 ( 2 ) 混凝土硬化后期降温阶段( 一般为混凝土浇筑3 4 天后) ，水泥水化热基 本己全部释放，混凝土从最高温度逐渐降温，产生冷缩。由于存在较大的内外温 差，混凝土内部温度下降较多，外部降温数值较小，导致外约束，使得内部混凝 土中形成较大的拉应力而导致开裂 ( 3 ) 在升温阶段，由于混凝土没有硬化产生强度，故地基、基础等边界条件 对其不形成约束应力。在降温阶段，混凝土已硬化产生了强度并且与边界条件形 成一体，当混凝土冷缩时，受到边界条件的约束，产生拉应力而导致开裂。 ( 4 ) 混凝土的收缩( 干缩) 受到边界条件的约束产生拉应力而导致开裂。 后三种裂缝严重时会形成贯穿裂缝，破坏结果的整体性、耐久性和防水性， 影响正常使用 2 2 裂缝产生的原因分析 根据有关资料，由施工因素造成的混凝土早期裂缝占8 0 * , 6 左右，因混凝土材 料方面的原因造成的的裂缝占1 5 左右，因设计不当造成的裂缝占5 左右。按照 日本混凝土工程协会编写的混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程，混凝 土裂缝的产生主要与材料、施工、设计、使用环境等有关。因此，下面就这几个 方面讨论产生裂缝的原因。 2 2 1 混凝土本身的影响 2 211 混凝土的体积稳定性 混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理、化学作用下产生变形的能力。 体积稳定性不好的混凝土容易开裂，使混凝土的抗渗性等物理、化学性能降低， 溶液性的物质渗透到混凝土中，从而造成混凝土的耐久性能下降。混凝土的体积 变化可以分为三个阶段。 ( 1 ) 硬化前的体积变化 混凝土在浇筑成型后，在硬化前就发生了早期收缩。早期收缩主要是由于水 分蒸发产生的干燥收缩、高水灰比混凝土泌水与骨料沉降导致的沉降收缩和由于 山东大学硕士学位论文 表面泌水造成的塑性收缩以及由于水泥自身水化而产生的收缩( 一般认为，水泥 水化生成物的体积比反应前水泥与水的体积之和小，从而产生收缩) 。 ( 2 ) 硬化过程中的体积变化 在硬化过程中，混凝土会产生三种收缩：干燥收缩、水化收缩( 也称硬化收 缩或化学减缩) 、自收缩。 ( 3 ) 硬化后的体积变化 混凝土在硬化后，会由于碳化，于湿变化以及温度变化等原因而产生体积变 化。混凝土碳化的结果会产生收缩，在水中或高湿度环境下会吸水产生润湿膨胀， 在干燥条件下会产生干缩，会由于温度的提高发生热胀，也会由于降温产生冷缩。 这说明混凝土硬化后受诸多因素的影响，会发生体积变化 2 2 1 2 混凝土的收缩 收缩是混凝土本身所固有的一种重要特性。在没有负载的情况下，混凝土往 往由于收缩变形而导致开裂。混凝土的收缩变形主要有自收缩、干燥收缩、塑性 收缩、温度收缩、化学减缩、碳化收缩、沉降收缩等。 一、干燥收缩 混凝土置于未饱和空气中，因水分散失而引起的体积收缩变形称为干燥收 缩。混凝土干燥收缩主要是由水泥石的干燥收缩造成的，水泥石干燥收缩的理论 有毛细管张力学说、表面吸附学说、夹层水学说等，无论是哪种学说，都认为是 水分蒸发引起混凝土的干燥收缩。混凝土的水分蒸发、干燥是由外向内、由表及 里逐渐发展的，过程非常缓慢，产生干燥、收缩裂缝多数是在一个月以后，有时 甚至一年半载后。干缩裂缝一般产生在表层很浅的部位，裂缝细微，宽度通常在 0 0 5 m o 2 m m 2 _ 问，走向纵横交错呈龟裂状，没有规律性，常常不为人们所重 视，但是干缩裂缝会加快混凝土碳化，导致钢筋锈蚀，不仅会严重损害薄壁结构 的抗渗性和耐久性，对大体积混凝土而言，表面裂缝会发展成为更严重的裂缝， 影响结构的耐久性和承载能力。 影响混凝土干燥收缩的因素主要有水泥品种、水泥用量、用水量、骨料品种、 外加剂、掺和料、混凝土的施工、养护等 ( 1 ) 用水量的影响 干燥收缩与混凝土的用水量有关。水泥的水化用水仅占水泥用量的2 5 左右， 而要使混凝土具备足够的施工和易性所需的水占水泥总量的4 0 左右。这些水在 混凝土浇筑完成后，一部分沿模板渗出，一部分从混凝土表面蒸发掉，还有一部 分留在混凝土内部。 山东大学硕士学位论文 混凝土在养护过程中，水泥石强度的增长是与毛细管中水分的失去同时发生 的。在失水过程中，较大孔隙中的自由水失去后会留下孔洞，降低混凝土的抗渗 能力；较小的毛细管中的水失去时，因水表面张力的增大，引起混凝土收缩。 ( 2 ) 水泥品种及水泥用量的影响 美国混凝土学会的专题研究报告认为，普通硅酸盐水泥干缩率的影响因素主 要有：ca s o , ，碱含量及c a f 含量；而卡而辽通过单纯化合物试验证明c , s 水泥浆 比c 3 s 水泥浆有较大的收缩。 水泥的干缩率比较：矿渣硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 中低热水泥 粉煤灰 水泥水泥用量多、用水量大，干缩也大。 ( 3 ) 骨料品种的影响 骨料品种对混凝土的收缩影响也较大，见表2 1 。一般低收缩性骨料为石英、 石灰岩、花岗岩及玄武岩。另外，骨料粒径大收缩小，含水量增加收缩也增加 砂也有这种倾向，砂率大或使用过量的粉砂，会使混凝土干缩增大 表2 1 骨料品种对混凝土的收缩影响 骨料密度( 1 0 3 k g m 3 )吸水率( )一年收缩率( i 0 - 4 ) 砂岩2 7 5 5 o 1 1 6 板岩 2 7 51 3 5 8 花岗岩 2 6 7o 84 7 石灰岩 2 7 40 24 1 石英岩 2 6 60 33 2 ( 4 ) 外加剂、掺和料的影响 掺加引气荆会增加干缩，但含气量在5 以下对干缩无明显影响。减水剂和缓 凝剂可以减小混凝土的水灰比，但对混凝土的干缩影响较小，有时减水剂甚至有 增大混凝土于缩的趋势，使用时要注意。 质量良好、含有大量球形颗粒的优质粉煤灰由于其比表面积小，需水量少， 取代了部分水泥，故能降低混凝土的干缩值。 ( 5 ) 施工和养护的影响 水灰比过大，养护期不同( 7 天2 8 天) 等都会影响干缩，养护时间延长可以 减少干缩值，但对最终于缩值影响不大。 模板、垫层过于干燥，吸水量过大也能导致干缩裂缝。 二、自收缩 山东大学硕士学位论文 自收缩是指胶凝材料在稳定的温度下体积收缩而质量并不发生改变的现象， 它是引起水泥石体积收缩，导致早期开裂的一个重要原因。自收缩不同于混凝土 的干缩，它是水泥石在与外界无水分交换的条件下出现的。对于水灰比较低的水 泥浆体，由于含水量不足，限制了水泥的进一步水化，硬化水泥浆体内部湿度较 低，自收缩更加明显。自收缩现象早在5 0 多年前就由h e d a v i s 和p o w e r s 等提出， 后来许多学者对它进行了进一步的研究。 1 、自收缩现象产生的原因 自收缩现象是与混凝土在水化过程中产生的自干燥现象紧密相连的。在水泥 水化过程中，水化反应产物的绝对体积v h 小于消耗水的体积v 和水化水泥的体积 v 。之和，即1 - v + v 一v ，这种现象首先是由l ec h a t e l i e r 发现的，也被称为l e c h a t e l i e r 减缩，记作v 。当硬化水泥石不能再与外界水源接触时，l ec h a t e l i e r 减缩就不可避免地造成在原来水饱和的孔洞中形成气孔，随着水化反应的进行， 这种气孔所占的空间会越来越大，水蒸汽和水的平衡压也越来越低，这时就出现 了。白干燥”现象。因此硬化水泥石中微孔的状态对于自干燥现象影响很大。硬 化水泥石中包括两种类型的孔：凝胶孔和毛细孔。凝胶孔是水化产物的固有部分， 而毛细孔实际上是新拌水泥浆体中水泥颗粒之间空问的残余部分。在水化过程中 被凝胶孔所固定的那一部分水是不能流动的，也就是说毛细孔水即使被消耗掉， 它们也不能提供给化学反应之用，这说明如果在毛细孔中没有足够的自由水，水 化反应将停止，而不管水泥石中是否有未水化的水泥颗粒，此时白干燥现象也随 之停止。另外也说明凝胶孔始终是水饱和的，而毛细孔由于受自干燥作用而不是 水饱和的。计算结果表明，毛细管压对于早期水泥浆体自收缩的一些是非常显著 的，当毛细管内的相对湿度从l o o 降低到8 0 9 6 时，毛细管压将从o m p a 增大到3 0 肝a ， 如此大的压力必将导致水泥石的收缩。 2 、影响自收缩的因素 影响硬化水泥石浆体自收缩的因素很多，如水灰比、水泥类型和矿物掺和料 的种类与掺量等。 ( 1 ) 水灰比的影响 许多实验结果表明，随着水灰比的降低，自收缩值明显增加，因此对于使用 高效减水剂的高强混凝土来说，自收缩值是较大的。 ( 2 ) 水泥类型的影响 在低水胶比的情况下，高铝水泥和早期水泥的早期自收缩值比较大，并将导 致较大的最终收缩值；中热水泥和贝利特水泥的自收缩值比较小；矿渣水泥在水 l o 山东大学硕士学位论文 化一段时间之后的自收缩值比较大 ( 3 ) 水泥矿物组分的影响 自收缩值的大小主要依赖于c 。a 和c 舢的百分含量和水化程度，g s 和c o s 的百 分含量影响较小 ( 4 ) 矿物掺和料的影响 用磨细的粒化高炉矿渣替代部分水泥，发现自收缩值随高炉矿渣掺量的增加 而增加；掺加硅灰也增大水泥石的自收缩值；掺加部分经过处理的憎水粉末如憎 水石英粉等，可以明显地降低自收缩值，这种效应主要是由于增大固相和孔中液 相的润湿角，降低了孔中液相产生的毛细管压力 ( 5 ) 高效减水剂的影响 相同水灰比条件下掺加高效减水剂的种类和掺量对自收缩降低值影响很小 ( 6 ) 水泥细度的影响 水泥细度增加，早期自收缩值明显增加。 三、塑性收缩 塑性收缩是新拌混凝土由于失水引起的收缩。它的失水是由表面脱水而导 致。新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水，当高风速、低相对湿度、高气温和 高的混凝土温度等因素作用时水从浆体向表面移动，从表面脱水，这时产生毛细 管负压力。随着失水增加，毛细管负压逐渐增大，产生收缩力，使浆体收缩，当 收缩力大于基体的抗拉强度时，就会使表面开裂。通常认为，当混凝土表面脱水 速率超过o 5 k g m 2 h ，则失水速率将大于渗出水到达混凝土表面的速率，并造成 毛细管负压，引起塑性收缩：如蒸发速率超过i o k g n , h ，则需采取预防开裂的 措施。据试验，混凝土早期塑性收缩最大速率发生在浇筑后l 4 小时内( 这种收 缩大多发生在混凝土拌和后约3 1 2 小时，在终凝前比较明显) 。混凝土塑性收 缩的大小约为水泥绝对体积的1 ，多见于道路、地坪、楼板等大面积混凝土工程， 以夏季施工最为普遍。 影响混凝土塑性收缩的原因除了风速、环境温度、相对湿度等外部因素外， 还有水灰比、细掺料、浆骨比、混凝土的温度和凝结时间等内部因素。相对而言， 干硬性混凝土的塑性收缩比塑性混凝土小，而流态混凝土最大。 减小塑性收缩的措施有： ( 1 ) 严格控制水灰比，不要使水灰比过大； ( 2 ) 振捣要密实，振捣时间以5 1 5 s 次为宜； ( 3 ) 凝固时间不易过快，柱、墙、深梁与板等变截面结构宜分层浇筑； 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 混凝土下料不宣太快； ( 5 ) 注意高温季节给硬化带来的影响，采取适当措施缓凝，炎热气温和日晒 会促进混凝土失水，要注意降温、保湿； ( 6 ) 施工中避免遭遇大风袭击，以免引起剧烈水分蒸发，形成上部和下部或 截面中部与边缘部位硬化不均和差异收缩； ( 7 ) 掺加减水剂和适量的粉煤灰，可减少沉缩量，促进工作性和流动性； ( 8 ) 在混凝土浇灌1 2 d , 时后，对混凝进行二次振捣，表面拍打振实； ( 9 ) 避免混凝土搅拌时间过长。 由于混凝土浇筑后不久，从凝胶体中析出的晶体不多，所以凝胶体粒子问主 要是物理性接触，抗塑性变形能力较大。因此，只要加强早期养护，不使混凝上 表面干燥，一般不会开裂 四、化学减缩 化学减缩也称水化收缩，是无水熟料与水发生化学反应，使固相体积逐渐增 加而水泥水体系的绝对体积较小导致的。所有的胶凝材料水化以后都有这种 减缩作用，具体地说，是由于水化反应前后反应物与生成物的平均密度不同所引 起。水泥与水起化学反应的过场中，原来的自由水成为了水化产物的一部分，使 它的比容由原来的l c m g 变成约0 。7 5 e r g ，也就是说，硅酸盐水泥的化学减缩量 约为化学结合水的2 5 ，体积减缩总量约为7 蚴。因此可以认为，化学结合水 量越大的水泥，其最终化学减缩量也越大。硅酸盐水泥的各个组成矿物有不同的 化学减缩量，其中c l a 的化学减缩量最大，约为c 3 s 和的3 倍，约为c a f 的4 5 倍。 所以，c 止的含量越大，水泥的减缩越大。此外，水泥中的石膏含量即s 0 , 含量也 影响水泥的体积变化。 掺用矿物细掺料时，水泥的化学减缩与细掺料的活性有关磨细矿渣越细， 活性越高，化学减缩越大，因此磨细矿渣不宜过细。 五、温度收缩 混凝土随温度下降而发生的收缩称为温度收缩，简称冷缩。对于大体积混凝 土，裂缝的产生主要是由于温度变化引起的。因此，如何尽量减少温度收缩变形 是一个及其重要的问题。在无约束条件下，混凝土温差t 所引起的温度收缩变 形是a t 与混凝土热膨胀系数的乘积( 即o a t ) 。混凝土热膨胀系数一般为 0 1 0 x 1 0 。 c ，而水泥浆体的热膨胀系数为1 3 x 1 0 1 ，骨料的热膨胀系数则 与骨料的品种有关，石灰岩质骨料的值一般为( 0 6 0 o 7 0 ) x1 0 7 ，这三种材 料( 混凝土、水泥浆体、骨料) 热膨胀系数的差别使混凝土在降温的过程中产生 山东大学硕士学位论文 内部局部温度应力。另外由于混凝土结构的热传导性能差，混凝土的外部温度可 能已接近环境温度，而内部温度仍处于原始状态，从整体结构温度分布来看，在 混凝土结构中形成较大的温度梯度，从而产生相当大的结构温差应力。上述两种 不同形式的温度应力相叠加，造成混凝土承受相当大的温度应力，有时甚至比荷 载产生的应力还大 造成混凝土温度升高的原因是原材料自身的温度较高，水泥水化时放出热量 以及外界气温的升高等，其中水泥水化时放出的热量是温度升高的主要原因。为 减少冷缩，应避免使用如石英岩、砂岩等热膨胀系数大的集料。 六、碳化收缩 空气中含有c o , 约0 0 4 ，在相对湿度合适的条件下，c o , 能和混凝土表面水泥 水化生成的水泥水化物很快地发生反应，生成c a c o , 等和游离水，该反应过程称 为碳化碳化作用必定产生游离水，游离水蒸发时产生毛细管张力，从而引起浆 体收缩，称为碳化收缩。碳化收缩是不可逆的。 首先是与c a ( 0 h ) 。发生反应生成t a c o s 和游离水，导致体积收缩t c a ( 伽) z - j - c o = - c a c o = + h = o 水泥中的其它水化物必须在一定浓度的c a ( o h ) ：溶液中才能稳定地存在， c a ( o h ) 碳化的结果是水泥浆体中的碱度下降，继而其它水化物也可发生碳化反 应，伴随水分的损失，也引起体积收缩。 如果混凝土有足够的密实度，碳化就只限于表面层，很难向内部进行，而在 表面层，干燥速率也是最大的干缩和碳化收缩的叠加受到内部混凝上的约束， 就可能会引起严重的开裂。无论是单纯的碳化还是在于缩的同时发生的碳化，或 者先干缩再在其后碳化产生的收缩，都是在相对湿度为5 0 9 6 左右时最大，这是因 为过高的湿度( 1 0 0 9 6 ) 使混凝土孔隙中充满了水，二氧化碳不易扩散到水泥石中 去，或水泥石中的钙离子通过水扩散到混凝土表面，碳化生成的c a c o ，把表面孔 隙堵塞，碳化作用不易进行，故碳化收缩较小；相反，过低的湿度( 如2 5 ) ， 孔隙中没有足够的水使c 0 ：形成碳酸，碳化作用也不易进行，碳化收缩相应也很 小：在水中，碳化停止。当孔隙吸附的水膜只够溶解c a ( o h ) ，和c o 。时，碳化速率 最快，混凝土碳化合适的相对湿度是4 5 7 5 。实际工程中使用的混凝土通常不 可能有单纯的碳化，一般干燥后再碳化的收缩最大，应当尽量避免。 影响碳化的因素有水灰比、水泥品种和用量、细掺料等。 七、沉降收缩 因浇筑时混凝土的流动性不足或流动过大，混凝土的塑性坍落受到顶部钢筋 1 3 山东大学硕士学位论文 或模板的限制，或是由于模板的移动下沉，或是斜面浇筑的混凝土向下流淌硬化 前没有沉实或沉实不足或沉实不均就会发生裂缝。这种裂缝是在混凝土浇筑后 1 3 , b 时，尚处于塑性阶段，水分大量蒸发沿着梁上面和底板上面钢筋的位置发 生的激烈收缩和不均匀沉缩，这种裂缝即为沉缩裂缝。 混凝土的沉缩变形与混凝的流态有关，中等流态混凝土相对沉缩变形为 ( s o - t o o ) 1 0 1 ，大流态混凝土相对沉缩变形为2 0 0 1 0 。，比收缩大数十倍。可 见流动性大的混凝土，其相对沉缩变形几乎超过普通千缩变形的3 0 6 0 倍，是十 分客观的，如不注意，容易引起早期裂缝。 八、混凝土实际收缩情况 混凝土的实际收缩受水泥类型、细度、水灰比、胶凝材料用量、骨料性质、 施工和养护等因素影响。在混凝土水化硬化前到硬化后的整个过程中，各种收缩 交结在一起。综合各种裂缝的特性可以认为，对于大体积混凝土，早期收缩主要 是冷缩，长期收缩主要是干燥收缩，其它收缩所占比例相对较小。 九，外加剂对混凝土收缩的影响 混凝土外加剂是近半个世纪以来发展较快的一项新技术。在混凝土的拌制过 程中加入各种外加剂，可以节省水泥，提高施工速度和施工质量，改善工艺和劳 动条件，改善混凝土的性能。 减水剂一般具有分散水泥颗粒和调节凝结时间的作用，在混凝土中掺加适量 的减水剂可以改善混凝土的和易性，提高强度，节省水泥。按照使用减水剂的目 的不同，对收缩的影响是不同的。一般来说，为了提高强度而掺用减水剂时，由 于水灰比减小而可使收缩减小；当掺入减水剂是为了节省水泥而保持强度不变 时，虽然减水剂对水泥颗粒有吸附作用和分散作用，破坏了水泥粒子群结构，使 水泥较分散，易水化，使收缩增大；另一方面，由于水泥用量的减少又使单位体 积内的灰浆率减小而使收缩减小。由于两种影响的互相抵消，使这种情况下减水 剂的掺入对收缩基本没有影响；当掺入减水剂的且的是为了增加混凝土的和易性 和流动性时，由于减水剂的掺入使水泥颗粒容易水化而使收缩增加。 在混凝土中掺入引气剂可以在混凝土中产生一定数量的气泡，以减少混凝土 在流动过程中对管壁的摩擦阻力。一般情况下，掺入引气剂会减低混凝士的强度， 因此宜控制其含量。引气剂对混凝土产生两种作用：从成分上有增加收缩的作用； 另一方面可以减少含水量，又有减少收缩的作用。二者共同作用，对收缩几乎不 产生明显影响。 单加缓凝剂，一般会使收缩裂缝加重，有时还会诱发收缩裂缝。 1 4 山东大学硕士学位论文 适当的使用高性能矿渣掺合料等量取代部分水泥，能起到增加流动性和大幅 度提高强度的作用。掺合料颗粒形状大多数为珠状，在骨料间起着滚珠的作用， 润滑骨料表面从而改善混凝土的流动性；同时由于骨料一般比较细，能够填充在 骨料的空隙及水泥颗粒的空隙中，使得颗粒级配更趋理想化，使混凝土达到较为 密实的状态，减少用水量。高性能矿渣掺合料本身不具有活性或活性较低，但其 含量中有部分活性s i 弘a l 籼等，在碱性环境下受到激发，可表现出胶凝性能。 水泥中有调凝作用的石膏，水化后能产生石灰碱，在这样的环境中，掺合料的活 性成分发生反应，生成具有胶凝能力的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙， 提高混凝土的强度。 十、泵送混凝土特性对混凝土收缩的影响 与传统混凝土相比，泵送混凝土具有大流动性、高强度的特点。配制高强度 混凝土的水泥一般采用标号大于等于4 2 5 的硅酸盐水泥、普通硅酸欲水泥或特种 水泥( 调粒水泥、球状水泥) ，同时兼顾水泥的需水性及水泥品种与外加剂的适应 性。在配制过程中，由于水泥标号高、用量大，使施工中的水化热比普通混凝土 大了很多，因而形成了较大的温差和温度应力。 混凝土的流动性，一方面可以通过适当地添加外加剂获得，另一方面应注意 提高混凝土的砂率和水灰比。由于粗骨料容易在砂浆流动的过程中产生自旋和无 规则运动而增加泵送阻力，因此要控制粗骨料的最大粒径和粒型；在较小范围内 加大砂率，可以润滑骨料表面，减少空隙率，使用水量减少普通混凝土的含砂 率一般在3 5 3 6 间，而泵送混凝土可以增加到4 2 4 5 间；但是砂石骨料的粒 径较小会使混凝土的收缩增加，对结构抗裂不利。 增大水灰比、加大用水量可以增加泵送混凝土的流动性，但降低了混凝土的 抗离析能力和后期强度理论研究表明，水泥完全水化的极限w c 是0 2 2 7 左右， 多余的水不参与水化反应，自由水蒸发，在硬化混凝土中形成贯通毛细孔，加上 其它水分蒸发形成的孔隙，使总孔隙率增大，降低了水泥石与骨料之间的粘结力， 导致混凝土强度下降，收缩增加。因此，在旌工中应考虑选择合理的外加剂( 减 水剂) ，在保证混凝土流动性的情况下，减小砂率，减少用水量。 2 2 1 3 混凝土的徐变 混凝土结构在任意荷载作用下，除了发生弹性变形外，还产生一种随时间缓 慢增加的非弹性变形，称为“徐变变形”。徐变变形比瞬时弹性变形大l 3 倍。 这种徐变变形的性质，是混凝土内部质点的粘性滑动现象。当结构变形不变，其 内部约束应力因混凝土内部质点的粘性滑动而产生的应力减小，称为“应力松 山东大学硕士学位论文 弛”。 在大体积混凝土结构中，徐变能降低混凝土的温度应力，减少收缩裂缝，在 结构应力集中区和因基础不均匀沉降引起局部应力的结构中，徐变能削减这类结 构的应力峰值。有时在大体积混凝土工程施工中可在保持强度不变的条件下，以 设法提高混凝土的徐变来达到减缓结构裂缝的目的。但结构的徐变也有不利的一 面，比如徐变会使结构的长期变形不断加大；在预应力混凝土结构中，徐变会引 起预应力的损失等，所以应综合考虑徐变的影响。 2 2 1 4 骨料与水泥石的界面 混凝土中水泥基体与骨料接触面而产生的界面具有特殊的性能，使之成为混 凝土结构中最薄弱的环节。在骨料界面处常由于水膜层或气孔的存在造成局部的 结构疏松，形成孔隙与水化品体的富集与定向排列。在荷载的作用下，骨料和水 泥石由于弹性模量的差别变形不一致，界面成了应力集中的区域。在微裂缝的引 发作用下，原生孔缝和次生缝互相连通导致混凝土结构破坏。界面区还是混凝土 中最容易引进侵蚀因素的