混凝土塑性裂缝产生机制及对策

研究生课程考核试卷研究生课程考核试卷 科科 目 目 建设工程质量控制与管理建设工程质量控制与管理 教教 师 师 王冲王冲 姓姓 名 名 学学 号 号 专专 业 业 建筑材料建筑材料 类类 别 别 学术学术 上课时间 上课时间 2015 年年 3 月至月至 2015 年年 5 月月 考考 生生 成成 绩 绩 卷面成绩卷面成绩平时成绩平时成绩课程综合成绩课程综合成绩 阅卷评语 阅卷评语 阅卷教师阅卷教师 签名签名 混凝土塑性裂缝产生机制及对策混凝土塑性裂缝产生机制及对策 摘要摘要 塑性裂缝是一种常见的混凝土早期裂缝 发生以后会影响混凝土外观质 量和耐久性 本文简述了塑性裂缝形成的毛细管应力机理和塑性沉降机理 并 讨论了塑性裂缝的影响因素及预防措施 关键词关键词 塑性裂缝 产生机制 影响因素 预防措施 1 1 前言前言 混凝土是目前使用量最大 应用最广泛的一类建筑材料 但是许多混凝土 结构在建设与使用过程中出现了不同程度 不同形式的裂缝 这不仅影响建筑 物的外观 更危及建筑物的正常使用和结构的耐久性 因此 裂缝问题倍受人 们关注 混凝土裂缝从成因上分通常有两大类 结构性裂缝和非结构性裂缝 结构性裂缝是指由于荷载不当或过大造成混凝土构件的强度或刚度不足 裂缝 的宽度失去控制而引起的较为规律的裂缝 这类裂缝会危及到结构的安全 必 须对其进行补强 一般来说 这类裂缝在混凝土构件施工和使用阶段都可能出 现 非结构性裂缝是指由于施工 材料 温度等原因引起的裂缝 一般这类裂 缝都较有规律 并且会影响到建筑的正常使用和混凝土的寿命 必须加以处理 这类裂缝一般仅在施工阶段出现 1 非结构性裂缝主要包括塑性收缩裂缝 自 生收缩裂缝 干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝等几种形式 塑性收缩裂缝和干缩裂缝不同 虽然都是由于混凝土失水产生的表面张力 引起 但干缩主要是由混凝土终凝后内部水泥石的孔隙 气孔 毛细孔 凝胶 孔 水蒸发而产生 干缩量随龄期逐渐增长 形成的干缩裂缝一般垂直于长度 方向或在边角呈 45 塑性收缩是由于混凝土终凝以前表面失水引起毛细管压 力而产生的表面收缩 裂缝在混凝土终凝之前形成 一般分布不规则 易出现 龟裂状 图 1 塑性裂缝示意图 塑性收缩是指发生在水泥浆 砂浆或者混凝土凝结前的收缩 塑性收缩发 生在混凝土成型后的几小时内 此时混凝土仍为塑性状态 无法提供足够的强 度抵抗收缩应力 2 当收缩拉应力超过一定值时 就会引起混凝土塑性开裂 塑性裂缝为有害物质提供有效的通道 且相比硬化混凝土 此时有害物质更易 渗入混凝土 同时塑性裂缝为后期其他收缩提供开裂的基础 3 这都将导致混 凝土的强度 耐久性以及外观受到影响 因此必须严格控制混凝土塑性收缩开 裂 2 2 塑性裂缝产生机制塑性裂缝产生机制 塑性裂缝的产生形式主要分为塑性收缩和塑性沉降两种 两者有时没有明 显区别 相互交织在一起 塑性沉降出现在混凝土浇筑后半小时直到混凝土硬 化时方停止 当塑性沉降受到抑制时也要产生裂缝 一般来说 塑性沉降裂缝 是由沉降差异 即剪切应力产生的裂缝 而塑性收缩裂缝是由约束塑性收缩 即由新拌混凝土中的拉伸应力产生的裂缝 4 2 12 1 塑性收缩塑性收缩 塑性收缩裂缝是指硬化前的混凝土在凝结过程中因表面水分蒸发而引起的 干缩裂缝 常见于浇筑后混凝土构件的表面 尤其是大块混凝土板面 新拌混 凝土的收缩过程大体如图 1 所示 在阶段 速度大于蒸发干燥速度 混凝土 表面不会出现收缩现象 在阶段 蒸发速度大于泌水速度 混凝土表面开始 收缩 但由于此时的混凝土有足够的塑性 能适应提及变化而不开裂 在阶段 混凝土因凝结而变稠 塑性降低 而蒸发又继续不断进行 就有可能引发 塑性开裂 在阶段 混凝土终凝后硬化 混凝土的塑性干燥收缩结束 5 图 2 混凝土塑性干缩与时间关系 当新鲜混凝土表面水的蒸发速度大于混凝土的泌水速度时 水的蒸发面由 表面 图 3 a 深入到新鲜混凝土浆体表面以内 使蒸发面形成凹液面 图 3 b 凹液面产生的毛细管压力使固体颗粒之间产生引力 在第一阶段 图 3 a 颗粒之间距离较大 形成的毛细管压力较小 进入第二阶段 图 3 b 颗粒之 间的水形成弯液面而且曲率半径不断减小 毛细管压力也随之显著增大 并达 到最大值 此时的毛细管压力称之为临界压力 或突破压力 进入第三阶段 图 3 c 由于水泥水化的不断进行 混凝土表面的水不能填充所有空隙而呈 非连续状态 毛细管压力随之迅速降低 6 图 3 新鲜混凝土液面的不同发展阶段 混凝土在浇筑后的最初几个小时 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 形成复杂的弯月面体系 如图 4 图 4 毛细管压力简图 Powers 7 提出如下计算毛细管压力的计算公式 公 1 10 3 式中 P 为颗粒之间的毛细管压力 为水的表面张力 s 为颗粒的比表面积 W C 为混凝土的水胶比 Wittman 8 已用试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 由 Laplace 方程可得毛细管压力 公式中 为液体表面张力 R1 和 R2 液体表面曲线半径 1 1 1 2 由公式可知 被布满毛细管的液体分隔开的粒子之间常存在的引力大小与几何 尺寸和表面张力有关 新拌混凝土中所有单个粒子相对于其他粒子来说是运动 着的 因此 较小的引力就可减小粒子之间的平均距离 这样一来 整个体系 就变得密实了 随着水化作用的继续 最初分离的粒子被逐渐地相互固定住且 最终形成了一个固体骨架 随后毛细作用就很快停止了 2 22 2 塑性沉降塑性沉降 混凝土浇筑后 由于浆体的密度比骨料小 水泥颗粒又重于水 骨料在浆 体中有下沉趋势 而水分则向混凝土表面转移 当垂直下沉的固体颗粒迂到水 平设置的钢筋或紧固螺栓等埋设件处 或受到侧面模板的摩擦阻力时 就会受 到阻拦并与周围的混凝土形成沉降差 导致在混凝土顶部表面处造成塑性沉降 裂缝 此外 如果同时浇筑梁 板或柱的混凝土 由于这些构件的深度不同 有着不同的沉降 从而在这些构件交接面处形成沉降差并产生塑性裂缝 9 混 凝土的坍落度越大 产生沉降开裂的可能性也越大 在接近表面的水平钢筋上 方最容易形成沉降裂缝 并随钢筋直径加粗和保护层减薄而越趋严重 当保护 层过薄时 塑性沉降裂缝甚至会伸入钢筋表面并沿着钢筋通长发展形成纵向裂 缝 见图5 5 与塑性收缩裂缝不同 塑性沉降裂缝有明确的部位和方向性 通常沿着钢筋延伸发展或在不同深度构件结构改变处易出现沉降裂缝 图5 保护层厚度 钢筋尺寸 塌落度对沉降裂缝的影响 3 3 影响塑性收缩裂缝的因素影响塑性收缩裂缝的因素 3 13 1 环境因素环境因素 当水分蒸发率很高时 新拌混凝土通常易产生塑性收缩裂缝 虽然对水分 蒸发速率的测试提供了关于干燥强烈度的有价值的信息 但决不能在任何情况 下都能把它用来预测塑性收缩裂缝是否出现的指标 水分蒸发速率1 0 Kg m2 h 这个门槛值被建议用于混凝土 这就意味着当蒸发速率超过此值时就应对混凝 土表面水分蒸发采取恰当的预防性措施 10 高温 高风速和低相对湿度都会引起水分蒸发率较高 另外还有太阳辐射 也在蒸发和塑性收缩裂缝形成过程中起着关键性的作用 这些环境因素对塑性 收缩开裂形成过程起着关键性的作用 尤其以相对湿度的影响最为主要 通过 研究发现 当混凝土的温度与空气温度相当且大气相对湿度为100 时 水分蒸 发速率可以忽略不计 通常环境温度越高 风速越大 水分蒸发速度也越大 因此大风和高温季节是塑性收缩开裂的高发季节 3 23 2 混凝土配合比混凝土配合比 3 2 13 2 1 水泥水泥 当其他条件相同时 高标号混凝土与低标号混凝土相比 水泥用量较多 单方用水量少 水胶比低 由于高标号混凝土中由毛细管压力引起的表面颗粒 之间的毛细管压力比低标号混凝土的大 更易出现塑性收缩裂缝 同时 高标 号混凝土出现塑性收缩裂缝的时间比低标号混凝土提前 面积也较大 6 3 2 23 2 2 水灰比水灰比 不同水灰比对毛细管压力及塑性收缩应力的影响不同 杨长辉 11 等认为水 灰比对混凝土拌合物塑性收缩裂缝面积的影响存在一最不利值 该值约为0 5低 于0 5时 塑性收缩裂缝面积随水灰比的提高而增大 大于0 5后 塑性收缩裂缝 面积随水灰比的提高而减小 单位体积水泥浆量对混凝土塑性收缩裂缝面积的 影响规律与水灰比的影响类似 与最大塑性收缩裂缝面积对应的水泥浆量在 0 33 0 43 m3 m3砼之间 在0 35 0 65范围内 混凝土拌合物水份蒸发速率随 水灰比的提高而增大 两者之间有良好线性相关性 3 2 33 2 3 外加剂和掺合料外加剂和掺合料 由于对现代混凝土性能要求的发展 越来越多的掺合料和外加剂被引入到 拌合物中 这些都会对混凝土的塑性收缩产生影响 常见的掺合料有硅灰 粉煤灰 磨细的矿渣等 他们对混凝土属性收缩的 影响与其种类和细度有关 Al Amoud 12 发现混凝土塑性收缩应变量随硅灰含量 增加而增大 且都大于普通混凝土 研究发现随着硅灰含量的增加 混凝土的 塑性开裂区域和裂缝的宽度都将增大 由于硅灰会降低混凝土的泌水量和泌水 率 混凝土表面水分蒸发而无法得到及时的补偿 因此加入硅灰将增加混凝土 塑性开裂几率 同时也会使混凝土浆体内部固体颗粒堆聚更加密实 表面部分 细小颗粒的存在使毛细管压力增大 颗粒之间的引力也随之增大 增加了出现 塑性收缩裂缝的可能性 另一方面 掺合料的存在使混凝土凝结时间延长 增 加了混凝土表面的失水量 同时使混凝土表面在塑性阶段的抗拉强度下降 进 一步增加了出现塑性收缩裂缝的可能性 Wang等 13 研究了粉煤灰对塑性收缩 开裂的影响 发现不同种类的粉煤灰对塑性收缩的影响不同 掺F级粉煤灰对混 凝土塑性收缩具有改善作用 而掺有30 和50 超C级细粉煤灰比普通混凝土具 有更大的塑性收缩量 由于硅灰比粉煤灰具有更小的颗粒尺寸 可形成致密的 混凝土结构 具有更小的泌水率 导致塑性收缩量增大 但硅灰和普通粉煤灰 的复掺具有良好的降低塑性收缩的效果 不同种类的外加剂对混凝土的塑性状态影响不同 因而也会对其塑性收缩 产生不同影响 减水剂将影响混凝土的塑性状态 一般来说将减少塑性收缩裂 缝 高效减水剂使混凝土泌水减少 是因为其降低了混凝土的表面张力 更能 抵抗或延长塑性收缩裂缝的产生 当缓凝剂过量时 由于拌和物凝结慢和强度 发展慢 容易产生塑性收缩裂缝 促凝剂加速了凝结因而减少了出现塑性收缩 裂缝的可能性 3 33 3 断面厚度断面厚度 断面厚度决定混凝土的泌水性 断面越大 产生沉降的固体物质越多 有 更多的泌水到达表面 厚度因素常常影响塑性 沉降 裂缝 即裂缝在增强材 料或大骨料上形成 然而断面越大 混凝土表面泌水的时间就越长 这种趋 势能抵抗潜在裂缝的发生 可以认为断面越深 越不易产生塑性收缩裂缝 却 易于产生塑性沉降裂缝 4 3 43 4 纤维纤维 纤维的自身参数如掺量 直径 长度以及几何形状同样对混凝土的塑性收 缩开裂产生影响 其中纤维的掺量对塑性收缩影响最大 9 最佳纤维掺量情况 下 混凝土塑性裂缝宽度可被显著地减小 纤维直径也是重要的影响因素 在 固定掺量下 减小纤维直径可显著减少混凝土塑性裂缝 纤维的长度和长宽比 对塑性收缩的减小效果不大 但发现较高的长宽比能更好地减小混凝土的塑性 开裂 不同种类 长度以及形状纤维的混合使用 能增加混凝土韧性 使混凝 土具有更高抗拉强度 减少早期收缩开裂 并在保证工作性和经济的条件下 可有效提高混凝土的耐久性 3 53 5 其他影响因素其他影响因素 工程结构的形状也是评估混凝土塑性收缩开裂几率的重要因素 塑性裂缝 通常出现在大面积混凝土结构如桥面 楼板 路面以及隧道的顶部等部位 这 些结构的底部一般都处于被约束状态 表面的水分蒸发量也较大 因此相比容 易出现塑性收缩裂缝 不恰当的施工技术和方法同样会大量增加混凝土塑性裂 缝 对砂浆试验表明塑性收缩裂缝的方向和程度极大地受到刮平操作的方向与 速度的影响 4 4 塑性收缩裂缝的预防措施塑性收缩裂缝的预防措施 4 14 1 混凝土浇筑质量控制混凝土浇筑质量控制 浇筑前 炎热天气下对骨料和钢筋预冷 降低混凝土的入模温度 骨料具 有一定吸水性时 对其进行表面润湿 润湿模具 地基和底板以减少水分蒸发 不过分搅拌 尽量缩短搅拌时间以及搅拌到浇筑 抹面 养护时间 在浇筑柱 梁 板等相互联接的不同深度构件时 应设置施工缝或是分层浇筑 并进行合 理振捣 不过振和少振 4 24 2 混凝土配合比控制混凝土配合比控制 选择合适标号的水泥 控制好混凝土的水灰比 使其具有满足要求的水分 蒸发速度 在满足工作性的前提下 配合比设计应使混凝土具有良好的稠度和 保水性 应尽量降低混凝土的坍落度 缩短凝结时间 凝结时间越长 混凝土 表面的失水量越大 出现塑性收缩开裂的几率越大 合理使用矿物掺合料和外 加剂 充分考虑其对混凝土塑性收缩的影响 添加纤维 增加混凝土表面抗拉 强度 4 34 3 混凝土养护质量控制混凝土养护质量控制 养护前对混凝土表面抹平和压光 可有效去除较浅的塑性裂缝 在混凝土 表面使用风障以减小空气流动 降低风速 当浇注和抹平混凝土之间有延误 时对混凝土进行临时遮盖 炎热环境下对混凝土进行降温 冬季施工时避免混 凝土过热 需要时盖上遮板以控制混凝土表面温度 浇注和抹平混凝土后尽可 能早地进行养护 用薄膜 湿麻布 砂 浅色纸等养护方法养护 或者对混凝 土表面进行遮盖或喷水 以减少混凝土表面的水分蒸发 5 5 结语结语 塑性裂缝发生在混凝土凝结硬化前 是一种很常见的早期裂缝 必须引起 足够的重视 其形成机理复杂 影响因素众多 塑性裂缝发生以后会危及混凝 土的表观质量和耐久性 如果合理考虑配合比 浇筑质量 养护方式等各方面 影响因素 塑性裂缝是可以避免的 参考文献 1 朱耀台 詹树林 混凝土裂缝成因与防治措施研究 J 材料科学与工程学报 2003 21 5 727 730 2 Toledo Filho R D Ghavami K Sanju n M A et al Free restrained and drying shrinkage of cement mortar composites reinforced with vegetable fibres J Cement and Concrete Composites 2005 27 5 537 546 3 Slowik V Schmidt M Fritzsch R Capillary pressure in fresh cement based materials and identification of the air entry value J Cement and Concrete composites 2008 30 7 557 565 4 杨长辉 王川 混凝土塑性收缩裂缝成因及防裂措施研究综述 J 混凝土 2002 5 33 36 5 熊跃华 熊杰 混凝土塑性收缩裂缝的成因及其控制措施 J 工程建设与设计 2007 9 113 115 6 王涛 邵正明 混凝土塑性收缩裂缝的影响因素及预防措施 J 混凝土 2003 1 53 54 7 Cohen M D Olek J Dolch W L Mechanism of plastic shrinkage cracking in portland cement and portland cement silica fum