混凝基础结构技术 7

第二章施工阶段混凝土的早期性能与调控措施《混凝土结构全寿命维护与减碳技术》2.1混凝土的早期性能2.2混凝土早期性能的影响因素2.3混凝土早期性能的调控措施《混凝土结构全寿命维护与减碳技术》目录本章要点

主要内容：本章主要介绍混凝土结构在施工阶段的性能影响因素，涵盖了混凝土的强度形成机理(水化反应及其影响因素、养护制度及其作用)、混凝土开裂的原因、裂缝种类及其调控措施等相关内容。

学习目标：理解混凝土早期性能的基本含义；掌握水泥水化过程的基本化学反应、水泥水化的热效应及其影响因素、温度应力对大体积混凝土的影响；明确混凝土早期性能的调控措施，掌握大体积混凝土裂缝的种类、开展机理与调控措施。2.1混凝土的早期性能2.1.1早期阶段的定义普通混凝土早期阶段常指开始的24-48h。针对不同原材料、配合比、施工方式和环境条件的混凝土，其早期阶段定义很难明确统一，工程中应结合具体施工目标与养护环境条件进行界定。混凝土早期阶段的主要工序搅拌运输浇筑振捣养护2.1混凝土的早期性能2.1.2水化过程混凝土是以胶凝胶结骨料形成的复合材料，以传统的水泥混凝土为例，其强度的发展主要经历逐渐失去塑性和逐步形成强度两个过程。水化过程决定了水泥石结构的形成。水泥水化过程及微观结构演变示意图遇水水化反应生成水化产物孔隙减少硬化成型C-S-H凝胶C-S-H凝胶CH晶体2.1混凝土的早期性能2.1.2水化过程硅酸三钙（3CaO·SiO2，简称C3S）；硅酸二钙（2CaO·SiO2，简称C2S）；铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简称C3A）；铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe₂O3，简称C4AF）。四种主要成分的具体水化特性见下表。矿物含量水化反应速率早期强度后期强度凝结时间水化热耐化学侵蚀性干缩C3S50%较快高高正常中中中C2S20%较慢低高缓慢小良小C3A7~15%迅速高低很快大差大C4AF10~18%<C3A--正常小优小硅酸盐水泥的主要成分2.1混凝土的早期性能2.1.2水化过程水泥矿物主要涉及的具体水化反应方程式如下所示：C₃S水化2.水化反应C₂S水化C3A水化C3A生成钙矾石C4AF水化2.1混凝土的早期性能2.1.2水化过程普通硅酸盐水泥的水化特征阶段一般分为初始反应期、潜伏期、凝结期和硬化期4个阶段。凝结硬化过程放热反应速度持续时间物理化学变化初始反应期168J/(g•h)5~10min初始溶解和水化潜伏期4.2J/(g•h)1h凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长凝结期在6h内逐渐增加到21J/(g•h)6h膜层破裂，水泥颗粒进一步水化硬化期在24h内逐渐降低到4.2J/(g•h)6h至若干年凝胶体填充毛细孔3.水化反应的特征阶段2.1混凝土的早期性能2.1.3水化过程中的温度效应（1）水泥的放热阶段主要分为初始放热阶段与第二放热阶段。（2）水化热计算水泥水化热可根据熟料矿物组成计算：式中

H——规定龄期内的水化热；A、B、C、D——C3S、C2S、C3A、C4AF的含量；a、b、c、d——相应熟料矿物的贡献系数。1.水泥的水化热硅酸盐水泥浆体在凝结和早期硬化阶段的放热速率2.1混凝土的早期性能2.1.3水化过程中的温度效应大体积混凝土内部散热缓慢，温度经历升温→降温→稳定过程。大体积混凝土的内部温度与弹性模量的变化过程2.大体积混凝土温度变化的特点2.1混凝土的早期性能2.1.3水化过程中的温度效应大体积混凝土温度应力主要包括：自生应力：内部温度分布不均产生；约束应力：结构变形受到外部限制产生。混凝土温度应力主要由温度变化、弹性模量及徐变共同决定：式中K(t,τi)——应力松弛系数；α——线膨胀系数。3.温度应力2.1混凝土的早期性能2.1.3水化过程中的温度效应4.温度应力的特点早期阶段：弹性模量较小，温度应力增长较慢；降温阶段：弹性模量增加，单位温差引起的应力增大，易产生拉应力；长期阶段：徐变逐渐释放部分应力，但仍可能存在较大残余拉应力。混凝土杆温度应力时变曲线2.1混凝土的早期性能2.1.4体积稳定性材料在外界荷载作用及周围环境条件下会不可避免地发生变形。

温度和湿度是影响混凝土变形的重要因素。混凝土体积变形机理示意图温度升高温度降低湿度变化材料因素约束条件自收缩塑性收缩干燥收缩沉降收缩2.1混凝土的早期性能2.1.5水泥水化和混凝土强度发展混凝土强度-龄期发展曲线在7d之前可以近似认为是线性的，一般到28d后可达到设计强度。低荷载、持续荷载有利于C-S-H凝胶发生蠕变等行为，使结构更密实。混凝土的强度发展进程2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数1.水泥种类与矿物掺合料普通硅酸盐水泥含掺合料水泥粉煤灰矿渣粉硅灰石灰石粉2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数2.骨料特性骨料粒径、形状、表面结构、级配和矿物成分会影响混凝土整体强度。粗骨料细骨料砂料2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数3.水灰比和水胶比不同水灰比制备的混凝土具有形态相似的强度发展曲线。在相同龄期下，混凝土抗压强度随水灰比增大而逐渐降低。控制水灰比是调控混凝土宏观强度与微观孔隙结构的重要途径。水灰比与抗压强度的关系2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数当混凝土强度在C60以下时，混凝土水胶比（水与胶凝材料的比例）可按以下公式计算：

在给定的养护龄期下，混凝土强度与水灰比或者水胶比呈负相关关系。2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数4.引气量当水灰比固定时，将空气引入混凝土中：（1）对于高水泥用量混凝土，会直接增加有害孔的数量，对强度产生不利影响；（2）对于低水泥用量混凝土，改善低水泥用量混凝土的孔结构特性，提高强度性能。空气引入量对混凝土抗压强度的影响2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数5.界面过渡区界面过渡区作为混凝土中的薄弱环节，对混凝土的整体性能有着显著影响。界面过渡区（SEM）界面过渡区的水化情况2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.1材料成分与配合比参数相比于普通混凝土，高强混凝土由于水胶比降低和矿物掺合料的火山灰效应，其微结构性能得到提升：微孔隙尺寸缩小界面过渡区厚度减少宏观上，高强混凝土力学性能和耐久性更优。普通混凝土界面过渡区高强混凝土界面过渡区

2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.2施工工艺模板工艺直接影响混凝土结构的成型尺寸、外观质量、施工安全和工程成本；钢筋工艺主要包括钢筋加工、配料与代换、钢筋连接及预应力张拉；搅拌工艺影响混凝土拌合物的均匀性、强度、耐久性和施工性能；密实成型工艺是排除气泡、提高密实度的过程。模板工艺钢筋工艺搅拌工艺密实成型工艺2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.3环境条件养护湿度与养护温度普通硅酸盐水泥混凝土通常应至少湿养护7d。持续湿养护可维持水泥水化并促进强度增长。养护温度越高，早期强度发展越快。养护湿度对混凝土强度的影响

养护温度对混凝土强度的影响2.2混凝土早期性能的影响因素2.2.3环境条件对于湿养护混凝土，温度对强度发展的影响取决于浇筑和养护全过程的时间-温度历程。21℃浇筑，在图示温度养护2h后，进行标准养护直至28d21℃浇筑，标养6h后，在图示温度养护直至28d2.3混凝土早期性能的调控措施2.3.1材料比选和配合比优化设计（1）低热材料：低热水泥+矿物掺合料→降低水化热与温升（2）配合比优化：控制水泥用量，提高骨料比例→减少收缩裂缝（3）外加剂调控：减水、缓凝、膨胀等措施→改善抗裂性能（4）内部养护：SAP补偿水分损失→降低自收缩减水剂缓凝剂膨胀剂2.3混凝土早期性能的调控措施2.3.2早期裂缝形成的驱动因素1.裂缝分类与形成位置钢筋混凝土具有明显的非均质性，当局部应力超过混凝土抗拉强度，或应变超过容许值时，结构便会发生开裂。按裂缝宽度可分为微观裂缝（≤0.05mm）和宏观裂缝（＞0.05mm）。微观裂缝（SEM）宏观裂缝2.3混凝土早期性能的调控措施2.3.2早期裂缝形成的驱动因素2.大体积混凝土裂缝的诱因大体积混凝土会同时承受外部结构荷载和内部体积变化荷载。混凝土裂缝形成机理2.3混凝土早期性能的调控措施2.3.2早期裂缝形成的驱动因素大体积混凝土在硬化前后均可能因体积变化而开裂，这些作用本质上都会造成混凝土体积变化或内部变形不协调。引起混凝土结构裂缝的常见原因2.3混凝土早期性能的调控措施2.3.3混凝土裂缝的控制措施合理配置小直径、密间距钢筋；施工阶段从原材料降温、运输降温和分层分段浇筑等方面控制入模温度；养护阶段应协调保湿与保温。覆膜养护现场2.3混凝土早期性能的调控措施2.3.4大体积混凝土的温控措施分层方式包括全面分层浇筑、分段分层浇筑和斜面分层浇筑，应根据结构尺寸与施工条件合理选择。层间间隔应尽量缩短