4.3.3变形.ppt

1、三、混凝土的变形性能,混凝土受温度、湿度变化、化学反应或外力作用，所产生的形状、尺寸和体积的变化，称为变形。 这些变形是导致混凝土产生裂缝的主要原因之一，从而进一步影响混凝土的强度和耐久性。,混凝土构件总是要受到一定的约束，约束通常来自它与地基的摩擦、端部的其他构件、配筋，以及混凝土体内外变形的差异。 当混凝土材料的应变（收缩）完全受到约束时，将产生弹性拉应力=E。当应力超过混凝土的抗拉强度(1.27-3.11MPa设计规范)时，构件就有可能开裂。 (或收缩值大于极限拉伸王铁梦p29 1-1.610-4时，即开裂、王铁梦p59 2.5-310-4）橡皮绳 但是混凝土的粘弹性（徐变）可减小混凝土

2、构件的开裂风险。,变形与开裂,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,三、混凝土的变形性能,混凝土变形: 非荷载作用变形化学收缩、自收缩、沉降收缩、塑性收缩、干燥收缩和温度变形产生收缩与膨胀变形 荷载作用下的变形 短期荷载弹、塑性变形， 长期荷载徐变（应力松弛） ,1.非荷载作用下的变形 （1）化学收缩（chemical shrinkage） 水泥水化后，水化产物的绝对体积小于水化前水泥与水的绝对体积，从而使混凝土产生的收缩。（约为两者体积之和的7-8多为内在的体积变化、不会显著影响构件外观尺寸）,图5.28

3、沉降、泌水、化学收缩和自收缩之间的体积关系（未按比例绘制）,1.非荷载作用下的变形 （1）化学收缩（chemical shrinkage） 收缩量随龄期的延长而增长，大致与时间的对数成正比。一般在混凝土成型后40多天内化学收缩增长较快，以后渐趋稳定。 化学收缩是不能恢复的，可使混凝土内部产生微细裂缝。,（2）沉降收缩(settlement shrinkage）指混凝土凝结前在垂直方向上的收缩，由骨料下沉、泌水、气泡上升到表面和化学收缩而引起,图5.28 沉降、泌水、化学收缩和自收缩之间的体积关系（未按比例绘制）,（2）沉降收缩 沉降过大，通常是由混凝土拌合物不密实而引起，引气、足够细骨料、低用

4、水量（低坍落度）可以减少沉降收缩。,变截面处因沉降引起开裂的示意图（大流动性混凝土沉缩变形约为20010-4 ，混凝土极限拉伸1-1.610-4） 。,沉降裂缝沉降不均和过大会使同时浇注的不同尺寸构件在交界处产生裂缝，在钢筋上方的混凝土保护层产生顺筋开裂,钢筋,沉降裂缝,水囊,混凝土表面,1.非荷载作用下的变形,图5.28 沉降、泌水、化学收缩和自收缩之间的体积关系（未按比例绘制）,（3）自收缩（autogenous shrinkage）指混凝土在没有和外界发生水分交换的情况下，水泥水化消耗毛细孔水导致浆体自身的干燥和体积的均匀减少。,（3）自收缩（autogenous shrinkage）

5、混凝土的自收缩与水灰比、水泥细度、胶凝材料的活性、混凝土表面积与体积之比等有关。,（3）自收缩（autogenous shrinkage） 水灰比越小，混凝土自收缩越大。 水灰比0.5的混凝土（相当于C30级）自收缩可以忽略；而水灰比低于0.42时自收缩极其显著，则不可忽略。 高强、低水灰比混凝土的自收缩可达到（200-400）10-6，水灰比为0.3的混凝土自收缩可达到干燥收缩的一半。（极限拉伸1-1.610-4） 为减少混凝土的自收缩，混凝土浇注后应尽可能快的对混凝土进行湿养护,（4）塑性收缩（plastic shrinkage） 混凝土成型后尚未凝结硬化时属塑性阶段（4-15小时），在此

6、阶段由于表面失水而产生的收缩，称为塑性收缩。 混凝土在新拌状态下，如养护不足，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，则会造成毛细管中产生负压，使浆体产生收缩，导致开裂。,有研究表明：首条裂缝通常出现在泌水膜消失后0.5-2个小时左右。,混凝土表面,泌水速率 蒸发速率,开裂,混凝土表面,骨料对塑性收缩的影响（10-4）,极限拉伸1-1.610-4,（4）塑性收缩（plastic shrinkage） 塑性收缩开裂多见于道路、地坪、楼板等大面积工程，以夏季施工最为普遍。,塑性收缩裂缝可能具有相当的长度（1-2m）和深度，甚至贯穿板的截面，宽度介于0.1-3.0 mm，很难自行愈

7、合。 即使是表面的细小裂缝，也有可能成为今后裂缝发展的根源，因此，对此类裂缝可能造成的危害应该引起足够的重视。,塑性收缩裂缝,某工程楼面板塑性裂缝,检测报告明确无结构安全问题，只需灌缝修复。 管理和建设单位加固总是好的。,加固公司即原检测单位利益驱动碳纤维结构加固灌缝，直接损失100多万，简接损失300万。,施工单位同样的施工、同样的人员。混凝土的问题 “现场泵送时，水是加过的”,某工程楼面板24h内产生的裂缝，宽1.2mm,某楼面板收缩裂缝的芯样,建设主管部门和质监站根据专家组分析和建议，给出明确的意见，使问题得以合理解决，减少了损失。,影响蒸发速率的因素：（可查表确定蒸发速率）,1）高气温

8、； 2）混凝土体温； 3）低相对湿度； 4）高风速； 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)。,影响塑性开裂的内部因素：水灰比、细掺料、浆集比等。,最大允许水分蒸发速率,ACI 305建议：对泌水速率介于0.51.5kg/m2/h的普通混凝土，最大允许蒸发速率为1.0kg/m2/h。 但对现代普通混凝土、特别是高强高性能混凝土，W/B小，同时掺有高细度的硅灰、粉煤灰、矿粉等，泌水量小，在较小水分蒸发速率的环境下，比如0.20.7kg/m2/h，塑性收缩裂缝依然有可能出现。美国混凝土学会,环境因素,因此，HSPC和泵送混凝土对

9、环境因素的敏感性提高了。对于普通混凝土适宜的环境条件，对于HSPC和泵送混凝土来说可能就是恶劣环境。,预防塑性收缩开裂的方法：降低混凝土表面的失水速率。 如挡风、遮阳、喷雾、降低混凝土温度、延缓混凝土凝结速率（凝结快-水化快、水化热大、失水快、泌水无法及时补充)、二次抹压和振捣等措施。 最有效的方法是加强养护，如在表面覆盖塑料薄膜（观察是否有冷凝水珠）、湿麻布、喷洒养护剂等,养护的重要性,养护对防治塑性收缩裂缝起着关键作用。 判断养护是否良好的标准： 首先，必须有效控制混凝土表面水分蒸发速率； 其次，必须在浇筑后立即覆盖并加湿养护。,表面潮湿不是无需养护的理由，我们等不到表面发白。(工程中通过

10、试验验证塑料薄膜、抹面的重要性和进行技术管理）,（5）干燥收缩（drying shrinkage简称干缩）混凝土处于干燥环境中，会引起体积收缩，称为干燥收缩。 原因：干燥过程中，毛细孔水分蒸发，使毛细孔中形成负压，产生收缩力，导致混凝土收缩；当毛细孔中的水蒸发完后，凝胶体颗粒间吸附水也发生部分蒸发，缩小凝胶体颗粒间距离，甚至产生新的化学结合而收缩。,（5）干燥收缩(混凝土极限拉伸1-1.610-4) 干缩的混凝土再次吸水时，干缩变形可部分恢复，也有一部分（约30-60）不能恢复。,混凝土表面的干燥收缩裂缝,干燥收缩与以下因素有关： 1）水泥品种及细度 2）用水量与水泥用量 3）骨料的质量与数量

11、 4）养护条件,干燥收缩与以下因素有关： 1）水泥品种及细度 火山灰水泥、矿渣水泥干缩大 2）用水量与水泥用量 一般用水量平均每增加1%，干缩率约增大2%-3%。,干燥收缩与以下因素有关： 3）骨料的质量与数量 水泥浆的收缩值高达285105mm/mm， 砼、砂浆、水泥石收缩之比约为1：2：5 骨料弹性模量越高，混凝土的收缩越小。 轻骨料混凝土的收缩大。 含泥量、吸水率大的骨料，干缩较大。,4）养护条件延长潮湿养护时间，可推迟干缩发展，但对最终干缩值影响不大。 蒸养可减少干缩，蒸压养护效果更显著。,干缩变形试件：100mm100mm515mm， 干缩变形用干缩率表示，一般条件下混凝土的极限收缩

12、值约为（50-90）105mm/mm。混凝土极限拉伸1-1.610-4 由于实际构件远比试件尺寸大，且构件内部干燥过程较为缓慢，故实际构件的干缩率远较试验值小。 在一般工程设计中，混凝土干缩值通常取（15-20）105mm/mm，即每米混凝土收缩0.15mm-0.2mm(例家地板十年开裂、极限收缩20年）。,（6）碳化收缩（carbonation shrinkage）,碳化：水泥石中的Ca（OH）2与CO2发生反应，生成碳酸钙和水，称为混凝土的碳化。 碳化伴随有体积的收缩，称为碳化收缩。 收缩原因：碳化过程中水分损失所致。 碳化发生在混凝土表面处，与干燥收缩叠加后，可能引起严重的收缩裂缝。 C

13、O2 浓度较高环境的混凝土工程，如汽车库、停车场、公路路面以及大会堂等，对碳化收缩变形应引起重视。,混凝土热胀冷缩的变形称为温度变形. 混凝土温度变形系数约为1105，即温度升高1，每米膨胀0.01mm。 温度变形对大体积混凝土（mass concrete）及大面积混凝土工程极为不利。 由于混凝土表面散热快、温度较低，内部散热慢、温度较高，内外温差有时可达40-50，从而造成表面和内部热变形不一致，使混凝土表面产生较大拉应力，严重时使混凝土产生裂缝。,（7）温度变形(temperature deformation),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

14、增加而上升,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）,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,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拉应力很容易超过抗拉强度。例如： 混凝土的热膨胀系数为10106 / 由于水化热产生的温升为15 则混凝土冷却时的热收缩为150106 而其弹性模量设为30GPa 如果被完全约束，冷却时的拉应力达4.5MPa 超过一般混凝土的抗拉强度(1.27-4.1MPa) 因此，如果不是由于应力松弛，很可能要开裂,影响温度（热）应力的因素,温度变化（T） 温度变化就是混凝土的温峰与结构

15、运行期温度的差异。 T新拌混凝土的浇注温度绝热温升环境温度由于散热产生的温降 应严格控制混凝土内部最高温度与表面温度温差25 ，表面与环境（养护水）温差15（ 20） 。,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，同时发现干燥收缩在这些结构里并不重要了。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。,Thermal Shrinkage and Cracking 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

16、凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内就出现了间隔13米的贯穿性裂缝。 P. K. Mehta.,Thermal Shrinkage and Cracking热收缩与开裂,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”。,大体积混凝土,本条为强制条款2008、10月太原工地C40基础，适应性不好、凝结快、堵车，前面已凝固，冷缝，后期观测,客运专线高性能混凝土暂行技术条件规定： 混凝土入模温度宜控制在5-30； 新浇筑混凝土与邻接的已硬化的混凝土或岩土介质间浇筑时的温差不得大于15。 混凝土养护期间，内部最高温度不宜超过65，混凝土

17、的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过20（截面较为复杂时，不宜超过15），养护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于15。,通常工程中应尽量减少混凝土的发热量，如采用低热水泥、减少水泥用量、掺入掺合料、缓凝剂、加大粗骨料粒径、采取人工降温等措施预冷拌合物原材料（通冷气-三峡）、冰水（深井水）、管道冷却、限制浇注层高等措施。 对纵长的混凝土结构和大面积混凝土工程，常采取每隔一段距离设置伸缩缝，以及在结构中设置温度钢筋等措施。,掺粉煤灰有利于降低温峰值和推迟温峰出现时间,水化温升下降粉煤灰掺量1050%时，3天水化温升降低13.9%52.1% 水化热显著减小粉煤灰掺量1050%时，3天水化热降

18、低5.9%35.1% 水化温升减慢、温峰出现时间推迟0.53.2h,掺粉煤灰有利于降低温峰值和推迟温峰出现时间,粉煤灰显著降低温峰、推迟温峰出现时间,英国Bamforth的试验（在一厚2.5m结构的中点测温）,70%硅酸盐水泥 +30%粉煤灰,100%硅酸盐水泥,25%硅酸盐水泥 +75%磨细矿渣,2.荷载作用下的变形,（1）在短期荷载作用下的变形 混凝土在受力时，同时产生弹性变形和塑性变形，其应力与应变之间的关系为曲线，如图。,在应力应变曲线（stress-strain curve）上任一点的应力与其应变的比值，叫做混凝土在该应力下的变形模量。 它反映混凝土所受应力与所产生应变之间的关系。 在计算钢筋混凝土