预拌混凝土的早期收缩开裂

1、预拌混凝土的早期收缩开裂预拌混凝土的早期收缩是导致混凝土早期开裂现象的主要原因之一,预拌混凝土早期开裂的问题越来越受到人们的重视,有学者据调查,建筑物的裂缝只有20%是荷载裂缝,而更多的80%的裂缝是变形裂缝,这个变形裂缝所谓的变形就是指由于混凝土的收缩产生的变形,混凝土的收缩大于混凝土的抗拉强度而开裂。所以在研究预拌混凝土早期收缩抗裂性能之前,必须先对预拌混凝土的早期收缩有一个全面的了解。预拌混凝土的开裂是预拌混凝土收缩、徐变、弹性模量、抗拉强度和外部约束的综合作用结果。随着混凝土技术的发展,预拌混凝土的这些性能在早期发生了明显的变化。首先,混凝土的早期收缩变形发生了很大变化。这些收缩变形包

2、括:(l)塑性收缩塑性收缩通常发生在混凝土浇捣后312小时,混凝土仍处于塑性状态的时候。其成因主要是因为混凝土在新拌状态下,拌合物颗粒间充满着水,如果养护不足或存在其它原因,表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时,则会造成毛细管中产生负压,从而使浆体产生收缩。塑性收缩发生在混凝土新拌状态下,因此它主要发生在早期,混凝土在早期由于表面温湿度的变化、混凝土基底或模板材料的吸水会使混凝土的塑性收缩发生很大的变化。(2)化学收缩混凝土的化学收缩是指在混凝土内水泥水化的过程中,水化产物的绝对体积同水化前水泥和水的绝对体积之和相比有所减少的现象。硅酸盐水泥的水化收缩率大约在7%9%的范围内。普通混凝土的

3、化学收缩一般为40100x10一,高强混凝土可能为其1.52倍。(3)干燥收缩干燥收缩是指混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部水分而引起的收缩。干燥收缩比较大,在普通混凝土中高达500600x10一6。是普通混凝土产生裂缝的主要原因。干燥收缩是一个长期的收缩过程,但是其收缩速率随着时间的增加而急剧减小,早期收缩速率较大,经长期测试表明,两周内就完成20年收缩的14%34%。(4)自收缩自收缩是指在恒温绝湿的条件下由于胶凝材料的继续水化引起自干燥而造成的混凝土宏观体积的减少。水灰比越低,自收缩就越大,而且自收缩主要产生于混凝土拌和后的前几天尤其是第一天。过去使用的水泥颗粒较大,比表面积较小

4、,而且水泥标号也很低,因此早期水泥水化程度,再加上混凝土的水灰比较大,自收缩很小。据Dav15”测定的自收缩量值仅为50100xlo一6。因此混凝土的早期自收缩一般不会引起混凝土的裂缝问题。但是随着预拌混凝土的迅速发展,自收缩的作用越来越明显。有研究表明,当混凝土的水胶比低于0.3时,自收缩率高达200400x10一6,磨细矿渣大量掺入的混凝土自收缩率可以达到100X10一6。在工程实践中,我们发现预拌混凝土的自收缩现象是非常显著的,比如混凝土在恒温水养护的条件下仍然开裂,密封的高性能预拌混凝上的抗折强度随着养护龄期的增加而降低。这些现象不能仅仅通过冷缩开裂或干燥开裂来解释,而只能通过自收缩来

5、解释。具体分析预拌混凝土早期收缩尤其是自收缩增大的原因主要有两个,即低水灰比或低水胶比和掺较大量的活性矿物。混凝土的自收缩一般发生在初凝之后,密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,即自干燥。自干燥造成混凝土内部水量减少,孔隙和毛细管中的水也逐步被吸收减少,导致水蒸气处于不饱和状态,使毛细管中的液面形成弯月面,最终产生毛细管收缩应力,使水泥石受负压作用,成为凝结和硬化混凝土产生自收缩的主要动力。高强、高性能混凝土的水灰比较低,自干燥消耗掉的水分不能从外界及时得到补充,就开始从毛细孔隙中取水,造成毛细孔隙中的水分不饱和而产生负压,因而引起混凝土的自收缩。该收缩过程开始于水化速率处于高潮阶

6、段的前几天,而早期混凝土的抗拉强度还很小,自收缩的发展首先会引发混凝土的表面裂缝。除因水灰比或水胶比的降低会产生显著的自收缩之外,混凝土中较大量的活性矿物掺合料的掺入也会使混凝土早期收缩增大,特别是掺用硅灰,即使水灰比或水胶比在0.40.5时,混凝土也会产生较大的自收缩。而低水灰比的混凝土掺入此类活性掺合料,会由于混凝土内部的自干燥而产生的自收缩将更为显著。活性掺合料掺入混凝土能产生自收缩的原因,主要是由于活性掺合料具有较高的火山灰活性而增大了化学减缩。同时,在水泥水化初期生成较高含量凝胶孔的孔结构体系的水泥石会产生高度的自干燥,从而引起严重的混凝土自收缩。此外,活性掺合料的表面积较大,会导致

7、活性掺合料与拌合水很快结合,加速了水泥石中的孔隙空间的缺水与内部相对湿度的降低,从而增大了自干燥和自收缩,提高了早期开裂的可能性。另外,在混凝土中加入掺入减水剂或高效减水剂,在减少了混凝土用水量的同时,对混凝土的自干燥和自收缩也会带来不利的影响。单纯的收缩或膨胀并不会产生裂缝,只有收缩或膨胀变形受到限制的时候,才会产生应力并开裂,约束收缩是混凝土早期开裂最主要的源动力。实际工程中,混凝土总会受到钢筋、模板、基底和相邻构件的约束,或者是同一构件不同部分的收缩差异,都会产生约束机制。在受外部约束条件下,混凝土的收缩变形产生的拉应力丐与应变之间的关系是:=式中E为混凝土弹性模量。当约束产生的拉应力超

8、过混凝土的即时抗拉强度,或者约束产生的拉伸应变超过了材料允许的极限变形的时候,即f几或f/E时,混凝土就会开裂。由上述混凝土早期收缩变形和力学性质的变化可知,由于预拌混凝土的水泥用量大、水灰比小使得混凝土早期不仅收缩()较大,而且内部结构形成的速率大于抗拉强度的增长速率,E的增长比增长快,所以导致预拌混凝土的早期抗裂性能较差。此外,由于施工、设计等的原因,混凝土发展出现以下趋势:高水泥细度,高C3A含量,高C3S含量,低C2S含量,高C4AF含量,高SO3含量,低水灰比,掺加硅粉,掺加早强剂等,混凝土等级也越来越高。尽管水泥的早期强度也随之有了较大提高,但仍然比混凝土弹性模量的增长速率慢。此外

9、,从徐变的角度来说,混凝土的早期强度越高,徐变越小,这对于缓解混凝土内部的应力,提高混凝土的抗裂性能也是不利的。综上所述,预拌混凝土技术的发展使混凝土的一早期收缩越来越大,从而是混凝土早期开裂的趋势也随之增大;同时,混凝土早期强度的提高也使混凝土本身的抗裂性能下降。这两方面是导致混凝土早期开裂现象加剧的主要原因。预拌混凝土的抗裂性能研究钢筋对混凝土的收缩影响对于钢筋和混凝土的粘结问题以及钢筋对混凝土的抗拉极限和收缩的影响问题,果内外都有很广泛的研究。苏联学者B.K.B提出配筋对混凝土抗拉强度有影响,他通过研究得出配筋能使混凝土的抗拉强度提高四倍,他还得出配筋不仅提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸

10、值,而且亦提高了混凝土的弹性。KoHcHeP在由水中养护的配筋砂浆所做成梁的试验中的出裂缝出现瞬间的极限拉伸值为0.002(为无筋砂浆的10一20倍)I,l。Mepe、e和MeHa袱e在钢筋混凝土梁试验中的出配筋混凝土的极限拉伸值达到0.0005一0.00135,大大超过素混凝土的极限拉伸值。KJIeHJIore:根据实验认为,配筋并不能提高混凝土极限拉伸值。B.B.MHxaJloB在实验中又得出混凝土梁拉区边缘极限应变增大了20一25倍。而在国内也有不少学者和专家对钢筋能否提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值也有不同的观点。王铁梦在研究中认为,混凝土材料结构是非均质的,承受拉力作用时,截面中各质

11、点受力是不均匀的,有大量不规则的应力集中点,这些点由于应力首先达到抗拉强度极限,引起了局部塑性变形,如无钢筋,继续受力,便在应力集中处出现裂缝。如进行适当配筋,钢筋将约束混凝土的塑性变形,从而分担混凝土的内应力,推迟混凝土裂缝的出现,即提高了混凝土极限拉伸。赵国藩总结国内外很多研究机构的研究成果,认为配筋对混凝土构件拉伸实验的认识还有许多值得研究。蒋利学等进行的配筋混凝土拉伸全过程试验研究l,认为纵向配筋能有效地抑制混凝土初裂后裂缝开展,但箍筋的配制削弱了试件的受拉截面,对试件抗拉不利。他认为:(l)纵向配筋对配筋混凝土试件的开裂拉应变有一些影响,配筋率从0.5%增加到3.0%,开裂应变增加约

12、57%;(2)纵向配筋对试件的开裂强度没有显著影响;(3)极限拉应变定义不明确。袁勇等研究了配筋混凝土的初裂强度,极限拉应变,极限拉伸强度,拉伸弹性模量及材料韧性。他通过试验得出随着龄期的提高,试件在受拉状态下的开裂应变和荷载均有相应的提高。试件的开裂应力随着龄期的增长呈现增加趋势,同时开裂应变也有相应增加,但是随着龄期的增加这种开裂应力和应变增加趋势渐缓。显然,各个国家研究者提出的试验结论并不完全一致,很多问题还存在争议。因此,结构混凝土早期性能,如配筋能否增大混凝土的极限抗拉强度,能否增大混凝土的抗裂性能,配筋率与极限收缩量之间的关系,约束度与开裂宽度等的联系,养护时间和养护效果对于初裂时

13、间的影响等,都有待系统地研究,以便提出完善的结构设计和施工指南。混凝土掺合料、膨胀剂的抗裂膨胀剂在60年代中期首先在日本开发应用,我国膨胀剂的研制开发也已经有40多年的历史,并且自20世纪80年代中叶以来,相继有明矾石类膨胀剂(EAL)、复合膨胀剂(EA),U型膨胀剂(UE)、铝酸钙类膨胀剂(AEA)以及脂膜石灰膨胀剂(CEA)等多个品种的膨胀剂通过部级技术鉴定,也于这一时期形成产业化发展,目前我国的膨胀剂主要有硫铝酸钙类(如uEA,AEA,JP,PNC)、氧化钙一硫铝酸钙类(如CEA)和氧化钙类三大类,其中硫铝酸钙类膨胀剂的膨胀源为钙矾石,因其化学稳定性和耐水性优良而成为国内外应用最广的一类

14、,在我国,钙矾石类膨胀剂UEA是所有品种中使用最多的,占总量的80%,它是中国建筑材料科学研究院研制开发的,于1988年通过部级技术鉴定,是建设部重点推广项目。自投入使用以来,在地下室或屋面刚性防水,水池、储水罐防渗,自应力混凝土用于压力管接头,以及大体积混凝土补偿温度收缩,超长结构取消后浇带等诸多工程中都有取得过成功。吴中伟院士通过一系列的膨胀剂在混凝土中的试验研究,总结得出了补偿收缩理论。国外对聚丙烯纤维混凝土的研究,开始于二十世纪六十年代中期,Goldfein研究用合成纤维做水泥砂浆增强材料的可能性,发现尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。1975年,在国际材料和结构试验

15、室联合会论文集纤维增强水泥与混凝土上,对有关聚丙烯纤维混凝土的各项性能、计算方法、施工技术等均有比较全面的论述。国内对聚丙烯纤维的研究也比较多,国家电力公司成都勘测设计研究院的李光伟所做的聚丙烯纤维混凝土收缩变形试验结果表明,掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显地减少混凝土的收缩变形。中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制,归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点,明确指出低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作用。另外浙江大学、武汉理工大学、西安建筑科技大学、大连理工大学等高校对聚丙烯纤维混凝土也有不同角度的研究。通过国内外学者的研究我们发现,关于膨胀剂、聚丙烯

16、纤维和减缩剂等研究还有待完善,诸如膨胀剂的膨胀与收缩是否同步的问题,以及它们复掺的时候对混凝土的抗裂性能有什么影响都有待研究。大体积混凝土温度应力的控制大体积混凝土结构温度场和温度应力场问题的研究是从二十世纪三十年代中期美国修建鲍尔德坝开始的,为了建造当时世界上最高的胡佛混凝土重力拱坝(221m),美国垦务局事先进行了大规模的研究工作,就水管冷却、宽槽低温空气冷却及装配式预制块等方式进行了细致的比较研究,最后选定了分缝分块浇筑和水管冷却的温控防裂方式。1961年日本京都大学森忠次研究了假定地基刚性的基础上得出了各种温度分布时的温度应力计算方法。1965年又研究了地基为非刚性条件下各种温度分布时

17、的温度应力计算方法,考虑了内力与墙体尺寸之间的关系,得出内力与墙体的绝对尺寸无关,而与墙体长高比有关的结论I21。美国垦务局在研究Isl本问题时,采用了有效弹性模量代替实际墙体弹性模量的方法,综合考虑了墙体和地基的相对刚度的影响,得出了混凝土有效弹性模量与墙体和地基弹性模量的计算公式。1994年,Michaelstaffzur0l对基础底板上的墙体与底板交界处因混凝土水化热而产生裂缝进行了分析,并给出了理论的计算方法,探讨了如何防止裂缝,提出了对底板进行预冷却,同时对墙体预加热的技术措施,并通过实际工程实测与理论计算结果进行了对比分析。K.vanBreugel(1998)提出了混凝土硬化期间温

18、度变化的预侧方法。文章认为混凝土的温度变化随水化度(degreeofhydration)变化,通过试验分析了不同混凝土材料、水灰比、水化温度对水化度的影响,提出了控制混凝土温度变化的措施。M.Marigold(1998)设计了一套试验方法,可以直接测量混凝土的约束应力与开裂趋势等,并且分析了不同试验设备对温度应力测试结果的影响I川。我国虽然对于大体积混凝土温控防裂的研究起步较晚,但也在温度场、温度应力分析和理论研究方面不断地进行了研究,特别是中国水利水电科学研究院、清华大学、天津大学、河海大学、西安理工大学、武汉理工大学以及武汉水电科学研究院都进行了大体积混凝土温度应力的攻关分析,取得了一些重

19、要成果,并广泛应用于工程实践当中。王铁梦教授从1955年开始研究温度伸缩缝与裂缝控制问题,至今己50多年,他运用综合研究方法,结合设计、施工、材料、地基、环境等条件,提出“抗”与“放”的设计原则,针对各类典型结构提出了一些温度应力与温度裂缝实用简化计算方法,并己被相当一部分工程技术人员所接受,在工程中得到广泛应用。朱伯芳等人早在七十年代初就进行了水工混凝土结构的温度应力和裂缝控制的研究。通过研究水工混凝土结构的温度、温度应力的变化规律,得出了运用有限元法进行温度应力计算,并提出了控制温度防止裂缝的技术措施。如:混凝土分块浇筑,混凝土水管冷却,混凝土浇筑前的预冷等。李磊对钢筋混凝土结构施工中裂缝

20、的形状、位置、数量、出现时间及发展变化特征进行了统计,并对裂缝的产生原因进行了分类分析,改进了应力计算模型,推导了地下墙板和四周有约束的楼板混凝土温度应力的解析解答,结合施工过程中其它因素,找出了施工中裂缝的主要原因。文献15中介绍了几种防止裂缝的方法。文中通过对几个试验的描述,介绍了温度对弹性模量的影响,开裂框架的温度和拉力受时间的影响,由温度引起的拉力等。文献16中作者在上世纪九十年代初对于混凝土的早期情况,利用裂缝温度的关系估计了混凝土开裂的趋势,并得出了经验公式。通过目前国内外对混凝土裂缝的研究现状,我们知道,国内外专家和学者通过数十年的研究取得了丰硕的成果,很多经验和成果都运用于混凝

21、土的施工建设中。但是通过总结他们的研究我们也发现还存在着一些问题。比如:钢筋对混凝土收缩开裂的研究不够系统,他们只是定性的分析钢筋对混凝土收缩以及它的抗拉极限的影响,没有定量的研究钢筋对混凝土收缩开裂的影响规律;在混凝土中掺外加剂和掺合料的研究中,没有找到一种比较优化的配比方案,没有考虑坍落度对其裂缝的影响;对大体积混凝土掺入减水剂后的水化放热规律影响的研究较多,但大多集中在定性分析上。没有考虑减水剂与膨胀剂及粉煤灰的复掺,以及它们复掺后水化热对大体积混凝土温度应力的计算的影响等等。钢筋对预拌混凝土抗裂性能影响钢筋和混凝土的粘结理论钢筋和混凝土就是通过它们之间的粘结力约束双方,使其产生更好的工

22、作效果。由于它们之间存在粘结力,当混凝土要收缩的时候,钢筋的肋的凸缘挤压周围混凝土,大大提高了机械咬合力,改变了粘结受力机理,有利于钢筋在混凝土中的粘结锚固性能。钢筋通过和混凝土之间的粘结力为混凝土的收缩提供约束,阻碍其收缩,产生收缩应力。当混凝土因为收缩或受拉而产生裂缝的时候,钢筋通过与混凝土的粘结力,使裂缝间的混凝土还能提供一定的拉应力,把裂缝破坏程度减小到最小,控制裂缝继续发展。钢筋与混凝土的粘结力钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力,由三个部分组成:(l)混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力,其抗简极限值(t粘)取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。当钢筋受力后有较大

23、变形,发生局部滑移后,粘着力就丧失了。(2)周围混凝土对钢筋的摩阻力,当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。它取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力,以及二者间的摩擦系数等。(3)钢筋表面粗糙不平,或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用,即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。对螺纹钢筋来说这种机械咬合力是最主要的因素。变形钢筋改变了钢筋和混凝上间的相互作用方式,极大改善了粘结作用。但同时存在胶着力和摩擦力,而且钢筋肋对其周围混凝上的挤压力参与土作共同构成滑动阻力。肋的斜向挤压力产生楔的作用,挤压力的分力使钢筋周围的混凝上环向受拉。剪应力及纵向拉应力使横肋间混凝上产生内部斜裂缝,环向

24、拉应力使钢筋附一近的混凝上产生径向裂缝。裂缝出现后,随着荷载的增大,肋条前方的混凝上逐渐被压碎,钢筋连同被压碎的混凝上山试件中拔出,这种破坏成为剪切粘结破坏。如果钢筋外围混凝上很薄,且没有设置环向箍筋,径向裂缝将达到构件表而,形成沿钢筋的纵向劈裂裂缝,造成混凝上层的劈裂破坏,这种破坏成为劈裂粘结破坏。劈裂的粘结破坏强度要低于剪切粘结破坏强度。粘结力的影响因素影响钢筋与混凝上粘结性能的因素主要有:混凝上的强度和组成、钢筋位置受力方向及浇注位置、钢筋直径及表而形状、钢筋周围约束条件。1.混凝上的强度和组成(l)早期的普通混凝上的粘结试验,以及近年来有关高强混凝上的粘结试验结果表明,随混凝土标号R的

25、提高粘结强度t增大。清华大学藤智明对不同标号混凝上进行了相关的粘结试验其结果表明,变形钢筋的粘结强度t与R近乎成正比例关系。并在不同标号混凝上取出的试件t一s曲线对比,(s一钢筋混凝土的相对滑移),随R的提高粘结刚度增大,亦即给定滑动量下的平均粘结应力均随R提高而增大。(2)原苏联进行不同配比混凝上的粘结试验表明:水泥用量及含砂率对粘结性能有较大影响而这种影响在低标号混凝土情况下反映并不明显。试验给出以下结果:过多的水泥用量将导致粘结强度的恶化,在同样的水灰比的情况下,尽管混凝土的抗压强度变化不大,而粘结强度确在很大的范围内变动,这说明骨料成分对粘结强度有明显的影响。这种影响可用骨料中的含砂率及混凝土中水泥砂浆含量两个特征值来反映。2.浇筑位置水平浇筑钢筋时,直接