大体积混凝土裂缝研究综述.doc

广州大学硕士研究生课程结业论文论文题目 大体积混凝土裂缝控制研究综述 课程名称 现代混凝土结构理论与设计 学 院 土木工程学院 专 业 建筑与土木工程 学生姓名(学号) 王俊霖 2111316170 2013 年 12 月 5 日大体积混凝土裂缝控制研究综述王俊霖(广州大学，广州 510006)摘要: 归纳了大体积混凝土裂缝研究中的关键问题，指出了目前大体积混凝土及其裂缝产生成因研究的主要进展，讨论了造成大体积混凝土裂缝的类型、裂缝产生的影响因素、开裂的过程机理和描述方法，提出了一系列防止大体积混凝土裂缝的产生以及修补措施，在此基础上，对大体积混凝土裂缝监测技术的研究前景进行了展望。关键词: 大体积混凝土结构；裂缝；水化热 Overview of crack control for mass concreteWang Junlin(Guangzhou University,Guangzhou 510006,China)Abstract : The key issues of mass concrete crack are generalized. the major progress of current mass concrete and causes of crack in the study is pointed out. The types of mass concrete crack, factors of crack, cracking mechanism and description are discussed. A series of methods prevented mass concrete from cracking and remedial measures are put forward. On this basis, the prospect of the study of mass concrete crack monitoring technology is discussed.Keywords : mass concrete structure；crack；hydration 引言现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如超高层建筑核心筒、核电站反应堆外壳、水利大坝等。它主要的特点就是体积大，但是以多少尺寸为大这一个衡量的标准，目前国际上尚无一个统一的标准，也就是说，什么结构属于大体积混凝土结构需根据项目所在国家或地区的标准而定。就我国而言，大体积混凝土的合适定义可以参照JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程里面的内容：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土为大体积混凝土1。混凝土属于脆性材料，它本身就具有较强的抗压强度，因此很多恒荷载比较大的建筑物都采用混凝土结构，但是混凝土因为自身重量较大和抗裂性较差深深制约了大体积混凝土的推广。大体积混凝土的破坏都表现在混凝土中首先发生裂缝，尤其在建设过程中和使用过程中都会出现不同影响程度、不同破坏种类的裂缝，导致造成一种常见的现象就是成为一种技术难题长期困扰着建筑工程技术人员2。水化热指物质与水产生一系列的物理作用以及化学作用，包括水化反应、水解反应和结晶现象从而放出的热。研究混凝土水化热这一基本特性可以有效控制混凝土的裂缝，消除使用者的思想顾虑，改善混凝土的使用寿命，增强混凝土的耐久性。1 大体积混凝土裂缝在国内外研究现状建筑结构受到直接作用或者间接作用从而形成可见的裂缝(开裂)。其中直接作用包括承受荷载等；间接作用包括温度变化、材料收缩、基础沉降引起的强迫位移等, 以致很多不连续的微细裂缝贯通并逐步扩散到混凝土建筑结构表面3。裂缝根据混凝土受力的不同而引起的不同表现形式可以分成多种类型：(1)工程上最常见也是最普遍的裂缝区分标准就是宏观裂缝和微观裂缝；(2)如果按照裂缝出现时间的早晚可以将裂缝分为早期裂缝和晚期裂缝；(3)如果按照裂缝造成的危害程度可以将其分为有害裂缝和无害裂缝；(4)如果按照裂缝的运动状况还可以将其分为愈合裂缝和闭合裂缝等4。在当前越来越多的大体积混凝土结构中，这些庞大的结构体是允许带裂缝工作的，但是并不是裂缝的数量和大小没有限制地控制，而是要考虑到结构的耐久性和正常使用状态下的美观问题。就目前来说，世界各国都对混凝土有各自的混凝土裂缝宽度的限值，如中国的规范为0.20.3mm（分一二类环境）；新西兰建筑法以及相关规范规定为0.4mm；美国ACI224 委员会从结构的耐久性方面规定的裂缝允许宽度为：室外构件0.33mm，室内构件0.41mm；欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土联合会（CEB-FIP）规定混凝土裂缝宽度允许范围在无保护措施的受到长期变化荷载的构件0.2mm,有保护措施的构件0.3mm5。但是对于一些特殊的大体积混凝土结构，例如地铁车站、核电站反应堆、跨海隧道等有时对裂缝的限制反而要严格一些，甚至要求严禁出现裂缝，与结构的防水、防泄漏有着密切联系。所以说采用系统理论对减少和防止大体积混凝土的开裂特别是防止大裂缝开展有着巨大而又深远的意义。近年来，随着大体积混凝土结构在世界范围内的广泛应用，国内外的大批科学家为研究裂缝的产生与控制，尤其是“有害裂缝”进行长久的、大量的实验，从而得出了一系列越来越成熟的系统理论。早在80年代初，中国的丁宝瑛就在水工混凝土结构的温度应力与温度控制进行详细的研究6。他们通过非线性数学规划理论对大体积混凝土温度场以及温度徐变应力进行二维和三维的有限元分析，从而得出了控制温度以提高水工混凝土抗裂性能的措施。在90年代初，德国的Michael Staffa对基础底板上的墙体与底板交接处由于混凝土水化热而产生的裂缝进行了分析，最终总结出在混凝土的基础和混凝土墙体上面加入导管进行散热，那样做的效果就是大大降低了底部和墙壁之间由于温度差而引起的约束力问题，减少裂缝的产生。来自英国Enrique Miraambell和Antonoi Agudo提出混凝土桥梁的温度分布是非线性的应力自平衡分布7。他们采用一种分析模型，运用二维有限分差法对模型的温度和应力分布进行预测和研究，同时将混凝土桥梁受到的环境影响、物理的材料性质、桥的位置以及桥截面几何形状等因素进行比较，得出应力自平衡分布理论。当前，科学家们对混凝土裂缝的研究有了更加精密和详细的发现。来自美国普渡大学的Raoufi, K，Pour-Ghaz, M等人通过声发射技术、图像分析以及导电表面涂层等技术用一系列的抑制平板来测试说明标本几何约束开裂的实验8。最终得出了裂缝的开展发生在平板不太稳定的无粘结区域上，并且较大的无粘结区域所产生较宽裂缝出现的时间要比较小无粘结区域的要早。我国的龙渝川等学者提出通过弥漫裂缝模型来模拟大体积混凝土裂缝产生过程。弥散裂缝模型应用非弹性开裂应变等效模拟裂缝，通过调整材料软化本构关系，以满足断裂能守恒准则。弥漫性模型可以通过有限元软件，如ansys、abaqus、adina等模拟有限元模型在不同的压力数值情况下的裂缝从微观到宏观产生的全过程。现在这种模型被广泛应用于大体积混凝土动力损伤断裂研究9-10。2 大体积混凝土抗裂性能影响因素大体积混凝土由于受到自身的材质因素以及外来力的影响，所造成的裂缝原因是非常复杂的，为此在大体积混凝土结构的建造过程中必须要考虑其抗裂性，分析其影响因素，才能找到改善抗裂性能的措施。2.1温度与收缩裂缝产生的机理2.1.1混凝土的内外温差是造成大体积混凝土产生裂缝的最主要因素大体积混凝土从一开始浇筑到凝结成型过程中经历了两个温度变化阶段。第一个阶段就是在混凝土浇筑后，水泥与水发生化学反应产生大量的热量，导致混凝土内部温度不易散发从而不断升温，相反表面由于和空气接触面比较大，热量几乎完全散发掉了，因此混凝土构件的内外之间就形成了较大温度差以及产生相反方向的拉、压应力。而这时的混凝土抗拉强度相对较低，当应力超过该龄期的混凝土的极限抗拉强度和变形极限时，就会在混凝土表面产生裂缝。这种裂缝一般较早产生，深度较浅，多呈不规则状态，属表面裂缝，虽然没有贯穿整个结构，但是会破坏结构的稳定性，因此要防止表面裂缝的发生11。第二阶段是在混凝土降温阶段，大体积混凝土构件体积因为混凝土内部的热量逐渐消散完毕引起原先温度的下降，比第一阶段相对有了一定程度的收缩。当结构受到地基、老混凝土垫层的约束或结构边界受到外部约束，混凝土内部就会收到很大的拉应力，其底面交界处附近随着温度降到与第一阶段所上升到温度相差比较大的温差时会产生收缩裂缝，严重时候裂缝会贯穿整个基础整体。两类裂缝中表面裂缝对大体积混凝土构件造成的破坏相对小些，收缩裂缝和贯穿性裂缝最为严重。这类裂缝影响基础结构的整体性、耐久性、防水性以及正常使用要求12。方先海通过一系列的实验发现，如果大体积混凝土构件内外温差t25，则其表面极易产生裂缝13。2.1.2混凝土的收缩性能对其裂缝的产生也是重要影响之一(1)第一种情况是干燥收缩（内因）。在拌合混凝土时加入的水只有少部分是水泥水化所需要的，紧接着混凝土逐渐硬化，而在周围空气相对湿度比较小的时候水分会逐渐向周围环境中散失。在混凝土的初凝和终凝时候，由于内外自由水蒸发程度不同导致了变形程度的不同，从而引起较大的拉应力，导致了混凝土由外向内的不可逆转的干缩变形裂缝的开展。(2)第二种情况是塑性收缩（外因）。当混凝土处于养护阶段时候受到强风或者温度过高的影响时，使得本来泌水就已经明显减少的混凝土表面因为失水的速度大于养护补水的速度，造成混凝土毛细孔隙中产生较大负压令强度还没有达到设计抗压强度要求的混凝土急剧收缩，从而产生龟裂。当混凝土温度较高，水灰比较低或者水泥活性较大时，裂缝会加剧形成。2.2原材料和配合比的影响2.2.1碱骨料反应是混凝土结构中最常见的造成结构出现裂缝的化学反应 水泥中的Na2O、K2O等碱性物质与活性SiO2偏酸性物质反应生成的碱硅酸凝胶吸收自由水后膨胀产生很大应力，使大体积混凝土发生屈曲，骨料的滑移以及对埋在混凝土里面的构件也会造成破坏。此外，膨胀干骨料反应也会使混凝土强度降低，弹性模量减少，从而使裂缝更加容易产生14-15。2.2.2水灰比是影响混凝土强度的一个重要因素混凝土水灰比不能太大，否则会导致构件内部游离水过多，混凝土中水泥石的渗透系数将会增加，密实度降低，一方面表现在混凝土振捣时容易造成分层离析，一旦到硬化时其体积收缩增大，混凝土表面将会产生不均匀的裂缝；另一方面表现在使水泥与骨料粘结力降低，造成混凝土内部泌水严重，硬化时水泡形成的微小孔隙会最终变为难以察觉的内部裂缝。2.3配筋的影响由于大体积混凝土的热胀冷缩产生的收缩变形比较大，配置构造钢筋可以提高大体积混凝土的拉伸极限和抗裂能力，也可以控制混凝土裂缝的开展或者减少其宽度，这些是有利的方面。但是配筋率不宜过大，否则将会导致混凝土内部产生较大的收缩应力而导致裂缝开展。另外，当垂直下沉的骨料遇到水平设置的钢筋或紧固螺栓等预埋构件时，就会受到构件阻拦并与周围的混凝土形成沉降差，最终会在混凝土顶部表面处产生塑性沉降裂缝16。2.4结构基础的影响由结构基础而产生不均匀沉降的原因非常复杂，例如大体积混凝土构件在施工前期的所处地质条件较为复杂而地质勘察不够精度，盲目地进行设计施工，导致工程事故发生。再者，当遇到地震或者地基出现流砂现象发生时候，由于基础的稳定性较弱也会导致上部结构的严重破坏。最终大体积混凝土基础和结构均会产生深度裂缝甚至贯穿裂缝。3 大体积混凝土的有限元模拟研究3.1有限元分析前的准备混凝土结构问世已将有200年,由于它的经济性,耐久性,整体性,可模性以及耐火性使它在世界各国的土木工程中得到了广泛的应用。但是素混凝土的抗拉性比较差，为此加入钢筋以增强结构整体尤其是大体积混凝土的抗拉强度。钢筋混凝结构是由钢筋和混凝土这两种性质迥异的材料组合而成的,混凝土性质复杂,应力应变关系是非线性的,在复杂应力条件下的本构关系仍不十分清楚,普遍适用的强度理论也未建立,钢筋与混凝土之间的粘结关系性质也很复杂。同时混凝土抗拉强度很低,在通常情况下钢筋混凝土结构总是带裂缝工作的,由于以上因素使得对钢筋混凝结构的有限元分析变得十分困难17。利用大型有限元分析软件ANSYS 模拟素混凝土梁及钢筋混凝土梁自开始受力直到破坏的全过程,分析裂缝的形成和发展机理,确定结构的开裂作用力、破坏作用力等结构的重要特性,展示钢筋对钢筋混凝土梁的优越性，为大体积混凝土结构的设计提供理论依据。混凝土的抗拉强度比抗拉强度要低得多，在不高的拉应力下就会出现裂缝。混凝土的开裂可以说是钢筋混凝土结构的最主要非线性特征之一。从上文的分析中得出裂缝产生的原因有：荷载作用（主裂缝+粘结裂缝）、塑性混凝土裂缝（终凝前几小时）、温度收缩产生的裂缝以及温度梯度产生的裂缝。这里仅考虑温度梯度作用下出现的裂缝。3.2有限元分析的过程首先，我们用ANSYS建立素混凝土立方体模型，在完成网格划分之后，对模型实施温度的梯度变化，并对模型进行求解，得出混凝土单元随着温度梯度的变化而造成的位移值。然后，再在立方体模型中加入钢筋，按相同的操作步骤将求解结果与前者进行比较。图1 素混凝土温度内力曲线图图2 钢筋混凝土温度内力曲线图由图2可以看出，相比于素混凝土，当应变达到一定值时，混凝土底部被拉裂，但混凝土构件的拉应力并没有迅速回落，原因是钢筋继续工作，起到抗拉作用，最后由于底部钢筋被拉屈服而使整条梁失去承载能力。但这对比素混凝土的优势就是，钢筋混凝土能承受更大的应变量，抗弯及抗拉性能远远高于素混凝土。3.3有限元分析的结论对大体积钢筋混凝土构件而言,当截面开裂以后其抗弯刚度将随着裂缝的开展而不断变化。对钢筋混凝土构件自开始施加温度梯度直到破坏的全过程进行模拟能得到钢筋混凝土构件在弹性阶段的受力性能、混凝土塑性影响、裂缝的形成和发展、钢筋和混凝土之间的粘结和滑移、钢筋的屈服与强化以及混凝土拉裂破坏等大量信息,从而可以对这些问题的本质进行全面的分析和研究,确定钢筋混凝土构件的特性。总而言之，在大体积混凝土内加入适量的配筋，将对延缓构件裂缝的产生起着极其重要的作用。4 大体积混凝土裂缝控制的其他综合措施4.1混凝土裂缝的防治4.1.1降低水泥水化热温度早龄期的混凝土水化热将起到重要的作用，同时应力的变化也非常显著，随着水化热温度的增加裂缝发生的几率也随之增大18。所以大体积混泥土在施工时候最好在晚上时段作业或者采取有效的降温措施。例如，在浇筑时减少一次浇筑的厚度，利用浇筑层面散热，或者在混凝土内部设置冷水循环系统来保证循环水与构件外表面温差15且结构内外温差25，特别是在养护期间用草袋塑料膜覆盖混凝土表面来减少内外温度差。以上措施都可以有效防止混凝土裂缝的开展。4.1.2掺入合料和外加剂 合料绝大多数来自工业固体废渣， 例如粉煤灰进入到混凝土之后会减低混凝土水化热反应速度，减少热量的产生，从而对构件的开裂有很好的抑制作用。又如混凝土中加入钢纤维可以增强张应力以达到减少裂缝产生19-20。 大体积混凝土中常用的外加剂主要有3类：(1)膨胀剂补偿混凝土收缩，抵消内部拉应力；(2)减水剂降低水灰比，减少内部空隙，增加密实度和强度；(3)缓凝剂延长放热时间，减少温度应力。4.1.3合理的浇筑工艺常见的浇筑方式种类很多，这里只介绍两种：串筒倒混凝土和分层浇筑法。串筒倒混凝土法就是将一节节上大下小的钢筋筒串联在一起，混凝土在经过串筒时候可以减缓骨料的下落速度，减少离析分层，是混凝土密度均匀。在浇筑过程中可采用分层浇注法，分层厚度应控制在3050cm之间，保证混凝土密实度均匀度,同时可以降低混凝土浇筑时候的温度峰值，减少裂缝的产生21。4.2裂缝产生后的修补措施当裂缝宽度小于0.2mm时，可采用表面覆盖法，就是在微小裂缝表面涂膜补缝。当裂缝宽度在0.20.5mm时，可采用低压灌浆法，就是将灌浆逐个修补水平缝。当缝宽大于0.5mm时，可采用开槽法，就是将聚硫橡胶改性环氧树脂砂浆嵌入已凿好的U型缝槽内，待完全初凝后用水养护。5 小结与展望当前，在全世界各个范围的各类建筑之中，钢筋混凝土建筑仍然是所占比例最大的建筑类型，如何保障混凝土建筑，尤其是事关国家经济命脉的大体积混凝土建筑的安全性，耐久性，适用性，是我们一直深入探究下去的重大课题。大体积混凝土裂缝产生的因素多，变数大，有些连肉眼也难以察觉的细微裂缝足以给建筑造成致命的破坏。为此，工程师们有责任对建筑按期进行检查，发现问题及时采取相应补救措施，提高建筑的使用年限，这就是当前一项工程领域的新技术结构健康监测（SHM）22。它可以更加深入了解大体积混凝土水化热与不同深度温度场的关系以及变化规律，以便有关人员及时发现问题，采取相应技术措施来确保大体积混凝土质量和安全。参 考 文 献1 中国建筑科学研究院 . JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程S . 北京：中国建筑工业出版社，2000,12.2 王铁梦. 工程结构裂缝控制M. 北京：中国建筑工业出版社， 1997.8.3 王永霞. 钢筋混凝土裂缝研究综述J. 中国高新技术企业，2008,09.4 刘曰飞，陈建国. 钢筋混凝土裂缝研究综述J. 西部探矿工程，2005,6.5 Comit euro-international du bton. CEB-FIP Model Code 1990: Design CodeS. FIB - Fd. Int. du Bton，1993.6 丁宝瑛，王国秉，黄淑萍. 水工混凝土结构的温度应力与温度控制研究J. 水力发电学报，1984,04.7 Mirambell, E. and Aguado, A. Temperature and Stress Distributions in Concrete Box Girder BridgesJ. Journal of Structural Engineering，sept,1990.8 Kambiz Raoufi, Mohammad Pour-Ghaz, Amir Poursaee and Jason Weiss, M.ASCE. Restrained Shrinkage Cracking in Concrete Elements: Role of Substrate Bond on Crack DevelopmentJ. Journal of Materials in Civil Engineering，June, 2011.9 龙渝川，张楚汉，周元德. 基于离散与分离裂缝模型的混凝土开裂比较研究J. 工程力学，2008,3.10 Shi, Z., Suzuki, M., and Nakano, M. Numerical Analysis of Multiple Discrete Cracks in Concrete Dams Using Extended Fictitious Crack ModelJ. Journal of Structural Engineering，March,2003.11 Yuelin, S., Zhenzhong, S., and Jianfeng, X. Tracing Crack Propagation of Concrete Acted by Transient Temperature FieldJ. Earth & Space，2008.12 吕爱忠，王占辉. 谈大体积混凝土裂缝产