混凝土的开裂与裂缝控制

1、混凝土的开裂混凝土的开裂 与裂缝控制与裂缝控制 牛牛文库文档分享 第一部分第一部分 混凝土开裂的基本原因混凝土开裂的基本原因 水泥混凝土易于开裂现象的本质，在于其粒子与粒子之间仅存在水泥混凝土易于开裂现象的本质，在于其粒子与粒子之间仅存在弱物理键的相互弱物理键的相互 作用作用，抗拉强度比抗压强度要小一个数量级甚至更多，断裂能仅约为抗拉强度比抗压强度要小一个数量级甚至更多，断裂能仅约为102J/m2量级量级 ， 而其微结构的不均匀性，以及在硬化早期因多方面原因造成的损伤、微裂缝和拉应力，而其微结构的不均匀性，以及在硬化早期因多方面原因造成的损伤、微裂缝和拉应力， 进一步使它易于开裂，进一步使它易

2、于开裂，且出现裂缝时间和部位呈现随机性。且出现裂缝时间和部位呈现随机性。 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 拌合物坍落度的变化 50年代 干硬、插捣 02 cm 60年代 干硬、插捣与低频振捣 24 cm 70年代 塑性、低频振捣 59 cm 80年代 泵送、流态、高频振捣 1020 cm 90年代 泵送、自密实 1625 cm 原因一 混凝土拌合物沉降与泌水 牛牛文库文档分享 沉降与泌水 20世纪70年代，曾任日本混凝土学会主 席的樋口芳郎做了一个试验：他将坍落度为 8cm的拌合物浇注在一透明塑料管内，惊奇地 发现在粗骨料下方普遍形成水囊；混凝土硬 化后抗弯拉强度明显下降。 牛牛文库文档分

3、享 骨料 水 可见泌水 内泌水 牛牛文库文档分享 钢筋 沉降裂缝 水囊 混凝土表面 牛牛文库文档分享 混凝土沉降形成的缝隙 钢筋 混凝土 牛牛文库文档分享 易于出现沉降与泌水现象的其他因素：易于出现沉降与泌水现象的其他因素： 早期：低气温季节浇注混凝土；早期：低气温季节浇注混凝土； 矿渣水泥中矿渣的粉磨细度较粗；矿渣水泥中矿渣的粉磨细度较粗； 近年：外加剂水泥相容性；近年：外加剂水泥相容性； 水泥可溶碱含量过低；水泥可溶碱含量过低； 拌合物的保水性。拌合物的保水性。 牛牛文库文档分享 原因二原因二 混凝土的体积变形混凝土的体积变形 1)塑性收缩塑性收缩 2)2)干湿变形干湿变形 3)3)温度变

4、形温度变形 4)4)自生变形自生变形 牛牛文库文档分享 1）塑性收缩 指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生 的收缩。特点是当表面水分向外蒸发时引起 局部产生应力，因此当蒸发速率大于泌水速 率时，会发生局部的塑性收缩开裂。 低水灰比（水胶比）混凝土拌合物体内 自由水少，矿物细粉和水化生成物又迅速填 充毛细孔，阻碍泌水上升，因此表面更易于 出现塑性收缩开裂。 牛牛文库文档分享 混凝土表面 牛牛文库文档分享 泌水速率 蒸发速率开裂 混凝土表面 牛牛文库文档分享 潮湿、干燥与风速(2.5m/s)对收缩的影响 不同参数影响的差异（摘自“减小早期收缩的方法”混凝土的收缩 2000) 牛牛文库文档分享 干缩随

5、风速增加而明显增大 牛牛文库文档分享 相对湿度对干缩的影响(2.5m/s风速;20) 牛牛文库文档分享 气温对收缩的影响(2.5m/s风速；RH40) 牛牛文库文档分享 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(Hot Weather Concreting)。 牛牛文库文档分享 可能出现塑性收缩裂缝的混凝土温可能出现塑性收缩裂缝的混凝土温 度与对应的相对湿度度与对应的相对湿度 设风速 16km/hr；气温与混凝土温差5.6 牛牛文库文档分享 塑性收缩裂缝 牛牛文库文档分享 现代高性能混凝土塑性收

6、缩增大现代高性能混凝土塑性收缩增大 主要原因在于高性能混凝土的主要原因在于高性能混凝土的低水胶比和大掺量矿物细粉的广泛使用。低水胶比和大掺量矿物细粉的广泛使用。 牛牛文库文档分享 2 2）干湿变形）干湿变形 硬化混凝土与周围环境存在湿度梯度，引起水分向外蒸发或吸入，硬化混凝土与周围环境存在湿度梯度，引起水分向外蒸发或吸入， 产生体积变形的现象。产生体积变形的现象。 牛牛文库文档分享 干湿作用的影响干湿作用的影响 混凝土受干燥作用产生的六个作用是：混凝土受干燥作用产生的六个作用是：塑性收缩开裂、体积收缩（干缩）、塑性收缩开裂、体积收缩（干缩）、 微裂缝和渗透性增大、水泥微裂缝和渗透性增大、水泥-

7、骨料粘结弱化、抗拉强度约降低骨料粘结弱化、抗拉强度约降低30%，以及如果再以及如果再 受潮，可能会因为延迟受潮，可能会因为延迟钙矾石生成或受拆散力作用而产生膨胀。钙矾石生成或受拆散力作用而产生膨胀。 Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete. ACI monograph No:11, 1999. 牛牛文库文档分享 干湿作用的影响干湿作用的影响 “在调查过程中注意到在主要遭受干燥影响的那些部位劣化最显著在调查过程中注意到在主要遭受干燥影响的那些部位劣化最显著。发生网状。发生网状 开裂的程度主要取决干燥严重

8、程度和混凝土对干燥收缩的易感性。开裂的程度主要取决干燥严重程度和混凝土对干燥收缩的易感性。” “劣化劣化在桥栏杆处最显著。在桥栏杆处最显著。”（栏杆是桥最干燥的部位）（栏杆是桥最干燥的部位）“大多数受影响大多数受影响 的混凝土没有任何明显的有害膨胀的混凝土没有任何明显的有害膨胀”（由于（由于ASRASR）。）。 Richard W. Burrows. The Visible and Invisible Cracking of Concrete. ACI monograph No:11, 1999. 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 干湿作用的影响干湿作用的影响 19661966年，宾夕法尼亚

9、州年，宾夕法尼亚州HarrisburgHarrisburg温暖的温暖的夏季有过一次干旱，只有夏季有过一次干旱，只有48mm48mm的雨水的雨水， 而不是通常的而不是通常的300mm300mm。在此期间，。在此期间，该州的该州的DOTDOT为使交通升级，建造了为使交通升级，建造了319319座桥。座桥。几几 年后，年后，Carrier Carrier 和和CadyCady（19751975年）观察了其中的年）观察了其中的249249座桥面，发现了断裂、破碎、座桥面，发现了断裂、破碎、 砂浆劣化和横向裂缝，在总长砂浆劣化和横向裂缝，在总长33.8 km33.8 km的桥面上发现了的桥面上发现了54

10、255425条横向裂缝。条横向裂缝。 牛牛文库文档分享 3）温度变形（热变形） 混凝土硬化期间由于水化放热产生温升而 膨胀，到达温峰后降温时产生收缩变形。升温 期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力， 且因徐变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模 增长，而松弛作用减小，受约束时形成大得多 的拉应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现 开裂。 牛牛文库文档分享 此外，不同温度区域热膨胀作用的差异，如大体积混凝土中内部温度较高，产此外，不同温度区域热膨胀作用的差异，如大体积混凝土中内部温度较高，产 生较大膨胀，而外部则收缩，因而在外表混凝土中将产生很大的拉应力，使混生较大膨胀，而外部则收缩，因而在外表混

11、凝土中将产生很大的拉应力，使混 凝土产生裂缝。凝土产生裂缝。 牛牛文库文档分享 图3-46 硬化水泥浆体与混凝土的绝热温升 水化热的影响 混凝土温度随水泥用量增加而上升 牛牛文库文档分享 图3-47 混凝土浇注厚度对温升的影响 （浇注温度20C，水泥用量400kg/m3） 混凝土的温升随结构物断面尺寸增大而加剧 2.0m 2.5m 结构断面尺寸非常大 牛牛文库文档分享 热收缩与热应力热收缩与热应力 混凝土的抗拉强度很小，因此在冷却时产生的混凝土的抗拉强度很小，因此在冷却时产生的 拉应力很容易超过它的强度。例如：拉应力很容易超过它的强度。例如： 混凝土的热膨胀系数为混凝土的热膨胀系数为10101

12、010 6 6 / / 由于水化热产生的温升为由于水化热产生的温升为1515 则混凝土冷却时的热收缩为则混凝土冷却时的热收缩为1501501010 6 6 而其弹性模量设为而其弹性模量设为21GPa21GPa 如果被完全约束，冷却时的拉应力达如果被完全约束，冷却时的拉应力达3.15MPa3.15MPa 超过一般混凝土的抗拉强度超过一般混凝土的抗拉强度 因此，如果不是由于应力松弛，很可能要开裂因此，如果不是由于应力松弛，很可能要开裂 牛牛文库文档分享 混凝土因为收缩引起开裂，尤其是大体 积混凝土因水泥水化放热产生的温升会引起 开裂的问题，在20世纪初就为工程界所认识。 牛牛文库文档分享 自20世

13、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。 Thermal Cracking in Concrete at Early Ages E ;掺加适量、质量良好的泵送剂和掺掺加适量、质量良好的泵送剂和掺 合料合料, ,可改善工作性和减少沉陷。可改善工作性和减少沉陷。 2)2)混凝土搅拌时间要适当混凝土搅拌时间要适当, ,时间过短、过长都会造时间过短、过长都会造 成拌合物均匀性变坏而增大沉陷成拌合物均匀性变坏而增大沉陷。

14、 3)3)混凝土浇筑时混凝土浇筑时, ,下料不宜太快下料不宜太快, ,防止堆积或振捣不防止堆积或振捣不 充分。充分。 4)4)严格按照操作规程进行混凝土振捣。严格按照操作规程进行混凝土振捣。必要时必要时, ,可可 以在混凝土浇筑以在混凝土浇筑1-1.5 h1-1.5 h后、混凝土尚未凝结之前后、混凝土尚未凝结之前, , 对混凝土进行两次振捣对混凝土进行两次振捣, ,表面要压实抹光。表面要压实抹光。 牛牛文库文档分享 技术措施之五技术措施之五 沉陷裂缝的防治措施沉陷裂缝的防治措施 5)5)做好混凝土的养护工作做好混凝土的养护工作, ,在炎热的夏季和大风天气在炎热的夏季和大风天气, ,采取缓凝或覆

15、盖等措施采取缓凝或覆盖等措施, ,减少减少 因表层水分迅速蒸发而形成的内外硬化不均匀而造成的裂缝。因表层水分迅速蒸发而形成的内外硬化不均匀而造成的裂缝。 6)6)避免直接在避免直接在松软土或填土上制作混凝土构件松软土或填土上制作混凝土构件, ,如确因需要如确因需要, ,必须对软土地基进行必须对软土地基进行 必要的夯压和加固处理。预制场地应夯打密实方可使用。必要的夯压和加固处理。预制场地应夯打密实方可使用。 牛牛文库文档分享 技术措施之五技术措施之五 沉陷裂缝的防治措施沉陷裂缝的防治措施 7)7)现浇或预制混凝土构件的现浇或预制混凝土构件的模板应支撑牢固模板应支撑牢固, ,保证模板有足够的强度和

16、刚度保证模板有足够的强度和刚度; ;加强加强 混凝土浇筑中的模板和地基检查混凝土浇筑中的模板和地基检查; ;做好周围排水做好周围排水, ,防止水管漏水或养护水浸泡地防止水管漏水或养护水浸泡地 基基; ;按规定时间和顺序进行拆模。按规定时间和顺序进行拆模。 牛牛文库文档分享 技术措施之六技术措施之六 混凝土的养护混凝土的养护 随着以使用随着以使用减水剂、矿物掺合料减水剂、矿物掺合料等为主要特征的高强高性能混凝土等为主要特征的高强高性能混凝土(HSPC)(HSPC)和泵送混凝土的广泛应用和泵送混凝土的广泛应用, , 在取得显著成效的同时也出现了在取得显著成效的同时也出现了早期裂缝频频发生的问题早期

17、裂缝频频发生的问题, ,其原因是其原因是HSPCHSPC和泵送混凝土和泵送混凝土对环境因素的敏感对环境因素的敏感 性提高了。性提高了。 牛牛文库文档分享 早期裂缝的形成早期裂缝的形成, ,最开始是由于初凝至终凝前后塑性收缩裂缝的出现最开始是由于初凝至终凝前后塑性收缩裂缝的出现, ,这类裂缝这类裂缝 中宽度较大的部分通常能够引起足够的重视而得到适当的处理中宽度较大的部分通常能够引起足够的重视而得到适当的处理, ,然而然而部分细小的微裂部分细小的微裂 缝缝( (称为称为“隐式裂缝隐式裂缝”) )则容易被忽视则容易被忽视, ,则在其后的干燥收缩过程中则在其后的干燥收缩过程中, ,在出现这类隐式在出现

18、这类隐式 裂缝的薄弱部位裂缝的薄弱部位, ,裂缝进一步扩展裂缝进一步扩展, ,最终成为最终成为“显式裂缝显式裂缝”, ,即通常所指的干缩裂缝即通常所指的干缩裂缝, , 由于此时混凝土强度与刚度发展均已相当成熟由于此时混凝土强度与刚度发展均已相当成熟, ,因此因此, ,处理这类裂缝已不像凝结前后处理这类裂缝已不像凝结前后 的塑性收缩裂缝那样的塑性收缩裂缝那样, ,可以通过二次抹压等简单的方式加以修复。可以通过二次抹压等简单的方式加以修复。 牛牛文库文档分享 混凝土浇筑面受到风吹日晒，表面干燥过快，产生较大的收缩，受到内部混凝土的约束，在表面产生拉应混凝土浇筑面受到风吹日晒，表面干燥过快，产生较大

19、的收缩，受到内部混凝土的约束，在表面产生拉应 力而开裂。力而开裂。如果混凝土终凝之前进行早期保温、保温养护，对减少干操收缩有一定作用。如果混凝土终凝之前进行早期保温、保温养护，对减少干操收缩有一定作用。 牛牛文库文档分享 混凝土塑性开裂的原因混凝土塑性开裂的原因 塑性收缩裂缝的出现与混凝土表面水分蒸发速率、泌水速率及初凝时间有关。塑性收缩裂缝的出现与混凝土表面水分蒸发速率、泌水速率及初凝时间有关。 如果如果新拌混凝土表面泌水层的蒸发速率超过泌水速率新拌混凝土表面泌水层的蒸发速率超过泌水速率, ,塑性收缩就可能快速发展塑性收缩就可能快速发展, , 是引起裂缝的主导原因。是引起裂缝的主导原因。我们

20、观察到首条裂缝通常出现在泌水膜消失后我们观察到首条裂缝通常出现在泌水膜消失后0 05 52h2h 左右。左右。 牛牛文库文档分享 混凝土塑性开裂的原因混凝土塑性开裂的原因 然而这并不是决定塑性裂缝出现与否的唯一因素，它还取决于新拌混凝土的 刚度。Ravina和Bloom的试验表明，首条塑性收缩裂缝的出现时间与初凝时间有良好 的相关性。众所周知,隐藏于开裂现象身后的是拉应力水平和材料抗拉强度的竞争， 这些试验现象表明，伴随着混凝土初凝和刚度的形成，这种竞争机制被激活了。在此 之后，在任何抗拉强度处于劣势的时间点上，裂缝具有高的出现概率。 牛牛文库文档分享 表层混凝土水分的蒸发速率、表层混凝土水分

21、的蒸发速率、 泌水速率和初凝时间泌水速率和初凝时间都与都与混凝土混凝土 的养护有密切的关系的养护有密切的关系, ,因而以上分因而以上分 析显示了析显示了养护对防治塑性收缩裂养护对防治塑性收缩裂 缝的关键作用。缝的关键作用。 牛牛文库文档分享 与普通混凝土相比现代混凝土早期的泌水性与普通混凝土相比现代混凝土早期的泌水性 与初凝时间都有了较大变化。与初凝时间都有了较大变化。当前预拌混凝土普遍当前预拌混凝土普遍 采用采用较小的水胶比，同时掺有高细度的硅灰、粉煤较小的水胶比，同时掺有高细度的硅灰、粉煤 灰、矿粉等掺合料，泌水量比较小，甚至不泌水；灰、矿粉等掺合料，泌水量比较小，甚至不泌水； 因此在较小

22、水分蒸发速率的环境下，比因此在较小水分蒸发速率的环境下，比 如如2-02-07(kg/(m7(kg/(m2 2h)h)，塑性收缩裂缝依然有可，塑性收缩裂缝依然有可 能出现，这意味着对水分蒸发速率的控制要求更为能出现，这意味着对水分蒸发速率的控制要求更为 严格。混凝土表面的水分蒸发速率主要和相对湿度、严格。混凝土表面的水分蒸发速率主要和相对湿度、 空气温度、风速和太阳辐射等环境因素有关。因此空气温度、风速和太阳辐射等环境因素有关。因此, , 养护对防止水分蒸发意义重大。养护对防止水分蒸发意义重大。 牛牛文库文档分享 例如对于大掺量粉煤灰混凝土例如对于大掺量粉煤灰混凝土 (l)(l)裂缝的发生及发

23、展主要发生在裂缝的发生及发展主要发生在ldld前，前，24h24h后几乎没么变化，这是因为水化热后几乎没么变化，这是因为水化热 大多集中在早期释放，所以大掺量煤灰混凝土的裂缝问题应在早期及时采取控大多集中在早期释放，所以大掺量煤灰混凝土的裂缝问题应在早期及时采取控 制措施。制措施。 牛牛文库文档分享 (2)(2)水胶比对混凝土抗裂性能的影响最为明显。水胶比对混凝土抗裂性能的影响最为明显。水胶比越小，开裂条数越多，总水胶比越小，开裂条数越多，总 开裂长度越大，开裂总量也越大。开裂长度越大，开裂总量也越大。因水胶比越小，混凝土中自由水量越少，同因水胶比越小，混凝土中自由水量越少，同 时混凝土结构致

24、密度增加，这样由混凝土内部向外迁移用以补充表面蒸发散失时混凝土结构致密度增加，这样由混凝土内部向外迁移用以补充表面蒸发散失 的由水量就越缺乏，从而使混凝土表面开裂越严重；此外，的由水量就越缺乏，从而使混凝土表面开裂越严重；此外，水胶比越小混凝土水胶比越小混凝土 的早期自身收缩越大，也是开裂性增加的一个原因的早期自身收缩越大，也是开裂性增加的一个原因。 牛牛文库文档分享 (3) (3)大掺量粉煤灰混凝土可以有效减少收缩，但是大掺量粉煤灰混凝土可以有效减少收缩，但是不要忽视的问题是在早期凝结不要忽视的问题是在早期凝结 硬化前后，大掺量粉煤灰混凝土收缩虽小，但抗拉强度也更小，因此如果不注硬化前后，大

25、掺量粉煤灰混凝土收缩虽小，但抗拉强度也更小，因此如果不注 意及早养护很容易在意及早养护很容易在1 1天前形成微细裂缝，造成早期开裂。天前形成微细裂缝，造成早期开裂。 牛牛文库文档分享 试验中发现，若在取下塑料薄膜时，对试验中发现，若在取下塑料薄膜时，对 混凝上再次抹面。则该组混凝土始终不混凝上再次抹面。则该组混凝土始终不 发生裂纹。发生裂纹。这说明低水胶比的高强与高这说明低水胶比的高强与高 性能混凝土，浇注性能混凝土，浇注2h2h后再次抹面可以很后再次抹面可以很 好地改善其抗裂性能。好地改善其抗裂性能。 牛牛文库文档分享 判断养护是否良好的标准判断养护是否良好的标准: : 必须有效控制混凝土表

26、面的水分蒸发速率必须有效控制混凝土表面的水分蒸发速率 必须在初凝之前开始养护。必须在初凝之前开始养护。 牛牛文库文档分享 相对湿度的控制相对湿度的控制 早期养护的关键是保证混凝土浇筑后性能发展所需的一定湿度环境。早期养护的关键是保证混凝土浇筑后性能发展所需的一定湿度环境。周围环境周围环境 的相对湿度对混凝土早期性能尤其是收缩性能的影响很大。研究发现，的相对湿度对混凝土早期性能尤其是收缩性能的影响很大。研究发现，早期相对早期相对 湿度降低越多，混凝土收缩增幅越大，湿度降低越多，混凝土收缩增幅越大，因此在混凝土浇筑的早期，控制好一定的因此在混凝土浇筑的早期，控制好一定的 相对湿度对混凝土收缩的抑制

27、是很关键的。此外相对湿度对混凝土收缩的抑制是很关键的。此外, ,有时候在工程实际中有时候在工程实际中由于种种原由于种种原 因而不能确保在养护期间做到完全的保湿，在密封养护时喷涂养护剂不失为一种因而不能确保在养护期间做到完全的保湿，在密封养护时喷涂养护剂不失为一种 值得推广应用的措施。值得推广应用的措施。 牛牛文库文档分享 保湿养护对泵送混凝土的好处保湿养护对泵送混凝土的好处 塑性收缩裂缝将可能消失； 由于水分可以不断进入混凝土参与水化反应(对板而言)，遏制了自干燥与自收缩, 有可能减小总收缩； 减少早龄期的干燥收缩,推迟或甚至避免干缩裂缝的发生，减缓其发展速度，利 于徐变性能的发挥; 保证了混

28、凝土的质量,尤其是混凝土保护层的质量。 牛牛文库文档分享 控制开始养生的时间及条件控制开始养生的时间及条件 保证混凝土养生龄期。应在混凝土保证混凝土养生龄期。应在混凝土 浇筑完成，收浆后即开始覆盖洒水养浇筑完成，收浆后即开始覆盖洒水养 生，同时要保证覆盖物表面保持在湿生，同时要保证覆盖物表面保持在湿 润状态，养生龄期不少于润状态，养生龄期不少于1414天。天。 牛牛文库文档分享 其他技术措施其他技术措施 采用如选用低水化热、凝结时间长的水泥；骨料在大体积混凝土中所占比例一般 为混凝土绝对体积的80%83%，在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较 低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料；降低混凝土浇注温度；预埋水管；表面 保温等大体积混凝土的技术措施。 牛牛文库文档分享 Liquid nitrogen being used to cool concrete 牛牛文库文档分享 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。 Thermal Cracking in Concrete at Early Ages E & FN SPON (1994) 牛牛文库文档分享 混凝土混凝土混凝土结