（材料学专业论文）轻骨料混凝土塑性收缩及耐久性研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 混凝土塑性收缩开裂在早期裂缝中相当突出，其存在不仅影响混凝土工程外 观质量，促使干燥收缩裂缝或其它形式裂缝的形成和发展，而且还将为侵蚀性介 质向混凝土基体渗透、迁移提供通道，影响混凝土工程的安全和耐久性。 轻骨料混凝土质轻、高强，在大跨度结构工程中使用，能够有效降低结构本 身的载荷，经济、技术效益显著。因此，加强对轻嚣料混凝塑性收缩和耐久性 研究对促进轻骨料混凝土发展和指导工程实践具有重要的理论和现实意义。 本文较为系统地研究了用高强页岩陶粒所配制混凝土的塑性收缩裂缝特性以 及瞬时压载荷作用后，轻骨料混凝土耐久性的变化规律。结果表明： 水泥用量一定时，在试验有效水灰比o 3 5 o 5 0 范围内，混凝土水分蒸发 量随水灰比的增大而增大。有效水灰比较小时，轻骨料混凝士裂缝面积较大，并 在有效水灰比为o 4 0 时达到最大；而水灰比较高时，混凝土开裂程度较小，甚至 不开裂。在一定范围内，新拌轻骨料混凝土的开裂程度随砂率的增大而增大， 当砂率超过某- - 1 1 i 界值后，裂缝随砂率的增大而减小，这一最大裂缝所对应的砂 率变化范围在3 5 4 0 之间。轻骨料吸水率随其粒径的增大而增大，用较大粒 径轻骨料制混凝土水分蒸发速率较大，但拌合物塑性收缩裂缝较小；同时，浸水 处理轻骨料所配制的混凝土塑性收缩较小。矿渣和粉煤灰对轻骨料混凝土塑性 收缩裂缝的影响与其掺量有关，存在一临界掺量，其值为2 0 3 0 ，在此掺量以 下，掺矿渣或粉煤灰轻骨料混凝土裂缝面积增大，超过临界掺量后，裂缝面积减 小。由于轻骨料的吸水特性以及“微泵”效应，骨料与基体之间的界面区域优越而 使得轻骨料混凝土具有优良的耐久性，且强度等级较高的轻骨料混凝土，耐久性 较强。瞬时载荷使轻骨料混凝土耐久性降低，降低幅度与瞬时载荷水平有关。 瞬时载荷，强度( 标养2 8 d 强度) 介于4 0 6 0 时，混凝土抗碳化、冻融以及硫酸 钠和硫酸腐蚀能力( 耐久系数) 降低 5 ；瞬时载荷强度介于6 0 8 0 时，混凝 土耐久系数降低达1 0 2 5 ，腐蚀介质浓度较高时，耐久系数降低较大。 关键词：轻骨科混凝、塑性收缩、水分蒸发速率、耐久性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h e p l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n gg i v e sp r o m i n e n c et oe a r l yc r a c k i n g i tw o u l dn o t o n l y e f f e c tc o n s t r u c t i o n a p p e a r a n c e a n d p r o m o t e t h e p r o p a g a t i o n o ft h ec r a c k s g e n e r a t e d f r o m d r y i n gs h r i n k a g e o ro t h e r f a c t o r s ，b u t a l s o p r o v i d ep a s s a g e s f o r a g g r e s s i v ea g e n t sp e n e t r a t i n ga n dm o v i n g i n t ot h ec o n c r e t em a s s ，w h i c ht h r e a t e n e dt h e s a f e t ya n dd u r a b i l i t yo f c o n c r e t ec o n s t r u c t i o n l i g h t w e i 曲ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( l w a c ) h a sl i g h tw e i g h ta n dh i g hc o m p r e s s i o n ， w h i c hc a nr e d u c et h e1 0 a do fc o n c r e t ei t s e l fi nm a s s i v ec o n c r e t ec o n s t r u c t i o na n d h a d n o t a b l ee c o n o m i ca n dt e c h n i c a lb e n e f i t t h u s ，i ti so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et op a y a r e n t i o nt ot h es t u d yo n p l a s t i cs h r i n k a g ea n dc r a c k i n g i no r d e rt op r o m o t et h ep r o g r e s s o f l w a ca n dd i r e c tc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n p r a c t i c e ， c h a r a c t e r i s t i co fp l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n go fc o n c r e t em a d eo fh i 曲s t r e n g t h c e r a m s i t em a d ef r o ms h a l ea sc o a r s ea g g r e g a t ea n dv a r i a b i l i t yl a wo fl w a co nt h e c o n d i t i o no fi n s t a n t a n e o u sc o m p r e s s i v el o a dw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i s p a p e n i tc o u l db ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： w h e nt h ec e m e n tw a ss a m ei np e rc u b i cm e t e r , a n dt h er a t i o no fq u a n t i t yo f w a t e rt o c e m e n t ( w c ) w a sb e t w e e no 3 5 a n d0 5 0 ，e v a p o r a t i o nq u a n t i t yo fw a t e r i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f w ca n dt h e r ew a sac r i t i c a lw cr a t i oo f m a x i m u m p l a s t i c s h r i n k a g ec r a c k i n g b e t w e e nl o w e ra n d h i g h e rw cr a t i oo f c o n c r e t em i x t u r e s ，w h i c hw a s a b o u to 4 0 l w a cw i ml o w e rw cr a t i ow e r ep r o n et op l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n g , b u t h i 曲e rw cl e s sp r o n et o t oac e r t a i n t yo fs a n dp e r c e n t a g e ，l w a cw i t hm o d e r a t e c r i t i c a ls a n d p e r c e n t a g e ，w h i c hc h a n g e d i na b o u t3 5 4 0 ，w a sm o r es e n s i t i v et op l a s t i c s h r i n k a g ec r a c k i n gt h a nc o n c r e t e sw i t hl o w e ro rh i g h e rs a n dp e r c e n t a g e w a t e r a b s o r p t i o nr a t eo f c e r a m s i t ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi t sd i a m e t e nr a t eo fw a t e r e v a p o r a t i o no fc o n c r e t e sw i t hb i gd i a m e t e rc e r a m s i t ew a sl a g e r , b u ta r e a o fp l a s t i c s h r i n k a g ec r a c k i n gl e s s o nt h es e c o n dh a n d ，c e r a m s i t ed e a l tw i t hw a t e r c a ne f f i c i e n t l y r e s t r a i np l a s t i es h r i n k a g ec r a c k i n go fc o n c r e t em a d eo fi t t h ee f f e c t so f s l a ga n df l y a s ho np l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n gw a sr e l a t e dt oq u a n t i t yo ft h e m t h e r ew a sac r i t i c a l q u a n t i t y , w h i c hw a s2 0 3 0 b e l o ww h i c hc o n c r e t e sc o n t a i n i n gt h e mw e r em o r e s e n s i t i v et op l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n gt h a nt h a to fc o n c r e t e sw i t h o u tf l ya s ho rs l a g ，a n d a b o v ew h i c h ，s h r i n k a g e c r a c k i n g o fc o n c r e t ed e c r e a s e d w a t e r a b s o r p t i v i t y o f c e r a m s i t ei nc o n c r e t e ，e f f i c i e n c yo f w e i b e n g o fl i g h t w e i g h ta n dg o o di n t e r f a c i a lz o n e j i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 b e t w e e nl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ea n dc e m e n t p a s t em a d el w a c d u r a b l e t h em o r e h i 曲 c o m p r e s s i o n o fc o n c r e t e w a s ，t h em o r ed u r a b l ew a sl w a c i n s t a n t a n e o u s c o m p r e s s i v el o a dw e a k e n e dd u r a b i l i t yo fl w a c ，w h i c hr e l a t e dw i t hm a g n i t u d eo f i n s t a n t a n e o u sc o m p r e s s i v el o a d w h e nt h er a t i o no ft h ei n s t a n t a n e o u sc o m p r e s s i v e l o a dt o c o m p r e s s i o n ( c o m p r e s s i o no fc o n c r e t ec o n s e r v e di ns t a n d a r dc o n d i t i o n ) w a s b e t w e e n4 0 a n d6 0p e r c e n t ，t h e a b i l i t y o fr e s i s t a n c et o c a r b o n a t i o n , f r e e z e - t h a w , c o r r o s i o no fs u l f u d ca c i da n ds u l r l h a t eo f l a w c ( d u r a b i l i t yc o e f f i c i e n t ) d e c r e a s e dn o m o r et h a n 5 p e r c e n t w h e nt h er a t i o no ft h ei n s t a n t a n e o u s c o m p r e s s i v el o a d t o c o m p r e s s i o nw a sb e t w e e n6 0 a n d8 0p e r c e n t d u r a b i l i t yc o e f f i c i e n td e c r e a s e d10t o2 5 p e r c e n t t h em o r eh i 曲c o n c e n t r a t i o no f c o r r o s i o nm e d i u m w a s ，t h em o r et h ed u r a b i l i t y e o e f f i c i e n tf e l l k e y w o r d s ：l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ，p l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n g ，r a t eo fw a t e r e v a p o r a t i o n ，d u r a b i l i t y 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 混凝土裂缝及其耐久i 生 裂缝是固体材料中的某种不连续现象，是材料本身所固有的一种缺陷。混凝 土是一种多相不匀质材料，其性能特别是变形行为受来自原材料、配制参数、施 工过程控制及环境条件的复杂影响，使混凝土结构的裂缝控制难度极大，结构开 裂现象较为普遍n 】。新浇注的混凝土，在2 3 h 出现的微裂缝往往是后期宏观开裂 的开始【2 】，这些裂缝的存在不仅使混凝土结构承载能力降低，缩短建筑物的使用寿 命：同时还为外部水分以及侵蚀性介质提供了进入混凝土内部的通道，严重削弱 了混凝土结构的长期耐久性，导致混凝土结构的有效使用寿命缩短。因此，混凝 土裂缝以及混凝土结构耐久性问题，在混凝土工程领域越来越得到广泛的关注。 荷载导致混凝土开裂的研究已相对成熟，据统计【3 1 ，混凝土结构裂缝中，由变 形引起的开裂占总量的8 0 左右，由荷载作用引起的裂缝仅占2 0 ，从而使变形 裂缝的防治成为混凝土结构裂缝控制的重要方面。早在3 0 年代针对简单构件在外 来荷载作用下裂缝的宽度、间距及形式就进行了大量的试验和理论研究，并取得 了可供工程参考的第一手资料。 随着混凝土技术的发展，工程应用的混凝土强度逐渐提高，混凝土拌合物流 动性增强，强加剂和掺合料应用日益普遍，面单方混凝土中粗骨料用量降低、最 大粒径减小使混凝土早期开裂问题越来越突出。正因为如此，二十世纪八十年代 以来，有关混凝土早期收缩和裂缝防治的研究十分活跃，工程界也高度重视【4 j 。但 目前，这些研究主要以普通骨料混凝土为研究对象，有关轻骨料混凝土塑性收缩 的研究极少。 1 2 混凝土塑性收缩及其裂缝 1 2 1 混凝土塑性收缩 关于混凝土的塑性收缩的定义有不同表达方式，内涵也略有不同。s w a y z e 【5 1 认为混凝土塑性收缩是“水泥浆体积收缩( 其收缩的幅度为干水泥绝对体积的 1 ) ”。目前，a c i 将其定义为“发生在水泥浆、砂浆或者是混凝土凝结前的收缩”。 通俗地讲，混凝土塑性收缩是指混凝土在完全凝结前的半流态或塑性阶段所产生 的收缩，是混凝土物理化学变化过程的宏观表现行为之一。 1 2 2 混凝土塑性收缩过程 混凝土塑性收缩伴随着体积的变化，这种早期的体积变化可以分成以下四个 阶段1 6 】：1 、塑性沉降：新拌混凝土固体颗粒间被水所充满，浇筑后，固体颗粒开 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 始下沉，而同时水分则开始上升，在混凝土的表面形成泌水薄层。这个阶段由于 塑性沉降而造成的混凝土的体积变化很小；2 、塑性收缩或泌水收缩：混凝土表 面水在热、风的作用下逐渐蒸发，当水分的蒸发速率超过了泌水本身的速率时， 混凝土就会收缩。这一收缩贯穿于混凝土凝结硬化的整个过程。通常认为是由于 水分蒸发使毛细管压力增大所致。在水分蒸发的条件下，分布于塑性混凝土固体 颗粒间的水由于毛细作用形成复杂的凹凸体系，即液面呈半月形，通过表面张力 的作用在混凝土中产生毛细管压力，使固体颗粒间的间距减小，混凝土体积收缩。 这个阶段的收缩称为塑性收缩，收缩值可以大于数千微应变；3 、自收缩：随着水泥 水化反应的进行，水化产物聚集在水泥颗粒的周围，填充固体颗粒间原先由水充 满的空间，这一变化伴随着水化热的释放和绝对体积的减缩，随着水化反应的不 断进行，水化产物形成网络，将所有松散的骨料颗粒连在一起，混凝土塑性逐渐 降低，体系中毛细作用变得微弱。水泥水化速率加快，塑性沉降和泌水收缩将减 慢，自收缩将增长。当混凝土处于塑性阶段时，自收缩很小，不足几百个微应变。 自收缩主要发生在混凝土硬化后的阶段；4 、次要塑性收缩：在这个阶段，混凝 土开始硬化，水泥水化速率减慢，塑性收缩随着混凝土强度的发展而趋于停止。 混凝土塑性收缩裂缝实际上就是在混凝土发生塑性收缩过程中，当体积的变 化受到诸如基础钢筋、模具等约束，且所产生的约束应力超过混凝土抗拉应力时， 将导致混凝土开裂。 1 3 混凝土塑性收缩裂缝形成机理 新浇筑混凝土水分的过快蒸发是形成塑性收缩裂缝的重要原因p j 。a c i 规定， 当水的蒸发速率超过l 蚝m 1 h 时，混凝土就会开裂，但在实际混凝土工程中，混 凝土出现裂缝时的水分蒸发速率并未达到a c i 规定的临界值，甚至比临界值小很 多，新拌混凝土也会出现裂缝。关于塑性收缩机理，w i t t m a n 8 认为是由于水分蒸 发过快，表面蒸发的水分不能得到及时的补偿，即水分蒸发速率超过了泌水速率 时，混凝土的表面将变干，此时处于表面粒子间的水将形成复杂的毛细管弯月面 体系而产生毛细压力的原因。在解释塑性收缩裂缝和毛细压力的相互关系时， w i t t m a n 的解释为：毛细压力增长很快，直至达到一最大值；然后因毛细水的重新 分布，毛细压力又突然减小。在毛细压力开始增长的同时，塑性收缩裂缝便开始 发展，直至毛细压力足够大以致使混凝土产生收缩。塑性收缩与毛细压力成正比， 当毛细压力达到最大值后，因毛细水的重新分布使毛细压力突然减小后，塑性收 缩裂缝实际上也就停止了。 毛细管压力并非是形成塑性收缩的唯一原因，塑性沉降、早期化学收缩以及 早期自收缩都会引起混凝土的塑性收缩。因此，塑性收缩裂缝的形成往往是上述 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 各种因素相互影响、相互制约的综合结果。但在一定的条件下，拌合物体系内可 能存在有利的“中心质效应”【叽，从而弥补不利因素的破坏作用，在一定程度上可以 抑制裂缝的产生和发展。 塑性沉降以及早期化学收缩产生的微应变很小，不足几百个微应变，而毛细 压力和泌水收缩产生的微应变可达数千之多，另外自收缩主要发生在混凝土硬化 后的阶段，其在塑性阶段产生的体积变化也很小。由此可见，新拌混凝土在塑性 阶段所产生的收缩主要是由毛细压力所造成的。 1 3 1 毛细压力的形成和发展作用 混凝土在浇筑后的最初几个小时，在一定的环境条件下，例如高温低湿或大 风条件下，当混凝土表面水分的蒸发速率超过了泌水到达表面的速率时，则处在 靠近表面的粒子( 水泥或骨料) 之间的水将形成复杂的弯月面体系，如图1 1 所示。 形成毛细压力p 。，其表达式如下： p ，= 6 ( 1 r ，+ 1 r ，) 1 1 其中，d 为液体表面张力，r ，r ，分别为主曲率半径。 图1 1 毛细管压力引起两粒子间的引力8 1 f i g 1 1a t t r a c t i v ef o r c e sb e t w e e n t w os p h e r i c a lp a r t i c l e sc a u s e d b yc a p i l l a r yp r e s s u r e l 8 1 在毛细压力p 。作用下，被液体分隔开的粒子之间形成引力。新拌混凝土中所 有单个粒子相对于其它粒予来说处于运动状态，较小的引力足以减小粒子之间的 间距。随着水分的迁移，固体颗粒逐渐靠近，毛细孔逐渐变细，毛细孔的压力也 随之增大，从而加快混凝土内部水分向外迁移，此时整个体系也将变得密实。随 着水化反应的不断进行，体系液相减少，浆体粘度增加，直至固化，毛细作用也 将终止。这样原初分离的粒子将逐渐地相互固定并最终形成了一个固体骨架。 在解释毛细压力随时间的关系时，w i t t m a n 在模拟条件下做了一系列试验，结 果表明，混凝土拌合物在浇筑后一个小时表面变干，毛细压力在体系中缓慢发展， 两小时后压力快速增大，经3 4 小时，毛细压力达到最大值，这之后毛细压力突 然降低。此时分散系统中剩下的毛细水将变得不稳定，并以某种方式进行重新分 布，而重分布的毛细水不能再充满分散系统中的所有孔隙，这些水仍留在较细小 的毛细管中以及存在于两个粒子之间的接触区域中而形成毛细水环，如图1 1 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 3 2 毛细压力计算 混凝土的塑性收缩主要与毛细压力有关，在计算毛细压力时，除了公式1 1 外 p o w e r s 推导出计算毛细压力的实用公式 p ：1 1 0 3 旦 1 2 w | c 。p 毛细张力( m p a ) ；，一液相表面张力( n m ) ； s 一水泥比表面积( i l l 2 k g ) ；w c 一水灰比。 p i h l a j a v a a r a 认为毛细压力与水灰比无关，他提出用来计算毛细压力的关系式为： p = 2 6x1 0 丫s p1 3 p 为水泥密度( k g r n 3 ) 。 按方程1 2 和1 3 计算的结果与w i t t m a n 8 1 用试验测得的毛细压力值比较接近， 但后者似乎更吻合一些。例如当取y = 7 3 x 1 0 2 n m ，s = 3 5 0i n k g ，p = 3 1 5 0 蝇m 3 ， w c = 0 3 5 时，公式计算值分别为o 0 7 3 和o 0 2 1m p a ，而试验所得值就为o 0 2 1m p a 。 1 4 影响混凝土塑性收缩裂缝的主要因素 混凝土塑性阶段所产生的各种收缩，包括塑性沉降、泌水收缩、早期化学收缩、 自收缩以及干收缩等等都可能会引起混凝土塑性收缩开裂。对同一配合比的混凝 土拌合物，一般来说，在较恶劣的环境条件下，诸如高温、低湿以及大风的条件 下，由于表面水的快速蒸发，泌水不能及时补偿所蒸发的水量，此时便会产生毛 细压力，当毛细压力超过了混凝土的抗拉应力时，混凝土就必然开裂。由此可见， 水分蒸发在毛细压力的形成和发展过程中起着重要的作用。另外，在相同的环境 条件下，。不同配合比的混凝土拌合物开裂的可能性以及开裂的程度，还与拌合物 的水灰比、水泥用量及品种、掺合料种类及掺量、骨料的性质、水泥凝结的快慢、 早期混凝土抗拉强度发展等一系列因素有关。其中，水灰比影响临界毛细压力及 达到临界压力的时间，这对塑性收缩及其裂缝的产生和发展极其重要。 1 4 1 水分蒸发 水分蒸发是新拌混凝土表面形成塑性收缩裂缝最重要的原因。对水分蒸发速 率的方法有实测法、公式法以及a c i3 0 5 r 9 6 关于“炎热气候浇筑”基于蒸发公式创 立的诺模图法。目前a c i 确定的关于混凝土塑性开裂时所对应的水分蒸发速率临 界值为l 蚝m 。h 。但此临界值不能作为在任何情况下判断塑性收缩裂缝可能性的 唯一依据，c a t h e r 研究表明t l o l ，当水的蒸发速率达到0 4k g ，m 2h 时，混凝土也可 能出现塑性收缩裂缝。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 2 水灰比 水灰比( 强度) 是影响混凝土塑性收缩裂缝主要的因素之一。水灰比增大， 在给定的条件下，水的蒸发量与泌水有着直接的联系，即与混凝土的孔结构有关。 在水灰比高的浆体中，一般存在着一定量相互贯通的毛细孔，这样水较容易地发 生迁移。在给定的时间内将会有更多的水上升到混凝土的表面，水分蒸发量较大， 蒸发速率也较大，使混凝土出现开裂的可能性增加。另外根据公式1 2 ，毛细压力 将减小，但此时混凝土内部由于毛细孔较多且孔隙也较大，混凝土的密实度降低， 尽管毛细压力减小，但仍然大于混凝土的抗拉强度，混凝土的塑性收缩以及干燥 收缩增大。 1 4 3 水泥 1 4 3 1 水泥组成的影响 普通硅酸盐水泥主要由硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸二钙( c 2 s ) 、铝酸三钙( c 3 a ) 以及铁铝酸四钙( c 4 a f ) 这四种矿物熟料组成。c 3 a 在水泥熟料四种矿物中水化、 凝结速度最快，是水泥石产生早强的主要矿物。但是。c 3 a 强度绝对值不高，而 且后期产生倒缩现象；c 3 a 水化放热量大且集中，水化后通过层间水的蒸发以及 形成的水化产物在转型过程中体积缩小而产生较大的收缩。一般认为，c s a 含量 越高，混凝土的收缩越大。而对于c 3 s ，一般认为其水化快，在水化过程中产生层 状和凝胶状c a ( o h ) 2 ，对水泥水化初始形成的纤维状和片状骨架空隙起填充密实作 用。它是强度骨干，干缩性小。但从3 d 到2 8 d ，水泥抗折强度的增长率随c 3 s 含 量的增加而减小，而抗压强度的增长率却明显增大，这就说明水泥石的脆性增大， 抗裂性变差。考虑到塑性收缩发生在新浇筑混凝土的最初2 5 小时，故c 3 s 含量 增大，可以减小早期塑性收缩。 1 4 3 2 水泥强度等级 水泥强度等级不同，水泥早期强度发展速率亦不同，较高强度等级的水泥虽 然溶解和水化收缩较大，但由于早期化学收缩对混凝土塑性阶段的裂缝形成影响 不大：另外较高强度等级的水泥混凝土早期强度发展较快，相比于低强度等级水 泥混凝土，其抵抗塑性收缩裂缝的能力较强”。 1 4 4 骨料 1 4 4 1 细骨料砂 砂率在一定范围内的变化对混凝土的强度影响并不显著，但会影响混凝土的 工作性。对不同水灰比的混凝土拌合物，要获得较好的工作性一般存在一个优化 砂率范围值，超过此范围，则混凝土的工作性降低。 砂的存在对混凝土的收缩有一定的抑制作用，但砂过细或过粗，即细度模数 过小或过大都会对裂缝的控制产生不利的影响。例如，用特细砂配制的混凝土， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于砂的粒径小，比表面积大，水泥浆和水的需求量大，用其配制的混凝土在工 程中极易出现塑性收缩裂缝【l “。至于砂过粗对塑性收缩裂缝的影响还需待研究。 另外在其它原材料用量不变的情况下，砂率越大，则混凝土的干燥收缩也越大。 1 4 4 2 粗骨料 1 3 , 1 4 粗骨料在混凝土中主要构成刚性骨架以便提高混凝土的密度和变形模量，从 而减少在荷载作用下的变形。水泥石在硬化时的收缩可达l 2r m m ，由于不均匀 的收缩变形，水泥石会产生内应力，从而可能导致裂缝的形成。骨料能制约水泥 石的收缩，使混凝土的收缩比水泥石减少数倍，但骨料在水泥石的收缩中所起的 制约作用的程度依赖于骨料的类型、含水率、弹性模量以及单位混凝土中骨料用 量等。 骨料通常有两大类型，即普通( 堆密度) 型和轻骨料型。对碎石而言，弹性 模量较轻骨料大，但在常压条件下，碎石的吸水率可以忽略不计，而轻骨料的吸 水率相对较大，骨料的弹性模量和体积含量对混凝土收缩应变表达式为： s = s n ( 1 一g ) “ 1 4 l o g ( s o s ) = nl o g l ( 1 一g ) j 1 5 其中s 和s o 分别表示混凝土和水泥浆的收缩；g 为骨料的体积含量分数；当骨料为 天然碎石时，n 的值为1 4 7 ；当骨料为轻骨料时，n 的值为o 9 3 。 根据公式1 4 和1 5 ，在相同的条件下，轻骨料混凝土的收缩应变应大于普通 混凝土的收缩应变，但实际情况却正好相反，轻骨料混凝土的收缩应变远远小于 公式值。 在解释这一现象时，a r o n i 和p o l i v k a 认为，由于轻骨料的吸水性，孔隙中储 存有水，从而使应变减小。此外，随着粗骨科用量的增加，骨料中吸收的水增多， 轻骨料混凝土的收缩应变继续减小。 从骨料与基材两相的相互关系来看，在普通混凝土中，由于基材和骨料两相 的弹性模量相差较大，因而在此两相的界面处容易出现应力集中的现象；而在轻 骨料混凝土中，由于基材与骨料两相的弹性模量相当，因而在此两相的界面处不 易出现应力集中的现象，因此比普通混凝土更能抵抗裂缝的出现。 1 4 5 矿物掺合料 矿物掺合料( 粉煤灰、硅灰以及矿渣) ，在混凝土中的应用不仅大大地改善了 新拌混凝土的工作性，而且也改善了硬化后的混凝土的性能，如提高混凝土的强 度、耐久性，降低成本，同时达到了废物利用，节约资源，保护环境，符合可持 续发展战略。但掺合料不同，其影响的程度不同，即使是同一种掺合料，由于掺 合料细度、化学成分和矿物组成不同，对混凝土的影响也不同。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 a l m u s s a l a m ”5 等比较研究表明，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土出现裂缝的 时间与不掺粉煤灰的混凝土相比，滞后o 5 1 h ，在掺量为水泥用量的2 0 4 0 范围内，裂缝面积随掺量的提高而逐渐降低，但都大于基准混凝土的裂缝面积。 k e j i nw a n g 等【”j 研究结果为，掺粉煤灰混凝土的失水量大于未掺粉煤灰混凝 土的失水量。另外，掺粉煤灰混凝土早期基体中的孔隙率也比不掺粉煤灰混凝土 大，但裂缝面积偏小。这与a l m u s s a l a m 等的研究有相对立的结论，原因可能是所 使用的粉煤灰品质有些差别。 a l m u s s a l a m 等的研究证明，混凝土掺入矿渣后，与基准混凝士相比，塑性收 缩裂缝面积和水分蒸发速率都较大。但按照粒子比表面积控制毛细管压力的观点， 如果矿渣的比表面积与水泥相当，则矿渣对混凝土的塑性收缩裂缝不会产生较大 的影响。 硅灰很细，平均粒径只有水泥的百分之一，除了具有很高的火山灰质活性外， 它还具有优异的填充作用。研究表明【1 ”，掺入硅灰后，水分蒸发速率减小，且蒸 发速率随硅灰掺量的增大而减少。这与掺硅灰混凝土拌合物粘度较大有关。当混 凝土水胶比超过0 4 0 时，硅灰掺量提高，混凝土塑性收缩裂缝面积增大。 1 4 6 环境条件 温度、相对湿度以及空气流动速度影响新拌混凝土和硬化混凝土的性能。高 温干燥环境下浇筑的混凝土，内部混凝土还未硬化其表面很快便呈巧克力硬壳 状而失去流动性，。在表层至内部未硬化的混凝士之间，存在一硬化梯度层。这层 硬化梯度层，制约了内部混凝土的继续变形，反之内部混凝土的变形也拉动硬化 层的变形。由于未硬化的混凝土变形快，当变形到一定程度，表层硬壳被拉裂。 水分蒸发速率增大，裂缝向混凝土内部纵深处发展。 温度偏高、湿度偏小或风速偏高，不管是否同时作用，都会加速水的蒸发和 混凝土的塑性收缩。研究表明 1 “，高温干燥环境下，混凝土的水分蒸发速率可达 到高温潮湿混凝土水分蒸发速率的1 0 倍。水的过快蒸发就会导致混凝土的收缩， 从而在混凝土内部产生张应力。 1 4 7 其它因素 除上述因素外，外加剂、施工操作以及工程结构裸露程度( 形状尺寸) 都对 混凝的塑性收缩裂缝有影响。 w i t l m a n 认为，所有影响毛细管压力或新拌混凝土硬化的外加剂都对塑性收缩 裂缝有影响。c a b r e r a 1 7 垮的试验指出，超塑化剂可以降低表面张力，并使泌水时 间延长，从而降低塑性收缩。但同时指出，不同的超塑化剂对塑性收缩裂缝的影 响程度不同，有的超塑化荆会对塑性收缩裂缝产生受面影响。近年来，随着商品 混凝土的发展，为了满足泵送的要求，一般均在混凝土中掺入高效减水剂，但这 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 种混凝土收缩较大，也很容易产生裂缝。 混凝土内的水分是从裸露表面蒸发散失，所以混凝土体积( v ) 愈大而裸露表 面面积( s ) 愈小，即体表比( v s ) 愈大时，混凝土表面泌水的时间延长，也就 能抵抗潜在裂缝的发生，但体表比过大的断面发生塑性沉降裂缝的可能性也更大。 另外，混凝土浇筑均匀性、密实性可影响混凝土内水的转移、扩散、混凝土 保湿养护充分与否可影响水泥水化程度并进雨影响混凝土内的细孔数量和孔径分 布，所有这些都可影响混凝土的塑性收缩裂缝。 1 5 混凝土耐久- 陛及影响因素 混凝土的耐久性是指其暴露在使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能 力。耐久性强的混凝土暴露在一定使用环境中应能保持其形态、质量和使用功能。 混凝土工程的寿命与设计、选材、施工及维护管理相关，提高混凝土的耐久性是 延长结构使用寿命的基础。 混凝土耐久性破坏的主要形式有：冻融作用；硫酸盐、氯盐、酸、碱等侵蚀 性介质的化学侵蚀；碳化；钢筋的锈蚀和碱一集料的反应等。因此，混凝土工程耐 久性破坏往往是几种因素综合作用的结果。 1 5 1 混凝土冻融破坏 混凝土的冻融破坏是指混凝土在负温和正温的交替循环作用下，使混凝土 从表层开始发生剥落、结构疏松、强度降低，直到破坏的现象。从上个世纪三十 年代到七十年代，混凝土冻融破坏机理被相继提出，其中以静水压假说和冰增长 假说最具代表性i ”2 0 1 。 1 ) 静水压假说：水泥浆基体毛细管中的水在结冰时，体积膨胀。如果膨胀后 的体积超过了其所能获得的空间，则多余的水将会在膨胀压力的作用下被挤出原 先的位置。水压的大小取决于水泥浆的渗透性，饱和程度、邻近的未被水充满孔 隙的距离以及结冰的速率。如果水压超过了浆体在任何一点的抗拉强度，则将导 致局部开裂。 2 ) 冰增长假说：即使水压不足以将基体撑坏，由于冰在毛细管中的累积作用， 压力也会增大。凝胶孔隙中的水受表面能的影响，由于凝胶孔隙相当的小，水的 冰点很低。这样，凝胶孔隙中的水一直是液态不变的。在o c 时，毛细管中的冰与 凝胶孔隙的水维持着均衡。随着温度的降低，凝胶孔隙中的水变成过冷水，但自 由能仍然高于毛细管中的冰，因此它在毛细管中结冰。在这种情况下，冰在毛细 管中就逐渐积聚增多，最终在毛细管壁产生压力而引起混凝土的破坏。 水压破坏和冰增长破坏在不同的环境下，所起到的作用不相同。当冻结速率 很快时，水压破坏为主要破坏形式；而当混凝土受冻时间很长时，冰增长破坏上 重庆大学硕士学位论文1 绪论 升为主要破坏形式。但在混凝土中通过掺入引气剂可以改善混凝土的内部结构， 能够有效地缓冲冻融破坏力，进而提高混凝土的抗冻性。 1 5 2 混凝土化学腐蚀破坏 1 5 2 ，1 混凝土化学腐蚀破坏机理【2 ”2 5 1 在硫酸盐的混凝土腐蚀中，尤以硫酸钠最为典型，一为硫酸钠在自然界中分 布较广；二为硫酸钠的破坏性极其严重。关于硫酸盐腐蚀机理，目前主要存在两 种理论：结晶理论和化学反应理论。 1 ) 硫酸盐结晶理论：一般认为。混凝土硫酸盐腐蚀的过程是：混凝土在 硫酸盐作用下，在混凝土孔隙和毛细管中形成低溶解度的新生物，并逐步聚集和 结晶，在初始阶段，可使混凝土更加密实，强度可有所增加，但随着持续的结晶 作用，膨胀受阻，在混凝土的孔隙和毛细管壁产生内应力，导致出现微裂缝和宏 观裂缝，使混凝土内部结构破坏，强度降低。 2 )硫酸盐化学反应理论：硫酸盐腐蚀的混凝土，由于硫酸根离子与水泥 水化产物反应，生成了体积膨胀的硫铝酸钙( 3 c a o a 1 ，o ，3 c a s o 。3 i h ，o ) 和石 膏，从而引起材料体积损失并导致破坏。 3 )降解理论：m e h t a r 2 6 】认为，混凝土的硫酸盐侵蚀破坏并不是因为硫铝酸 钙结晶以及其吸水膨胀而导致混凝土的破坏，而是在很大程度上是由于c s h 凝 胶的降解。c s h 凝胶吸收硫酸根离子后，其硬度降低而导致混凝土的破坏。 至于混凝土的硫酸腐蚀，氢离子( h + ) 和硫酸根离子( s o i 一) 对混凝土都具 有腐蚀性，因而存在氢离子和硫酸根离子向混凝土的双重渗透和双重腐蚀，但由 于氢离子比硫酸根离子小得多，在向基体渗透的过程中，受到的阻碍较小，故通 常认为，酸对混凝土的腐蚀源于h + 与水泥水化生成的c a ( o h ) ，发生中和反应，导 致c s h 的分解破坏，腐蚀产物为无胶凝性的s i 0 2 胶体和相应的酸盐；当酸浓度 较高时，还可能直接使水化物脱钙分解。 1 5 2 2 混凝土应力腐蚀【2 j 2 9 】 混凝土腐蚀的速率在很大程度上受制于混凝土的物理力学性能和微观结构的 状态。在实际情况下，混凝土受到硫酸盐的腐蚀是在承受各种应力条件下发生的。 荷载的类型、大小是引起混凝土变形、微裂缝以及开裂的重要原因，因此考虑混 凝土的硫酸盐侵蚀的同时，考虑混凝土的受载状况更具有现实意义。 m i t s u r u 对瞬时荷载作用下的混凝土氯离子( c l 一) 的渗透研究时发现，瞬时载荷 小于p u l t i m a l e 时，c i 一的渗透几乎没有任何变化，即使瞬时荷载达到( 9 0 t 0 0 ) p 。l l i 。时，结果也是这样。这与循环荷载作用下的结果明显不同，在相同的荷 载( 6 0 8 0 ) p u l t i m m 作用下，循环荷载作用下的c l 一的渗透量是瞬时荷载作 用下渗透量的3 倍。 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 此外，混凝土在受压状态下的微观结构以及徐变研究表明，在保持应力强度 ( g r ) = o 6 5 时，将加速混凝土的硫酸盐侵蚀，而当o ，r = 0 2 7 5 时，不仅不 会加速，反而有可能延缓混凝土受硫酸盐侵蚀的破坏。这是因为在较低的持续荷 载作用下，混凝士中原先的微裂缝、孔隙以及毛细管会部分闭合，使离子渗透的 速率降低，侵蚀速率随之降低：另一方面，较高压应力导致致命裂缝在数量和尺 寸上的增大，混凝土抗渗性降低，腐蚀速率加速，强度降低。 1 5 2 3 影响硫酸盐及酸侵蚀的主要因素 混凝土的渗透性：混凝土的渗透性对化学侵蚀的损坏速率起主要作用，它会 影响侵蚀深度、侵蚀区的侵蚀介质在混凝土中填充量以及混凝土内部物质的渗出。 因此混凝土的渗透率越大，则其侵蚀速率也越大。 腐蚀质的数量：腐蚀介质的浓度愈高，引起混凝土的损害程度必然也愈大， 因为化学反应的效率是随着腐蚀介质浓度的增大而提高的。此外，腐蚀介质如果 没有得到补充，则化学反应速率降低，腐蚀性减小，甚至会停止。因此，混凝土 处于腐蚀环境中，腐蚀质的补充情况对判断最终腐蚀程度十分重要。如果混凝土 长期处于未得到补充的腐蚀介质中，由于腐蚀质的量有限，将不会导致十分严重 的腐蚀。因而，腐蚀介质的补充速率也是影响腐蚀速率的一个重要因素。 溶解度：反应产物的溶解度对腐蚀速率也有影响，而且是控制混凝土损坏程 度的一个主要因素。因为在腐蚀介质中，物质的可溶解性越大，则从混凝土中分 离出去的物质量就越多，损害速率也越大。属于渗溶作用的少量可溶物质的溶解 速率通常较低，而一些非可溶性物质的形成，如堵塞在混凝土的孔隙中，则可限 制其腐蚀程度。但如其能使混凝土产生膨胀或开裂，则会加速腐蚀。 施工技术处理：将硫酸溶液的浓度控制在p h = 1 7 8 ，n i f a t t r h i 3 0 】对立方体砂 浆试块的试验表明，不定期地用尼龙刷刷去试块表面的残骸，其在硫酸溶液中浸 泡4 8 天后的质量仅为最初质量的7 5 ；而对表面没有被刷去残骸的试块来说，其 4 周后试块质量损失几乎停止。但混凝土泡酸4 9 天，即使每周对其表面刷两次， 其质量损失与未刷混凝土相比，仅相差7 。 1 5 3 混凝土碳化 混凝土碳化是指大气中的二氧化碳或某些酸性气体与暴露在空气中的混凝土 表面接触并且不断向混凝土内部扩散，与其中碱性水化物起反应的一个很复杂的 多相物理化学过程。混凝土碳化会加剧混凝土的收缩，使混凝土表面产生拉应力 而出现微裂纹，降低混凝抗拉、抗折强度及抗渗能力。更严重的是，碳化作用 会降低混凝土的碱度，当混凝土的p h 值降低到一定程度后，就会破坏混凝土中的 钢筋钝化膜，造成钢筋锈蚀，而钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混 凝土之间粘结力破坏、结构耐久性降低等不良后果。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 水泥用量和水灰比的变化影响碳化速率。水泥用量大且水灰比小，混凝土密实 度提高，混凝土抗碳化能力强；养护方法极大地影响混凝土碳化速率，混凝土初 期水养护时间稍长，对混凝土抑制碳化相当有利。f a t t u h i 研究表明【3 ”，水养护2 8 天混凝土的碳化，其碳化速率仅为空气养护所对应混凝土碳化速率的1 7 ；先水 养护3 天再转为空气养护2 5 天的混凝土，其碳化速率为对应空气养护混凝土碳化 速率的5 3 。