高性能混凝土防裂技术的研究.doc

高性能混凝土防裂技术的研究姓名：牛志鹏 郑州大学土木工程学院摘要：对高性能混凝土产生裂缝的原因进行分析，得出温度收缩是造成高性能混凝土裂缝的主要原因，其次是混凝土自收缩，而干缩对高性能混凝土早期裂缝的影响可以忽略不计，在此基础上探讨了冷缩补偿、内养护、控制混凝土含碱量、纤维增强技术从设计方面提出了复合放裂的技术措施。关键词：高性能混凝土；裂缝；冷缩补偿；纤维增强Abstract：Cracks of high-performance concrete analysis of the reasons come to temperature shrinkage is mainly caused by high-performance concrete cracks, followed by autogenous shrinkage of concrete, while the shrinkage cracks on the early effects of high-performance concrete is negligible, on this basis, discusses the shrinkage compensation, within the conservation, control the amount of concrete alkali, fiber-enhancing technology. From the design put forward a complex of technical measures put crack.Key words：high performance concrete；cracking；cold shrinkage compensation；fiber reinforcing引言混凝土的裂缝是混凝土工程质量控制的一个关键点，是影响结构使用功能、外观质量和耐久性的重要因素。半个世纪以来，人们在混凝土的裂缝控制方面进行了大量研究工作，积累了许多成功的宝贵经验，但是近年来，随着结构设计对混凝土材料本身性能的高要求，混凝土裂缝问题越发严重。高性能混凝土早期体积稳定性差的原因是什么？高性能混凝土容易开裂的原因何在？这些问题，导致混凝土结构渗漏、钢筋锈蚀、强度降低，进而削弱其耐久性，容易造成其结构物破坏及坍塌的危险，严重影响建筑物的安全性与使用寿命。带着上述问题来对高性能混凝土出现裂缝的原因进行了分析，同时提出了一些控制裂缝的措施。l 高性能混凝土结构裂缝主要成因1.1 自干燥与自收缩混凝土自收缩是指混凝土在恒温绝湿条件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏观体积减少的现象。它不包含温度变化、湿度变化、外力或外部约束及介质的侵入等引起的体积变化；它也不同于化学减缩，即未水化的水泥与水发生化学反应时，生成物的体积小于前两者总和的现象。化学减缩并不引起混凝土宏观体积的变化仅仅增加了孔隙的体积。体积变化可以通过水化反应方程式根据反应物与生成物的质量和比重计算获得。自收缩发生在整个混凝土中（三维）。混凝土因干燥产生体积变化的同时发生自收缩。混凝土自收缩的产生主要是由于水泥硬化体空隙中的相对湿度低，发生自干燥。胶凝材料反应活性越高，自收缩越大。由于测试技术方面的原因，混凝土自收缩很难准确测定。另外，在测定混凝土总收缩值时。试件于水化初期在水中养护，大部分自收缩已经完成，因而测试结果所反映的主要是干缩值。事实上，混凝土自收缩值可达到甚至超过干燥收缩值。自收缩与水灰（胶）比有关，水灰（胶）比越低，自收缩越大。因而，高强混凝土往往比普通混凝土开裂的几率大。1.2 冷缩水泥水化过程中放出大量的热量，主要集中在浇筑后的前7 d内。一般每克水泥放出502 J的热量，混凝土内部和表面的散热条件不同，因而使混凝土内部温度较外部高，形成较大温度差，造成温度应力。当温度应力超过混凝土的内外约束应力（包括混凝土抗拉强度）时，就会产生裂缝，即为冷缩裂缝。2 整体防裂2.1 冷缩补偿在夏秋季节，当使用较多量的高等级水泥浇筑时，混凝土平均最高温度可达60 以上；对于大体积混凝土，平均最高温度甚至可达80 。温差是冷缩之源。当气温由热转凉，由于散热和气温降低，冷缩常成为开裂的主要原因。除干旱地区外，大气中混凝土干缩率一般为5-10104；地下部分湿度变化较小，干缩率约为3-5104。而冷缩现象往往大于干缩现象，应采取联合补偿并以冷缩为主。可通过降低原材料温度保证较低的浇筑初温：选用水化热较低的水泥；减少水泥用量，以适量微细活性材料置换水泥；尽量控制混凝土降温速率在1-1.5 d：采取措施降低混凝土最高平均温度，从而减小混凝土冷缩值。在地下工程中还可通过设法提高环境最低温度或平均温度以减少温差。蓄热养护对预防冷缩也有益。补偿收缩混凝土的变形是限制条件下的变形，除局部(如保护层)不受限制或受到极小限制外，补偿收缩混凝土的膨胀与收缩，都是限制膨胀与限制收缩，没有自由膨胀与自由收缩。对冷缩与干缩的联合补偿，应采用补偿作用较大的小限制补偿收缩混凝土（配筋率 0.5或设置小的基础或邻块限制，有时还可利用模板进行小的限制）。2.2 内养护如前所述，高性能混凝土的缺陷之一是混凝土内部产生自干燥，这不仅消耗了水泥水化所需的水分，而且使内部相对湿度持续下降直至水化过程终止。其严重后果是：如果不能通过其它途径提供水分，混凝土可在早期的任何时候停止强度发展。根据Tazawa和Miyazawa的研究结果，当水灰比分别为0.5，0.3和0.17时，水泥浆体的自收缩值占总收缩值的份额分别为40，50 和约100。这些人的研究数据结果表明，采用约20体积的轻细集料代替中砂配制的高性能混凝土，由于轻细集料可提供约为水泥质量0.06的额外水分，通过建立内养护机制，使混凝土总收缩控制在210-4 以内。2.3 采用纤维增强提高混凝土抗裂性纤维混凝土的性能大大优于普通混凝土，主要表现在抗裂性能、韧性、延性和抗冲击性能明显提高，混凝土耐久性得到改善。机理：纤维限裂，复合材料初裂强度提高；原有的微裂纹被抑制，延性提高；纤维混凝土中多掺用外加剂、磨细活性材料和，或聚合物，因而水泥和集料、纤维与基体的界面得到强化。长期以来，人们总认为界面区(F-C、A-C)是FRC中的薄弱部位：WC高于基材，因而离子浓度低，CH晶体平均尺度大，取向指数高，是疏松的网络结构，故原始裂缝和缺陷尺度大、数量多，削弱了界面效应。大量的研究表明，纤维一水泥基界面层具有强化、消失与再强化的可能，且这个过程是无限的。即采取不同的强化措施，同样消除了界面薄弱，但伴随而生的再强化过程是不同的。从而性能传递效应和增强增韧效应产生很大差异，这是实现高性能纤维混凝土的关键。此外，在纤维增强水泥基复合材料中，细观上主要有两个系列的界面层，一是围绕纤维的界面层，二是围绕集料的截面层。并相应有两个系列的截面效应范围。在结构形成和破坏过程中，无数的界面层和界面效应范围，在三维空间不是独立存在的它们有可能产生不同程度的空间随机叠加强化效应。界面层叠加强化效应：这一效应与纤维或集料间距有关。当纤维间距大于等于两倍界面层厚度时，面层保持自身状况，互无干扰，互不影响。当S2t 时，就会产生界面强化叠加效应，对宏观力学行为产生影响。纤维（或集料）效应范围的叠加强化效应：纤维或集料的效应范围即有效影响范围，比界面层厚度要大得多它同样与纤维或集料间距密切相关，同时又受界面层强与弱、存在与消失、强化与再强化程度的影响。只有当S小于两倍界面效应范围时，才能有叠加效应产生。效应范围的叠加也是空间随机的，一旦出现，复合材料的增强、增韧和阻裂能力就会相应显著提高。在纤维品种中，聚丙烯纤维常用以提高高性能混凝土的早期抗裂能力。同常用的钢纤维相比，聚丙烯纤维的特点是细度高。在混凝土中的纤维间距小。上述特点使聚丙烯纤维能有效限制早期（塑性期和硬化初期）混凝土由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺度。而原生裂隙通常是混凝土破坏或性能劣化的起源。从此角度理解，可认为聚丙烯纤维的上述阻裂效应的意义不仅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，其意义更在于通过提高材料介质的连续性，能使硬化后混凝土的性能得到显著改善。对于路面和桥面混凝土，由于所承受的弯拉荷载和反复冲击荷载对混凝土内原生裂隙数量和尺度的敏感性较高，原生裂隙在数量和尺度上的减小对提高其使用性能是非常有利的。2.4 控制混凝土含碱量混凝土含碱量对收缩率的影响已被工程实践所证实。美国国家标准局对199种水泥进行了18年以上的调查研究，研究结果表明对水泥抗裂性影响最大的是碱含量、水泥细度、C3A和C4AF；低碱水泥抵抗开裂的潜在能力强。当水泥含碱量以Na2O计低于0.6时，混凝土的抗裂性明显提高。美国对位于Florida州的青山坝104种混凝土的面板进行了53年的调查研究，统计结果显示，开裂严重的混凝土中，有的水泥含碱量高，但混凝土中的集料无碱活性。有的开裂劣化的混凝土，使用高碱水泥和活性集料，但未检测到AAR反应产物；低碱、虽高碱但低C3A低C3S的水泥则完好。以上结果表明：碱能促进水泥混凝土的收缩开裂。因为高碱水泥生成的凝胶中，含有抗裂性能差的成分，会加重混凝土后期的干燥收缩。2.5 设计方面应注意的加强措施2.5.1 现浇钢筋混凝土楼板裂缝由于楼板的边界约束条件复杂，混凝土收缩应力和温度应力的理论计算现在并未完全解决。因此在工程设计中，主要从概念设计和构造措施上予以注意，适当采取加强措施，以求尽量减少现浇板开裂的可能性。（1）建筑平面应尽量规则，当建筑平面有凹口时，凹口处外横墙应与内横墙拉通对齐并应在凹口外缘设置拉梁，其截面及配筋不能太小；凹口内侧楼板应适当加厚并加强配筋，使能抵抗此处集中温度应力及混凝土收缩应力；在砌体结构中，凹口阳角及阴角处须设构造柱。（2）对于异型板块，应加设小梁，使之成为矩形、四边形等规则形状。因为异型板块拐角处应力比较复杂，如配筋不当，易出现斜裂缝。（3）适当增加楼板厚度，宜L30-L35（L为单向板跨度或双向板短向跨度），一般楼板厚度应100mm (厨房、卫生间、阳台等楼板厚度应90mm )，屋面板厚度宜120 mm。（4）适当提高配筋率，应取0.2-0.25。（5）受力钢筋间距不宜大于150 mm。（6）受力钢筋宜采用级钢筋，而不宜采用I级钢筋(因为I级钢筋与混凝土的握裹力不及级钢筋)。（7）双向板周边支座为墙、粱、圈梁时，支座弯距宜按照四边嵌固计算(计算软件有选项可选用)，负弯距钢筋按计算配筋，正弯距钢筋应将弯距增大1.2-1.5倍配筋。板负筋伸入支座长度La（La为钢筋最小锚固长度），设计时应补充说明。（8）屋面板及厚度150 mm的楼面板应采用双层双向配筋，其余楼面双向板宜采用双层双向配筋。（9）板块不能太大不宜大于45006000，否则应设粱予以分割。（10）楼板暗埋PVC电线管处，因楼板削弱较大，特别是楼板中部如只有板底一层钢筋，易出现顺着PVC管走向的裂缝。可在PVC穿管的模板下部，加按一排模撑。2.5.2 地下室墙板裂缝地下室开裂渗漏是混凝土工程建设中普遍存在的一个技术问题，在地下室开裂渗漏的许多案例中，墙板的开裂占了相当大的比例，因为墙板沿水平方向长，相对于底板又薄，且为闭合体系，上下受梁板约束，因此很容易产生纵向裂缝。裂缝控制除采用前面介绍的复合防裂技术及配合比设计、施工、撤模养护外，设计方面应注意的问题是水平筋的配置对混凝土抗裂性能的影响。3 结束语通过以上研究解决低水胶比高性能混凝土结构早期开裂问题，是今后应加强研究的方向。从控制导致混凝土开裂的主要成因入手，集成应用已有的成熟技术，一定能够解决混凝土早期的开裂问题。参考文献：【1】 吴中伟绿色高性能混凝土与科技创新，建筑材料学报，V011，No1，1998(3)【2】 中国工程院土木水