（材料学专业论文）特细砂混凝土塑性收缩裂缝研究.pdf

中文摘要 摘要 塑性收缩裂缝是混凝土早期裂缝的重要组成部分，大量早期原生裂纹的存在， 直接为外部侵蚀性介质向混凝土基体渗透、迁移提供了通道，从而导致了混凝土 长期耐久性的降低并加速了混凝土的劣化进程，因此对混凝土塑性收缩裂缝进行 研究具有重要意义。 目前关于塑性收缩裂缝的研究几乎都集中在中粗砂混凝土，对于特细砂混凝 土塑性收缩裂缝及其相关问题的研究几乎没有。我国的重庆、宁夏、河南等广大 地区缺少中粗砂资源，特细砂蕴藏量丰富，科学合理的利用特细砂具有显著的社 会经济效益，符合“因地制宣，就地取材”的原则；实际工程中，特细砂混凝土 已得到广泛的应用。 大量的工程实践表明，特细砂由于粒径小、比表面积大，用其配制的混凝土 更易出现塑性收缩裂缝。因此，加强特细砂混凝土的塑性收缩裂缝研究，找出预 防措施，进一步指导工程实践，显得尤为迫切。 本文采用平板端约束试验装置，研究了配制参数、原材料对特细砂混凝土塑 性收缩裂缝的影响；并对中砂、混合砂混凝土的塑性收缩裂缝情况进行了对比研 究。以上的研究得出如下结论： 1 ) 对于特细砂混凝土，水灰比为0 5 0 时，塑性收缩裂缝最小。 2 ) 特细砂混凝土的塑性收缩裂缝面积和最大裂缝宽度随胶集比而改变，存在 最大值，但两者的最大值所对应的胶集比并不相同。 3 ) 当砂率为2 7 左右时，特细砂混凝土的塑性收缩裂缝最小。 4 ) 水胶比较大时，特细砂混凝土塑性收缩裂缝随硅灰掺量的增加而增大。矿渣 掺量小于3 0 由t ，特细砂混凝土塑性收缩裂缝随掺量的增加雨增大；但当矿渣掺 量继续增大时，裂缝则表现出先减小再增大的趋势。粉煤灰的掺量为1 5 时，特 细砂混凝土的塑性收缩裂缝最大。 5 ) 水泥强度等级越高，混凝土塑性收缩裂缝面积越小；水分蒸发速率越低。 6 ) 聚丙烯纤维和钢纤维都能有效抑制特细砂混凝土的塑性收缩裂缝，且抑制 效果随掺量的增加而增强；其抑制效果与水灰比有关；两者比较，后者的阻裂效 果明显好于前者。 关键词：特细砂混凝土，塑性收缩，裂缝 一一 茎茎塑茎 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ ，- _ _ _ _ _ _ _ - 一一 a b s t r a c t p l a s t i cs h r i n k a g ec r a c kl e a d st ol a r g ea m o u n tm i c r o c r a c k sw h i c hm a k ea g g r e s s i v e a g e n t sp e n e t m t i n g a n d m o v i n g t ot h ec o n c r e t e e a s i l y a n dm a k et h ec o n c r e t e d e t e r i o r a t i n gr a p i d l y , s oi t si m p o r t a n t f o ru s b u ta l m o s ta l lt h ea u e n t i o no f t h ep l a s t i cs h r i n k a g ec r a c ka r ef o c u so nt h em e d i u m a n dc o a r s es a n dc o n c r e t ea n dt h es t u d yo fs u p e rf i n eo n en o tf o u n d i nf a c t , i nm o s t a r e a so fo u rc o u n l r y , s u c ha sc h o n g q i n g , n i n g x i aa n dh e n a np r o v i n c e ，t h ea m o u n to f c o a r s ea n dm e d i u ms a n da r el o wf i r s t l y , b u ts u p e rf i n es a n dp l e n t i f u l ，s oi tw i l lb r i n g g o o d i n d u s t r i a la n ds o c i a lb e n e f i t sw i t ht h es u eo f s u p e r f i n es a n d m o s te x p e r i e n c es h o wf o rt h es m a l la v e r a g ep a r t i c l ea n dl a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e a o fs u p e rf i n es a n d ，s u p e rf i n es a n dc o n c r e t ec a l lc r a c km o r ee a s i l y s o i ti s v e r y i m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y t om a k em o r ea t t e n t i o no nt h ep l a s t i cs h r i n k a g ec r a c ko f s u p e r f i n es a n dc o n c r e t ea n dg i v es o m es u g g e s t i o n so nt h es u p p r e s s i o na n ds t a b i l i z a t i o no f p l a s t i cs h r i n k a g e c r a c k s i nt h i s p a p e r , t h ei n f l u e n c e o fm i xp r o p o r t i o n sa n dm a t e r i a l so f ft h ep l a s t i c s h r i n k a g ec r a c ko fs u p e rf i n es a n dc o n c r e t ew e r cs t u d i e db yw a y o fa ne n d r e s t r a i n e d s p a nm e t a ls p e c i m e n ，a n dt h em e d i u m s a n da n d c o m p o s i t ea g g r e g a t e o n e sw e r es t u d i e d c o m p a r a t i v e l y a l lt h e a b o v er e s e a r c hb r i n gt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 ) f o rs u p e r f i n es a n dc o n c r e t e ，t h ep l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k i n gi si nt h el o w e s tw i t h t h ew cr a t i oo f 0 5 0 2 ) t h ec r a c ka r e aa n dw i d t ho fs u p e rf i n es a n dc o n c r e t ea r eh i g h e rw i t hs o m e c e m e n t - a g g r e g a t er a t i o ，b u tt h e r a t i oi s n tt h es a m eo n e 3 ) t h e c r i t i c a ls a n d p e r c e n t a g eo f s u p e r f i n es a n di sa b o u t2 7 4 ) t h ee f f e c t o fs i l i c af o n l eo np l a s t i c s h r i n k a g ec r a c ko fs u p e rf i n e s a n di s s e n s i t i v e ；t h ee v a p o r a t i o nr a t ei sr e l a t e dt ot h ea c t u a lw a t e r - c e m e n tr a t i o t h ec r a c ka r e a o f s u p e rf i n es a n dc o n c r e t em a d ew i t hb l a s t f u r n a c es l a gi sb e c o m eh i g h e r , t h e nl o w e r a n dal i t t e ri n c r e a s i n gl a s t l ya st h ep e r c e n t a g ei n c r e a s i n g ；t h ev a r i e t yo fc r a c ka r e aa n d w i d t h 茁es 缸v n e t h ec r a c ka r e a o f s u p e r f i n ec o n c r e t es a n di sl o w e rw i t hh i g h e ro rl o w e r w a t e r - c e m e n tr a t i oa n d h i 曲e l w i t hm e d i u m o n e 5 ) t h ep l a s t i cs h r i n k a g ec r a c ka r e ao f c o n c r e t em a d ew i t h h i 曲时s t r e n g t hg r a d i n g c e m e n ti sl o w e rt h a n 诵ml o w e rs t r e n g t hg r a d i n gc e m e n to n e a n dt h ew a t e r e v a p o r a t i o n r a t ei sl o wa tt h es a m ct i m e i i i 重庆大学硕士学位论文 6 ) p o l y p r o p y l e n e a n ds t e e lf i b e rc a n e f f i c i e n t l yd e l e t e t h e p l a s t i cs h r i n k a g ec r a c k o f s u p e r f i n es a n d c o n c r e t e ；t h ee f f i c i e n c y i ss e n s i t i v ew i t l lt h ec o n t e n ta n d w a t e r - c e m e n tr a t i o k e y w o r d s ：s u p e r - f i n es a n dc o n c r e t e ，p l a s t i cs h r i n k a g e , c r a c k i n g 1 绪论 1 绪论 1 1 混凝裂缝问题 1 1 1 裂缝问题 众多的混凝土结构、砌体结构等建筑物在建设过程和使用过程中出现了不同 程度、不同形式的裂缝，这是工程界一个相当普遍的现象，也是一个长期困扰着 建筑工程技术人员的技术难题 h 】。 按现代国际上发展的极限状态设计理论，工程设计必须满足两个极限状态： 1 承载力极限状态( u l t i m a t el i m i t es t a t e ) 2 使用极限状态( s e r v i c e a b i l i t yl i m i t es t a t e ) 虽然结构设计是建立在强度的极限承载力的基础上，但大多数工程的使用标 准却是由使用极限状态( 裂缝、变形等懦! 制的。大量的工程实践表明，大多数结构 的破坏和倒塌往往是从裂缝的扩展开始的，裂缝的扩展直接影响结构的承载力， 许多结构往往远未达到其承载极力极限便已经破坏。结构物裂缝还可以引起渗漏， 引起持久强度的降低，如保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土碳化等。同时，裂缝也 是侵蚀性介质向混凝土基体渗透、迁移的通道，严重影响混凝士结构的耐久性。 随着现代化的进程，商品混凝土被大规模地运用到各种工程，工程裂缝问题 日趋增多，尤其是对混凝土结构的耐久性构成了严熏威胁，甚至影响到人们的生 命财产安全，己成为全世界人民普遍关注的话题，也是工程界追切需要解决的技 术问题。 1 1 2 裂缝的产生原因 工程裂缝的研究是一门综合性相当强的“交叉学科”。国际上有许多专门从事 混凝土在荷载作用下裂缝研究的科研机构，比如美国的混凝土协会a c l 2 2 4 委员 会、英国水泥与混凝土协会c & c a 、欧洲混凝土协会c e b 等，他们早在3 0 年代 就开始了大量关于混凝土及钢筋混凝土裂缝问题的研究口】。 这些机构针对简单构件在外荷载作用下裂缝出现及开展宽度、裂缝间距及形式 进行了大量的试验和理论研究。在某些假定条件下曾推导出多种理论计算公式。 这些公式用于理论计算与实际误差较大且应用复杂，故许多国家近年来都采用根 据试验资料建立的纯经验公式。这种计算对于静定结构系统及一些简单构件的受 力裂缝颇有应用效果，并逐渐形成了各种规范。我国的清华大学、东南大学、中 国建筑科学研究院等在这方面做了大量工作并编制出了适合我国国情的有关裂缝 方面的设计规定。 上述研究机构及其成果在工程建设设计中发挥了极大的作用，但主要是针对外 重庆大学硕士学位论文 荷载作用引起的裂缝问题，而工程实践中的许多裂缝现象却往往无法用荷载的原 因加以解释：大批建筑在施工期间就出现了早期裂缝，其宽度、数量随时间的推 移而增加，但并未发现荷载的变化；众多的建筑结构远未达到承载极限就已开始 破坏并最终废弃。 大量的研究者对外荷载以外的致裂原因进行了研究与探讨，并形成了许多观点 和学说。 王铁梦1 1 通过研究及大量的实践，认为结构物在实际使用过程中承受两大类荷 载：各种外荷载和变形荷载( 温度、收缩、不均匀沉陷等) ，可统称为广义荷载。其 中静荷载、动荷载和其他荷载，称为第一类荷载；而变形荷载称为第二类荷载。 裂缝的主要成因不外乎以下三种： ( 1 ) 由外荷载( 如静、动荷载) 的直接应力，既按常规计算的主要应力引起的裂缝。 ( 2 ) 由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。结构次应力是指因为许多结构物 的实际工作状态同常规计算模型有出入，例如壳体计算常用薄膜理论假定，相对 壳面误差不大，相对边缘区域误差则较大，于是该区域常因弯矩和切力引起裂缝； 而弯矩和切力相对与薄膜理论的直接应力来说，称之为次应力。另外还有些常规 不计算的外荷载应力，但实际却引起结构裂缝。 ( 3 ) 由变形变化引起的裂缝( 我们称之为第二类“荷载”) 。结构由于温度、收缩 和膨胀、不均匀沉降等因素而引起的裂缝。应特别注意这种裂缝起因是结构首先 要求变形，当变形得不到满足才引起应力，而且应力尚与结构的刚度大小有关， 只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足或部分满足，同 时刚度下降，应力就发生松弛。某些结构，虽然材料强度不高，但有良好的韧性， 也可适应变形要求，抗裂性能较高。这是区别于荷载裂缝的主要特点。 随着有关混凝土的现代试验设备的出现( 如各种实体显微镜、x 光照相设备、 超声仪器、渗透观测仪等) ，完全证实了在尚未受荷的混凝土和钢筋混凝土结构中 存在肉眼不可见的微观裂缝( 简称“微裂”) 。据此，有些学者考虑了混凝土的实际 结构，建立了各种构造模型，从理论上证明了变形约束应力可以引起微裂。并认 为微裂主要件下，似乎都是在同一时间瞬时发生并一次完成的，是个“一次过程”。 但是变形荷载的作用，从环境的变化，变形的产生，到约束应力的形成，裂缝的 出现与扩展等都不是在同一时间瞬时完成的，它有一个“时间过程”，称之为“传 递过程”，即应力积累和传递的过程，它是一个多次产生和发展的过程，这是区别 于外荷载裂缝的第二个特点。 一般对裂缝的研究只是基于外荷载( 第一类荷载) 的作用，但混凝土实际工程和 文献均表明：有8 0 以上的裂缝是由“变形荷载”( 第二类荷载) 引起的。这种“变 形”作用包括了温度变形、收缩变形或膨胀变形、地基差异沉降或膨胀等。变形 2 1 绪论 荷载对建筑物裂缝的形成与外荷载的作用有根本不同的性质，主要考虑材料、结 构、地基、施工及环境因素对裂缝形成的影响。 这种关于裂缝主要成因的观点也得到了大部分学者的认同。同时，对于混凝 土的微裂纹，一般认为主要有以下三种： ( 1 ) 界面裂缝：骨料与水泥石的粘接面上出现的裂缝，主要沿骨料的周围出 现； ( 2 ) 水泥石裂缝：水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间； ( 3 ) 骨料裂缝：骨料本身的裂缝。 在三种裂缝中，以前两种居多，骨料裂缝较少。正是混凝土中大量微裂缝的存 在，严重影响了混凝土的各种物理、化学性能，并最终导致了建筑工程中大量事 故的出现。 1 1 _ 3 对裂缝问题进一步的深入认识 裂缝对建筑物来说是有害的，但是不是说我们就应该要求混凝土无缝、建筑 物不裂呢? 是不是当建筑物一出现裂缝人们就有必要忐忑不安，甚至“谈缝色变” 呢? 随着研究的深入，对于裂缝问题，我们会逐渐发现：裂缝既是结构的一种缺 陷，也是结构的一种物理力学性质，在某种程度上是人们可以接受的一种材料特 征，是固体材料中的某种不连续现象。 混凝土的微裂是肉眼不可见的，我们肉眼可见的仅仅是大于o 0 5 r a m 的宏观 裂缝，而小于o 0 5 m m 的微观裂缝我们仅凭肉眼是看不到的。只有微裂缝的混凝土 也称“无裂缝混凝土”。混凝土宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。通常是在混凝土 成型后，基体内拉应力促进骨料与水泥石之间、水泥石块体内的固有微小孔洞和 微裂纹相互贯通，并发展至构件表面的结果。这些微孔和裂纹是水泥石凝固过程 中残留的气泡与失水收缩、水化收缩造成的，是无法完全避免的现象。 混凝土在凝结硬化过程中就有微裂缝存在，或者说在尚未受荷的混凝土和钢 筋混凝土结构中存在肉眼不可见的微观裂缝。从这个意义上讲，混凝土有裂缝是 绝对的，是不可避免的，无裂缝是相对的。 因此，控制混凝土裂缝应该防患于未然，首先应该尽量预防有害裂缝，重点 在于防。而尤其应该注重早期裂缝的研究和控制，早期裂缝是工程裂缝的重要组 成部分。所谓早期，是指混凝土和钢筋混凝土结构在使用荷载作用前，甚至在拆 模后就出现的裂缝。 美国a c b m ( a d 啪c e dc e m e n tb a s e dm a t e r i a l s ) 将混凝土早期收缩开裂趋势的 研究列为了新千年水泥混凝土的研究计划4 1 ，其内容为：“应用成熟的概念来阐述 波特兰水泥和混合水泥在混凝土中早期应力的发展性质，提出模型来预示早期裂 重庆大学硕士学位论文 缝的危险率，并预示混合水泥中的组分材料能降低混凝土早期裂缝的危险率。”混 凝土早期收缩开裂趋势的研究已成为混凝土科学的一个重要的研究方向。 混凝土抗早期开裂的研究内容可分为三个方面： ( 1 ) 评价混凝土开裂趋势的测试方法的建立和发展； ( 2 ) 确立混凝土的各种组成材料对开裂趋势的影响； ( 3 )研究并发展理论模型预测各种不同混凝土的抗开裂潜力。 1 2 混凝土的收缩及塑性收缩 1 2 1 混凝土的收缩 收缩是引起混凝土裂缝最常见的因素，国内外水泥和混凝土界的专家学者对 混凝土收缩性能和抗裂性能进行了大量研究。但由于混凝土收缩的机理比较复杂， 影响因素较多，对混凝土收缩的研究除了干燥收缩外其它都没有相应的国家标准， 而只是有一些行业内比较公认的研究方法。因此，对于混凝土收缩的研究出现了 众多的试验方法和研究结果，也存在着各种不同的分类方法。大致可认为混凝土 存在以下几种收缩【5 】： ( 1 ) 化学收缩又称为水化收缩，是指水泥水化前后整个体系的相对体积变化， 大部分硅酸盐水泥浆体完全水化后体积减缩量可达7 一9 ； ( 2 1 塑性收缩指混凝土硬化前后由于表面的水分蒸发速率大于内部的泌水速 率而发生的塑性收缩； f 3 1 干燥收缩指混凝土停止养护后，在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶 孔的吸附水而发生的不可逆收缩。通常用1 8 0 d 的收缩率来评价混凝土的收缩，但 在实际的研究中可根据具体的情况增加或减少这个最终评价收缩率的龄期； ( 4 ) 自收缩指混凝土初凝后，水泥继续水化，在没有外界水分补充的情况下， 混凝先土因白干燥作用引起的宏观体积减少，自收缩从初凝开始，主要发生在早 期。 值得注意的是，普通混凝土的总收缩中以干燥收缩为主，自收缩在总收缩中 所占的比例较小，因此对普通混凝土干燥收缩的测量就基本上反映了混凝土的整 体的收缩性能：而对于高强混凝土和高性能混凝上则不同，自收缩在混凝上的总 收缩中所占比例较大且主要发生在早期，并且高强混凝土的干燥收缩试验结果并 不包括早期的自收缩值，所以，虽然高强混凝土有与普通混凝相当的干燥收缩值， 在实际的应用中却表现出了易于开裂的倾向，引起了众多研究者的重视。另外， 自收缩是在与外界无水分交换的( 即无重量损失) 的情况下产生的，试件须在恒温室 中并在密封条件下成型和测长，而干燥收缩则与外界环境有水分交换发生。 ( 5 ) 温度收缩温度收缩又称冷缩，指混凝土内部由于水泥水化温度升高，最 4 1 绪论 后又冷却到环境温度时产生的收缩。温度收缩的大小与混凝土的热膨胀系数、混 凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。高强混凝土早期的水化速度快，水化 放热量大，早期强度增长快，从而早期温降收缩应力大，与普通混凝上相比更容 易发生温度收缩开裂。 在众多的收缩中，塑性收缩是引起混凝土早期裂缝的主要原因之一。但是有 关塑性收缩的研究较少，而塑性收缩裂缝的形成对其它因索引发裂缝的形成和发 展具有重要影响，重视混凝土塑性收缩的研究和塑性收缩裂缝的防治具有重要的 实际意义。 1 2 2 混凝土的塑性收缩1 6 1 5 由塑性收缩而引起的混凝土的塑性收缩裂缝问题由于其严重性近年来已受到 越来越多的重视，但不同的国家、不同的学者根据各自的认识、试验方法和目的 要求，对于混凝土的塑性收缩有着不同的定义和解释： ( 1 ) s w a y s e 【6 认为塑性收缩是指“水泥浆体积的收缩( 收缩值的大小是干水泥绝 对体积的1 ) ”。 ( 2 ) a c i 将其定义为“发生在水泥浆、砂浆、灰浆或者混凝土凝结前的收缩”。 塑性收缩发生在混凝土( 或浆体) 处于塑性状态期间，其持续的时间较短，大约l 2 小时，开始于混凝土表面光泽消失时，结束于混凝土凝结时。这种由塑性收缩引 起的裂缝，即所谓的“塑性收缩裂缝”，塑性收缩裂缝属于混凝土早期裂缝范畴。 ( 3 ) w i t t m a n 从毛细管压力和塑性收缩之间的相互作用方面进行了大量试验 7 1 ， 认为塑性收缩机理是当蒸发混凝土表面变干时，在水、空气界面形成毛细管弯液 面，使得毛细管负压得以发展，从而产生塑性收缩。当混凝土表面干燥时，表面 上或接近表面的微粒之间的水分形成一个复杂的弯液面体系。这种毛细管现象使 得毛细管张力在液体内得以发展。当张力发展到一定时候时，就会超过混凝土的 抗拉伸的承受能力，从而产生塑性收缩裂缝。 ( 4 ) l c r c h 结合w i t t m a n 的试验峭j ，并进行了大量的现场观察，直接将塑性收缩 定义为：“当混凝土表面的水分蒸发速率超过混凝土的泌水速率时发生的收缩”。 ( 5 ) 但是b 1 a l ( c y 、b e r e s f o r d 和m a t t i s o n 则认为“虽然在快速干燥条件下混凝土 的塑性收缩裂缝发展较快 9 。”，但必须认识到的是混凝土塑性收缩裂缝的出现主要 是由于新拌混凝土的沉降所致。”也就是说，混凝土的塑性收缩指的是混凝土的塑 性沉降。并且，他们通过自己的试验，认为“由于蒸发而导致的塑性裂缝仅仅发 生在气温为3 3 3 c ，相对湿度为1 0 ，风速为3 0 m o h 的环境条件下”。 ( 6 ) r a v i n a 、s h a l o n 将l e r e h 、b l a k e y 等人的观点进一步深化t 挖q 4 1 ，认为两者侧 重的是混凝土塑性收缩裂缝的不同方面：前者是由混凝土的收缩，即由新拌混凝 土中的拉伸应力产生的裂缝，应称为塑性收缩裂缝( “p l a s t i c s h r i n k a g ec r a c k s ”1 ；而 重庆大学硕士学位论文 后者是由沉降差异，即剪切应力产生的裂缝，应称为凝结前裂缝( “p r e s e t t i n g c r a c k s ，1 。如果用“硬化前裂缝”( “p r e h a r d e n i n gc r a c k s ”) 就包括了上述两类裂缝。 两种裂缝出现的时间有明显的区别，塑性收缩裂缝出现在浇注后几小时，泌水消 失时，而凝结前裂缝在浇注后半小时左右即开始出现，此时混凝土表面仍布满水 分。 综合以上论点，作者认为塑性收缩是指混凝土在完全凝结前的半流态或塑性 阶段，由于沉降运动、毛细管压力、早期化学收缩以及自收缩等引起的种体积 变化。同时，不少学者还运用运动学的观点将混凝土的塑性收缩看作是个不断 运动、变化和发展的过程，并根据收缩原因和时间的不同将塑性收缩划分为以下 四个阶段“刈： i 塑性沉降阶段( p l a s t i cs e t t l e m e n t ) ：混凝土浇注成型后，固体颗粒由于材料 自重的影响开始下沉，而水分逐渐上升并在至混凝土表面形成一层液膜。 这一阶段，混凝土的体积变化极小，其收缩主要是由于混凝土的塑性沉降。 i i 主要塑性收缩、泌水收缩阶段( p r i m a r yp l a s t i cs h r i n k a g e0 1 b l e e d i n g c o n t r a c t i o n ) ：混凝土表面的水分在高温、风吹的环境条件下逐渐蒸发，当 蒸发速率大于泌水( 水分上升到混凝土表面) 速率时，混凝土出现体积收缩。 这主要是由于在蒸发过程中，混凝土固体颗粒( 水泥和骨料粒子) 表面之间 的水分由于毛细作用形成了复杂的弯月面体系，该弯月面体系产生的毛细 压力使得混凝土中圆体颗粒之间的距离减小，从而导致混凝土体积的减 小。 i i i 自收缩阶段( a u t o g e n e o u ss h r i n k a g e ) ：随着水泥水化反应的进行，水化产 物包裹在水泥颗粒周围，并逐渐填充于固体粒子之间原来为水所充满的空 间。当水化进一步进行时，水化产物逐渐发展形成网络结构将原来较为松 散的骨料粒子粘结起来，此时，毛细作用就减弱了。当水化反应进一步加 快时，塑性沉降和泌水收缩就逐渐减弱而自收缩则逐渐发展。普通混凝土 的自收缩在塑性阶段并不大，它主要发生在凝结硬化以后，但对于高强混 凝土和高性能混凝上则不同，自收缩在混凝土的总收缩中所占比例较大且 主要发生在早期。 次要塑性收缩阶段( s e c o n d a r y p l a s t i cs h r i n k a g e ) ：此阶段，混凝土开始硬化， 水泥水化速度减缓，塑性收缩逐渐停止，混凝土强度开始增长。 通常观察到的塑性收缩是指第1 、i i 阶段。 1 3 与混凝土塑性收缩有关的学说 在混凝土塑性收缩的进一步研究中，形成了各种观点和学说以解释塑性收缩 6 1 绪论 的形成机理、发展过程及变化特点，以下几种学说被经常用来解释混凝土的塑性 收缩问题。 1 3 1 毛细管压力学说 把新拌混凝土暴露于高蒸发速率条件下是形成此类裂缝的共同原因。 w i t t m a n 已用实验证实了毛细管压力和塑性收缩之间的相互作用，它们之间存 在着直接关系1 7 】。 混凝土在浇注后的晟初几个小时，在干燥或炎热气候条件下，当蒸发速率超 过了泌水达到表面的速率时，在靠近表面的粒子( 水泥和骨料) 之间的水将形成复杂 哪陀佃 1 a m8 仉8 仉 0 2 123h t i m - - 一 图1 1 毛细管压力图 f i g 1 2 p l a s t i cs h r i n k a g ea n dc a p i l l a r y f i g 1 1c a p i l l a r yp r e s s u r e p r e s s u r e o f c o n c r e t ea saf u n c t i o no f t i m e 的 弯月面体系( 如图1 1 ) 。由于表面作用产生收缩力p 。( 其大小由几何尺寸和液体表面 张力决定) ，按下式【7 】计算： p c 。o ( 1 r i + i r 2 ) ( 1 ) 式中：o 为液体表面张力，r l 和r 2 液体表面曲线半径。 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 粒子来说处于运动状态，较小的引力就可减小粒子之间的平均距离，使整个体系 变得密实。随着水化作用的继续，体系液相减少，浆体粘度增加，直至固化，使 最初分离的粒子被逐渐地相互固定并最终形成了个固体骨架，至此毛细作用停 止。 w i t t m a n 在模拟条件下进行了一系列实验，所得结果如图1 2 所示。可以看出， 混凝土拌合物在浇注后一个小时表面变干( 此时开始了塑性收缩) ，于是毛细压力在 重庆大学硕士学位论文 体系中得以缓慢发展，大致两小时后增加的比率变大，直到3 4 小时达到其最大 值( 破坏压力9 2 m b a ) ，之后毛细管压力突然下降。此时分散系统中剩下的毛细水就 变得不稳定，以某种方式进行重新分布，而重分布的毛细水不再能充满分散系统 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单个粒子之间的接 触区域中而形成毛细水环( 如图1 1 ) 。实验中，4 小时后达到的总的的线性塑性收缩 值为o 7 5 x 1 0 一。 为了更能从定量的角度表示塑性收缩与毛细管压力的关系，可以去掉水化时 间因素而把两者画在一个图中，如图1 3 所示。可以看出，在塑性收缩的初期，塑 性收缩与毛细管压力存在直接关系。之后，随着水化的继续，新拌混凝土缓慢结 硬，结果使得要产生一定的收缩就需要更大的毛细管压力差，这样e p 曲线逐渐 地变得平缓，当达到破坏压力后仅出现了相对较小的收缩。其表面毛细管压力发 展过程如图1 4 所示。 ： i ： 也 ： l l wm 妇】 p 一 图1 3 塑性收缩与毛细管压力之间的关系 f i g 1 3 p l a s t i cs h r i n k a g ea saf u n c t i o n o f c a p i l l a r yp r e s s u r e 夕 卧量二i醐三 图1 4 新拌混凝土表面毛细管压力发展的 三个阶段 f i g 1 4 t h r e es t a g e so f c a o i l l a r y p r e s s u r eo f f r e s hc o n c r e t e 当收缩产生的应力超过新拌混凝土的抗拉强度时，就出现了塑性收缩裂缝。 w i t t m a n 对塑性收缩机理的解释及其实验结果得到了广泛的支持。 1 3 2 中心质假说 吴中伟院士在高性能混凝土一书中详细解释了其1 9 5 8 年提出的水泥基复 合材料的中心质假说【i6 】，并解释了高性能混凝土水泥水化程度低但仍可获得高强 度等问题。 虽然假说主要运用于硬化后的混凝土，但其关于混凝土中各种组分的分类及 8 a衣置曩咿 1 绪论 相互之间产生的效应等观点同样适用于混凝土硬化前的性能。 中心质假说把混凝土中不同尺度的分散相称为中心质，把连续相称为介质。 从尺寸的角度可以将混凝土中的各种成分分成各级中心质和介质：集料、钢筋、 各种纤维、增强聚合物是混凝土中的大中心质；熟料为次中心质；钙矾石、c a ( o h ) 及其他结晶态水化物为微中心质：而混凝土中因为水分、空气而形成的孔则是混 凝土中的负中心质。 各级中心质和介质之间都存在过渡层。中心质以外所存在的组成、结构和性 能的变异都属于过渡层。只考虑过渡层，是把界面一概看作是混凝土中的薄弱环 节，雨实际上混凝土中各组分之间存在密切的联系和相互影响，并且随龄期和外 界条件而发展，性能变异的范围比组成和结构变异的范围大得多。各级中心质和 介质都存在相互的效应，称为“中心质效应”。 混凝土的集料就是大中心质，大中心质对周围介质所产生的吸附、化合、机 械咬合、粘结、稠化、强化、晶核作用等一切物理、化学、物理化学的效应称为 大中心质效应。效应所能达到的范围程之为“效应圈”，过渡层是效应圈的一部分。 效应圈有大有小，有不利的也有有利的。 效应与集料的性质、水泥组分、外加剂、细掺料以及水灰比、成型工艺、养 护条件等有关。有利的大中心质效应不仅可以改善过渡层的大小和结构，而且能 使效应圈中的大介质在不同程度上具有大中心质的某些性质；增加有利的效应， 减少不利的效应，对改善混凝土的宏观行为能起重要的作用。这是对混凝土中界 面的积极观点，不是消极地躲避“薄弱的”过渡区，而是积极地改善过渡区结构， 充分利用有利的效应，变不利为有利。 按照中心质假说，孔是混凝土中必然存在的组分。孔之所以叫“负中心质”， 是因为它是相对于大、中、次三级中心质的固态实体而言的。对负中心质的改造 和利用会影响其它中心质的性质和效应，从而影响混凝土的宏观行为。 同时，吴中伟还认为，当混凝土所处环境的温度、湿度发生变化时，由于水 泥和集料的弹性模量不同，其变形不一致，会在界面处形成细微的裂缝；另外， 在混凝土硬化前，水泥浆体中的水分向集料表面迁移，在集料表面形成一层水膜， 从而在硬化的混凝土中留下细小的裂缝，这是由于集料的亲水作用；此外，浆体 泌水也会在集料下表面形成水囊。这样，混凝土在承受荷载作用前，界面处就充 满微裂缝。 1 3 3 水分蒸发计算模型 正如前文讨论塑性收缩中提到的一样，新拌混凝土表面的水分蒸发被普遍地 认为是混凝土产生塑性收缩裂缝的主要原因，众多的研究者对此进行了大量研究， 根据各自的试验提出了不同的经验或简化公式，用于计算混凝土的水分蒸发速率， 重庆大学硕士学位论文 从而为最终预测混凝土的塑性收缩提供了帮助。 ( 1 ) 对于水分蒸发的计算估计，m e e l1 9 5 4 年p c a 发表的论文中较早地提出 了计算水分蒸发的公式： w = 0 4 4 ( e o e a ) ( o 2 5 3 + o 0 9 6 v ) f 2 ) 式中， w 每小时每平方英尺蒸发水的重量( 磅) ，( 1 b f c 2 - h r ) e o _ 一蒸发表面的饱和蒸汽压，p s i c a - 一空气的蒸汽压力，p s i v - 一蒸发表面上大约2 0 英寸处平均水平风速，m p h 但是，m e n z d 公式需要蒸汽压和混凝土表面饱和蒸汽压，而这两个条件在现 场难于测得。在m e n z e l 的论文中，他提出了另一个蒸发计算图，但它需要凝聚点 的值来建立蒸汽压，但仍然是难于测量的参数。 ( 2 ) 由于m e n z e l 的公式需要蒸汽压力，许多人开始研究将蒸汽压与相对湿度或 温度联系起来1 9 3 0 年。t e t e i l s 得出一个简单、并且能够把温度和蒸汽压联系在一 起的公式： e 2 0 3 1 3 ( e s 。一m “) ( o 2 5 3 + 0 0 6 v ) f 3 、 式中， 卜蒸发速率，k g m 2 h 岛0 混凝土表面的蒸汽压( i ( i ，a ) e s r 空气蒸汽压o c p a ) ( ，岛。可分别由公式4 计算而得。) r 相对湿度 v 风速，k p h 公式( 4 ) 旷，蒜 式中， e 。饱和蒸汽压，k p a 卜温度， o ) p a u l 根据自己的推算提出了一个不需要先算出汽压的“单独运算”方程1 ”。 该公式很适合现场快速检查，看蒸发是否达到形成塑性收缩裂缝的临界值。方程 如下： e = 5 【( t + 1 8 ) 2 一一r ( 疋+ 1 8 ) 25 】+ 4 ) x 1 0 - 6 佑) 式中：卜蒸发速率，k m 2 h t 。混凝士( 水表面) 温度， 0 1 绪论 t r 一气温， r 相对湿度 v 风速，k p h ( 4 ) 在a c i 混凝土实践手册第3 0 5 r 节( “炎热天气混凝土的浇注”) 中提供 了一个简单的计算图诺模图( 一种列线图表，根据已知参数可确定混凝土的蒸 i 薹一 度和空气温度一致的条件下n 7 】，对h ：。息留。菡拶燕- 3 b + 0 _ _ h 一 诺模图进行了简化，得出了一个更广r 1 _ _ r 1 加掣厂x 寸1 汪卜_ f 1 _ 刊 简单的计算图( 如图6 ) 。当混凝土 ili 么必剥jki lf 温度和空气温度一致或相差不大的卜 七袋缎9 陡p 七毒d 陡：h 条件下，利用此图可以更快地估测匕荔缓笏刁侈戈瞄慰产刘于屯? 中_ 龟1 混凝土的蒸发速率。但是，如果空重重至兰芦亭寸”陵汽冀涎公l 飞。jn 囊一墨r e l 4 l v e i q c 雀 正如我们在公式中看到的，对 “翼”“i 。l i | 一j 妙少笾一i 蒸发起关键作用的环境因素是风、 ，：i 。io 一 _ 弓零# 7 z 、拶斗z c 空气温度、湿度和水的表面温度。 ；。：。：o5 在七蔷参銮：藐罗：i 西f 爿 试验室和室外试验已经证实塑 芒：1 k 多篓夕 搞圣l 掣1 性收缩裂缝形成于中等干燥条件 。崾鸶兰三匕zl - i lj 重庆大兰堡主兰垡兰兰一 一一 1 。4 。篷鎏紫黧嚣蒜茹黧篙霎 应用! 鼎翳i 辅麓篱端茹茹黼；淼提供 帆前黧然黧雾黧瑟，票鬻蓄磊裂淼磊高茹、 约束，妻竺妻耋譬霎詈篓冀器冀二霞蠹霎麓嚣嚣器茹葚磊裂缝。 删燮篓曼曩黧慧专嚣等淼茹淼磊 翌篓誓：耄磊皆套嚣箫要；薏罕芸爹! 筠篙荔：磊磊测 并按试验设计要求定时加以测试。同时为7 便于踟量 取门“。“一 1 2 1 绪论 试其水分蒸发，然后通过换算得到平板试件的水分蒸发结果。 试验一般在控制环境条件( 风速、空气相对湿度、温度) 的情况下进行，多采用 吹风、灯光照射等方式加以实现，为t h n 快混凝土塑性裂缝的出现、以便于观测， 所控制的条件往往较为恶劣。 l 阻 已；“l _ 1 箸 一 图1 7 a 平板法装置示意图 ( 底部约束法d rs o r o u s h i a n 采用) f i g 1 7 as p a nm e t a ls p e c i m e n 图1 7 b 平板法装置示意图 ( 四周约束法k a r r i 采用) f i g 1 7 bs p a nm e t a ls p e c i m e n ( e n drestrained)(all s i d e sr e s t r a i n e d ) 平板法装置最早由k a r r i 所提出，后来d rs o r o u s h i a n 、s h a e l e s 、h o v e r 、k w a m 和z o l l o 等研究者分别采用了此类装置。 平板法最大的优点是能较为明显地反映出混凝土裂缝随龄期的发展变化，而 且具有简单易操作的特点，主要应用于研究混凝土的塑性收缩试验( 较大尺寸) 。其 主要缺点是它只能提供不均匀的约束，而圆环法则较好的避免了这一缺陷。 1 4 2 圆环法 圆环法试验如图1 8 a 、b 所示，前者只在 内部放置一钢环，后者在混凝土外部又加一钢 环使混凝土试件成环形。试件项部可用硅橡胶 密封，因此只允许试件外表面收缩，收缩沿厚 度是均匀的。试验中根据需要还可以在混凝土 底部放置如砂纸等约束物对混凝土的收缩加 以约束。圆环法最早由c a r l s o nr w 、r e a d i n g t j 提出，后来s u r e n d r ae s h a h 、g r z y b o w s k im 等采用了此装置，并加以了改进。 图1 8 a 圆环法装置示意图( 单环) f i g 1 8 ar i n gs p e c i m e n t ( o n et i n 曲 圆环法主要用来研究由于自收缩和干燥收缩产生的自应力对混凝土抗裂性的 枣 重庆大学硕士学位论文 影响。大量的研究表明，圆环试验在研究水泥浆和砂浆的抗裂性时，由于水泥浆 和砂浆环的收缩能沿环比较均匀的分布，所以试验效果明显；而混凝土中由于粗 集料的存在，使混凝土环表面水分蒸发受到一定的阻碍，从而使混凝土的外表面 不能沿环均匀的收缩，再加上粗集料对裂缝的限制分散作用，使混凝土表面容易 形成不可见的微裂纹而释放一部分收缩应力，从而，使可见裂缝的最大宽度对混 凝土的抗裂性评价受到影响。但是，与平板法相比，圆环法提供了完全的均匀的 正视图 壁撞堕童塾 一一 目； 留 幽i 型 a - a 截面图 图1 8 b 圆环法装置示意图( 取环) f i g 1 8 br i n gs p e e i m e n t ( t w or i n g s ) 图1 9l v d t 收缩测量装置示意图 f i g 1 , 9 l v d tt e s ts p e c i m e n 约束，在很大程度上，体现了混凝土在约束条件下收缩和应力松弛的综合作用， 能有效的评价混凝土的抗裂性能。 1 4 3 线性位移传感器( l v d t ) f 2 0 1 国内大多使用干分表测量混凝土的收缩。然而，在塑性阶段，混凝土的变形 很难与探针保持一致。因此，千分表法并不适合测试塑性阶段前期的收缩值。 英国利兹大学的j gc a b r e r a 、a r c u s e n s 和y b r o o k e s w a n g 较早地用线性 位移传感器( l v