混凝土的体积稳定性

3.4混凝土的体积稳定性,开裂的诊断,洞庭湖大桥,西安脉冲堆堆本体,80%以上的开裂都是由于混凝土变形所引起，只有很小一部分是由于承载力不足导致。裂缝治理专家王铁孟,3.4.1变形的类型,1.荷载作用下产生弹性与非弹性变形2.非荷载作用下产生收缩与膨胀变形3.复合作用下产生徐变,P,P,混凝土的泊松比=？,混凝土在荷载作用下的变形,什么材料的泊松比0.5?,0.2,软橡胶,泊松比=0.5,体积不变纯流体,3.4.2弹性行为,混凝土的弹性模量高，即刚度大，意味着在一定荷载作用下的变形小。混凝土的弹性模量与孔隙率关系密切，因此影响强度的各种因素，也同样影响它的弹性模量。混凝土的弹性模量在很大程度上取决于占其主要体积组分的骨料的弹性模量。,混凝土的弹性模量,1）不是常数。受许多因素影响，如骨料品种、用量和混凝土干湿状态等；2）随时间（混凝土的龄期）会不断增长；3）弹性模量高时，虽然同样荷载作用下的变形小；但混凝土的变形受约束时，产生的应力则越大。,混凝土在硬化过程和干湿、冷热作用下的变形,3.4.3温度收缩与热膨胀3.4.4干燥收缩与徐变3.4.5自生收缩3.4.6碳化收缩,1.塑性沉降裂缝2.塑性收缩裂缝3.早期热缩裂缝4.干缩裂缝5.发丝裂纹6.钢锈裂缝7.冻融侵蚀8.冲击9.力学损伤,钢筋上方,成拱,厚度变化,对角,随机,钢筋上方,外部约束,内外约束,镘平,自然,氯离子,冻融,轮载作用,落物,弯折,剪切,疲劳,沉陷,3.4.7延伸性与开裂ExtensibilityandCracking,延伸性的含义：弹性模量弹模越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；徐变徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；抗拉强度抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。,无松弛作用时出现开裂,混凝土的抗拉强度,开裂延迟,应力,松弛后的实际应力,应力松弛,时间,收缩应变受约束时产生的弹性拉应力,工程实例：,洞庭湖大桥；2西安脉冲堆；,1.混凝土的粘弹性与其在荷载和环境作用下的开裂现象有什么关系？2.影响混凝土的干缩与徐变主要有哪些因素？3.何谓自身收缩？它怎样随混凝土的水灰比减小而变化？为什么？4.强度高的混凝土为什么更容易开裂？,思考题,参考书,TheScienceandTechnologyofCivilEngineeringMaterials.2.MaterialsScienceforCivilandHighwayEngineer.3.Concrete:Structures,PropertiesandMaterials.P.K.Mehta,干燥收缩DryShrinkage,（硬化）混凝土与周围环境存在湿度梯度，引起水分蒸发产生体积收缩的现象。,干燥环境,泌水速率蒸发速率,开裂,混凝土表面,干燥收缩DryShrinkage,路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；2.影响蒸发量的环境因素，包括气温、混凝土温度、相对湿度、风速和太阳辐射热，均影响干缩；3.混凝土凝固缓慢干缩大，但产生应力小；骨料用量多、水灰比低时，干缩小；,影响蒸发速率的因素,1）气温；2）混凝土体温；3）相对湿度；4）风速；5）太阳辐射热；以上任意两个因素的组合都属于热天混凝土浇注(HotWeatherConcreting)。,图1美国混凝土协会(ACI)的蒸发速率图表,美国混凝土学会实用手册,蒸发速率图表,气温,混凝土温度,干燥收缩DryShrinkage,由于外加剂，尤其是高效减水剂和矿物掺合料的应用，混凝土的水胶比可以明显降低，泌水减少，干缩也明显减小。但与此同时，带来塑性开裂加剧、自生收缩增大等新问题。,自生收缩,自生收缩，是指混凝土体内由于水泥和水发生水化反应，产物的固相体积增大，而与反应前水泥与水的体积之和相比则减小。这种收缩现象的发生与周围介质不相干，没有失重也不增重，因此称之为自生收缩。这种收缩由化学反应引起，也称其为化学收缩。,自生收缩的机理,水化反应进行过程中，一部分拌合水由化学反应消耗，一部分填充凝胶孔。当水灰比较大时，凝胶孔基本上充满水，自身收缩很小；水灰比较小时，凝胶孔形成弯月面，产生自干燥作用，外界压力使水泥浆体收缩。,凝胶孔,毛细孔,凝胶,孔隙,弯月面,凝胶孔,干缩与自生收缩,自缩与干缩的异同点,相同点：均由于水的迁移所引起；不同点：1.自缩不失重；2.自身收缩各向同性地发生，干缩由表及里地发生；3.水灰比降低时，干缩减小，自缩增大；4.覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而自缩必须通过湿养护处理。,强度,放热,体积减小,水泥浆水化“永恒的三角形”,热收缩与开裂,ThermalShrinkageandCracking,混凝土硬化期间由于水化放热产生温升，到达温峰后降温时产生的收缩变形，以及因变形受约束形成拉应力超过抗拉强度出现开裂的现象。,热裂缝的控制,自20世纪初起，为了减小水化放热产生的影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又开发出低热水泥。利用加大粗骨料粒径、非常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制浇注层高和管道冷却等措施，进一步获得了降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。,近几十年来，基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂的现象增多，同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了。水化热以及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。,热收缩与开裂,由于70年代美国混凝土桥面板普遍出现开裂，因此转向使用更高强度的混凝土，但是看来这无济于事。根据国家公路合作研究计划1995年的调查表明：10万多块混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现了间隔1-3米的贯穿性裂缝。P.K.Mehta.,热收缩与开裂,大体积混凝土的定义,任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。美国混凝土学会,a,z,=侧向相对缩短/纵向相对伸长,波松比,z=azx=y=azV=(a+x)(a+y)(a+z)V=a3+a2x+a2y+a2z体积变化：dV=a2(x+y+z)dV=a2z(12)；=0.5纯流体,洞庭湖大桥为什么开裂？,98年7月浇注三座塔柱的0号块混凝土（C50）后，仅在边梁发现个别短、细裂缝；99年7月浇注三座塔柱的1号块混凝土（C60）后，在顶板和边梁发现多处很长的贯穿裂缝。,洞庭湖大桥,C60混凝土原材料、配合比及强度,水泥625#490kg/m3;硅粉42.5kg/m3;粗骨料白云岩、饱水单轴抗压强度168.8MPa、针片状颗粒1012%；水胶比0.31；坍落度1618cm；泵送到位；每次浇注时间79小时，收浆（抹面）后35小时用湿麻袋覆盖并浇水养护。3天强度60.2MPa；7天73.2MPa；28天89.5MPa,洞庭湖大桥为什么开裂？,高强混凝土的强度发展快，弹性模量上升迅速，很快产生很大的弹性拉应力；2.高强混凝土徐变小，应力松弛作用差；3.高强混凝土水胶比低，早期自身收缩大；4.混凝土浇注时间长，养护不及时；5.浇注时节气温高，加速水泥水化，温升大。,问题？1.桥梁施工混凝土早期强度为什么要求那么高？2.桥梁施工混凝土浇注时间为什么那么长？3.怎样能做到及时养护？4.铁路桥梁厂生产的桥梁为什么不会开裂？5.现浇高强混凝土桥梁可以采取哪些防裂措施？,西安脉冲堆堆本体,西安脉冲堆堆本体为何开裂？,西安脉冲堆堆本体成八角形，下部厚200cm（高4.5m）；上部厚80cm（高4m）;混凝土设计等级C30，坍落度35cm；用425#矿渣水泥；骨料为24cm磁铁矿石和15mm褐铁矿石（密度约为5000kg/m3)。于99年1月进行重混凝土（约200m3）浇注(每层20cm），分别四次共用51小时。浇注时气温（室内）为6以上。,西安脉冲堆堆本体为何开裂？,脉冲堆在2000年1月进行热态零功率物理实验过程中发现堆本体外层出现多条纵向裂纹，深为几公分至二、三十公分；长好几米。横向也发现几条裂纹，但比较浅而且短。实验时堆内水温最高48、室温6。,脉冲堆裂纹示意图,西安脉冲堆堆本体为何开裂？,进行热态零功率实验时，脉冲堆内外温差过大，使混凝土堆本体承受的拉应力超过其抗拉强度，因此产生纵向裂缝；2.混凝土设计等级过低，没有考虑实验时内外温差的作用；3.因重混凝土易于沉降，而矿渣水泥在低温下硬化缓慢使其加剧，造成横向裂纹出现，尤其是变截面处。,可以采取哪些处理措施？,用碳纤维薄板进行加箍处理（相当于预应力）；控制以后实验时的内外最大温差不超过25，并在实验过程密切监视裂纹再出现与扩展；3.只进行表面处理，不要灌缝；4.建议今后在设计同类结构物时以最大温度应力为依据，采用纤维增强混凝土；,干燥收缩与徐变DryShrinkageandCreep,起因于硬化水泥浆体；应变-时间曲线非常相似；影响干缩的因素通常也同样影响徐变；都达到4001000微应变(m/m,10-6），以至设计上不可忽略；都部分可逆。,干缩与徐变,粘弹性材料在一定应力作用下的徐变,粘弹性材料在一定应变作用下的应力松弛,总应变,时间,干缩,基本徐变,干燥徐变,60%湿度、不加载,100%湿度、加载,60%湿度、加载,徐变,应变,外露边,长圆柱体,干缩与徐变,收缩引起的变形和应力,观察到的收缩,弹性应变分布（无徐变）,徐变的影响,西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年后坍塌（1996年）。,徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达3050%，减小混凝土的徐变，对这样一些结构物是有益的。但是另一方面，徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，可以降低应力峰值，从这个角度来说：徐变较大的混凝土又有有利的一面。,徐变的作用,河的左岸,双曲拱桥罗依溪桥,几种岩石的弹性模量与泊松比,岩石种类弹性模量(GPa)泊松比(),花岗岩6.060.00.110.23闪长岩60.080.00.25辉绿岩70.0110.0砂岩6.025.00.070.22凝灰岩2.020.00.11石灰岩30.040.00.190.27大理岩50.080.00.250.28,一些岩石的线膨胀系数,岩石种类线膨胀系数(10-6/),花岗岩511.9闪长岩4.110.3辉绿岩3.67.0砂岩812.0石灰岩412大理岩59.0硅岩11,3.3混凝土的强度与破坏,3.3.1强度孔隙率关系3.3.2混凝土的破坏模式3.3.3抗压强度及其影响因素1.混凝土组成材料的特性与配比2.浇注;3.养护;3.3.4混凝土在不同应力状态下的力学行为,混凝土的破坏模式,随着应力的增长，混凝土体中微裂缝逐步地扩展，并相互连通形成大裂缝，导致破坏。,影响混凝土强度的因