混凝土裂縫的預(yù)防與控制參考PPT

1、混凝土裂縫的預(yù)防與控制,閻培渝 清華大學(xué)土木系建材研究所 Tel混凝土材料的抗?jié)B性能與混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂能力,兩者需要分別考慮，不能混為一談。 一個是材料性能，在實驗室內(nèi)用試件評價。 一個是結(jié)構(gòu)表現(xiàn)，體現(xiàn)在完工后的結(jié)構(gòu)上，由結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和施工共同決定,混凝土結(jié)構(gòu)的開裂問題,普遍使用早強高強的商品混凝土所導(dǎo)致。 世界性的問題 1996年Krauss和Rogalla調(diào)查了美國和加拿大的20萬座橋梁，發(fā)現(xiàn)其中10萬座以上的橋梁的混凝土橋面板在修建后不久就產(chǎn)生貫穿裂縫，裂縫間距僅有13米,我國的現(xiàn)澆混凝土樓板和地下室連續(xù)墻開裂現(xiàn)象十分嚴(yán)重,現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的開裂主要不是由于荷載

2、的作用，而是變形所致。 溫度變形、收縮變形和基礎(chǔ)不均勻沉降等，都可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。 根據(jù)王鐵夢的估計，變形作用引起的裂縫幾乎占全部裂縫的80%以上,材料的耐久性,結(jié)構(gòu)的耐久性,裂縫,混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫常常是控制其使用壽命的主要因素,混凝土結(jié)構(gòu)裂縫種類,塑性裂縫 溫度裂縫 收縮裂縫 干燥收縮 自干燥收縮,塑性裂縫,混凝土表面,泌水速率 蒸發(fā)速率,開裂,當(dāng)表面失水速率超過實際泌水速率時，新拌混凝土迅速干燥。如果近表面的混凝土已經(jīng)稠硬，不能流動，但其強度又不足以抵抗因收縮受到限制所引起的應(yīng)力時，就產(chǎn)生開裂。 塑性裂縫常引發(fā)硬化混凝土的開裂。 可通過及時抹面消除,塑性開裂形式,溫度變化導(dǎo)致的體積

3、收縮,混凝土硬化以后，隨內(nèi)部溫度降低而產(chǎn)生的宏觀體積收縮。 水泥的水化熱及環(huán)境溫度變化是引起溫度收縮的主要原因。 與水膠比、膠凝材料的組成與用量、混凝土拌和物入模溫度、環(huán)境溫度變化、內(nèi)部的相對濕度、結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān),溫度裂縫,混凝土硬化期間由于水化放熱使內(nèi)部溫度升高，到達(dá)溫峰后降溫時產(chǎn)生受約束的收縮變形，形成拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強度時，出現(xiàn)開裂,近幾十年來，基礎(chǔ)、橋梁、隧道襯砌以及其他構(gòu)件尺寸并不很大的結(jié)構(gòu)混凝土開裂的現(xiàn)象增多，此時干燥收縮并不顯著。 水化熱、溫度變化以及內(nèi)外溫差成為引起素混凝土與鋼筋混凝土約束應(yīng)力和開裂的主導(dǎo)原因。 高強混凝土具有較大的溫度收縮,C40大摻量粉煤灰混凝土

4、的絕熱溫升曲線,入模溫度為17.6 ，5d后到達(dá)溫峰，約為58.8，溫升為41.2,入模溫度為13.0 ，6d后到達(dá)溫峰，約為62.8，溫升為49.8,C30混凝土的絕熱溫升,4m厚混凝土底板的溫升曲線,C45R60 水泥用量220kg/m3 粉煤灰用量180kg/m3 水膠比0.42,混凝土內(nèi)部濕度變化導(dǎo)致的體積變化,干燥收縮： 混凝土在未飽和空氣中向外界散失水分而產(chǎn)生的收縮。 干縮與水灰比、環(huán)境溫濕度、膠凝材料組成、骨料品種與比例、養(yǎng)護(hù)條件、齡期等因素有關(guān),100g水泥漿體，可蒸發(fā)水分約6ml 混凝土C=300kg/m3 ，可蒸發(fā)水分約18l 水泥砂漿干縮值約0.10.2% 水泥混凝土18

5、0天自由干縮值約0.040.06,在與外界沒有水分交換的條件下，混凝土內(nèi)部自干燥作用引起的宏觀體積收縮。 混凝土的自收縮在初凝以后開始產(chǎn)生。 自收縮大小與水膠比、膠凝材料組成、減水劑品種與摻量、骨料品種與比例有關(guān),自收縮,化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的體積變化,水化過程中水化產(chǎn)物的絕對體積減少。硅酸鹽水泥的水化收縮約7%。如果混凝土C=300kg/m3，減縮值2127L/m3 初凝以前水化收縮表現(xiàn)為塑性收縮，初凝以后則導(dǎo)致自干燥收縮產(chǎn)生,自收縮機理,水化反應(yīng)進(jìn)行過程中，一部分拌合水由化學(xué)反應(yīng)消耗，一部分填充凝膠孔。當(dāng)水灰比較大時，凝膠孔基本上充滿水，自身收縮很小；水灰比較小時，凝膠孔內(nèi)部只有部分充滿水，形成彎

6、月面，外界的壓力使水泥漿體收縮,混凝土的水化收縮與自收縮,自收縮與干縮的異同點,相同點：均由于水的遷移所引起； 不同點： 1.自收縮不失重，干縮伴隨水分散失； 2.自收縮是各向同性的，干縮由表及里； 3.水灰比降低時，干縮減小，自收縮增大； 4.覆蓋后（或拆模前）不發(fā)生干縮，而自收縮必須通過濕養(yǎng)護(hù)才能減小,常規(guī)收縮試驗測定結(jié)果是干燥收縮與自收縮的疊加，主要是干燥收縮。 普通混凝土主要產(chǎn)生干燥收縮，自生收縮不超過50微應(yīng)變，占總測定值的10%左右。 干燥收縮是引起普通混凝土開裂的主要原因之一。 在高強混凝土中，自生收縮可達(dá)數(shù)百微應(yīng)變，占總收縮量的一半左右，不可忽視,自收縮與干縮的異同點,w/b=

7、0.26,w/b=0.34,混凝土的自收縮,自身收縮和干燥收縮占總收縮的比例 （,混凝土的變形類型與開裂,自由收縮，相向變形，不裂； 限制收縮，背向變形,開裂; 自由膨脹，背向變形，開裂； 限制膨脹，相向變形，不裂,混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因,變形作用引起的混凝土結(jié)構(gòu)開裂的原因很復(fù)雜，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料組成、施工技術(shù)、環(huán)境狀態(tài)等諸多因素。 混凝土材料本身的組成與性質(zhì)的變化，以及隨之而來的施工技術(shù)變化是現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂的重要原因,大體積混凝土底板不容易開裂 鋼筋約束強，可在表面加細(xì)鋼筋網(wǎng)片；養(yǎng)護(hù)容易。 連續(xù)墻容易開裂 橫向大多只有構(gòu)造鋼筋，養(yǎng)護(hù)困難，暴露面大,混凝土開裂的影響因素,材料因素

8、：膠凝材料的細(xì)度、水化速率、水化熱、強度發(fā)展速率。 配合比因素：水膠比、漿體含量、骨料彈性模量。 約束因素：體積、配筋率 環(huán)境因素：氣溫、風(fēng)速、濕度,混凝土的極限拉伸,混凝土結(jié)構(gòu)的開裂一般均由拉應(yīng)力引起。 對于變形導(dǎo)致的開裂，除考慮材料的抗拉強度外，材料的抗變形能力，即極限拉伸更重要。 混凝土的極限拉伸值約為110-4,混凝土裂縫間距計算,式中：E：混凝土的彈性模量 H：結(jié)構(gòu)物高（厚）度 Cx：地基水平阻力系數(shù) ：溫度變形系數(shù) p：極限應(yīng)變，應(yīng)考慮配筋和徐變的影響 T：溫度差，包括水化溫差、氣溫差、收縮當(dāng)量溫差,底板與墊層間的摩擦情況影響開裂間距。 通常T大于p，兩者差越大，開裂間距越小。當(dāng)T

9、趨近于p，開裂間距趨近于無窮大，可取消伸縮縫。 工程上常用總變形小于極限拉伸的原則控制裂縫,混凝土體積變形引起的拉應(yīng)力,水化熱降溫收縮 干燥引起的收縮 相當(dāng)于溫降 總收縮,二端固定約束拉應(yīng)力 當(dāng) ，或 ，混凝土開裂，如不配筋，斷為二段，約束全部消除 底面連續(xù)約束拉應(yīng)力 R 為約束度，且 R 1 當(dāng) ，裂縫首先在中間截面底部出現(xiàn)并向上發(fā)展，約束未全部消除,外部約束下構(gòu)件拉應(yīng)力,長墻應(yīng)力分布及開裂示意,混凝土連續(xù)墻有序開裂示意,a) 當(dāng) 、 及 確定后，構(gòu)件中的應(yīng)力大小及其分布僅與長高比 L/H 有關(guān)，而與構(gòu)件L或H的絕對尺寸大小無關(guān) b) 構(gòu)件所受的約束度隨地基剛度降低而減少 L/H=10 的構(gòu)

10、件 L/H較大的構(gòu)件，當(dāng)比值 不甚小時，中間截面拉應(yīng)力接近均布，但當(dāng)比值 甚小時，上部拉應(yīng)力低于下部愈多,將地基看作是半無限的連續(xù)介質(zhì),H=6m L/H=10 Ef/Ec=1 變形圖,H=6m L/H=2 Ef/Ec=1 第一主應(yīng)力,ACI方法 王鐵夢方法 將地基的作用簡化為水平彈簧 構(gòu)件中的拉應(yīng)力不僅取決于比值/H ，而且尚與或H的尺寸大小有關(guān),內(nèi)部約束下拉應(yīng)力是同一時刻構(gòu)件內(nèi)部存在溫差所引起。 外部約束下拉應(yīng)力是由于齡期發(fā)展的溫降所引起。 某一時刻體積收縮變形引起的拉應(yīng)力是這二部分的疊加,內(nèi)部約束下構(gòu)件拉應(yīng)力,防裂混凝土,混凝土的密實性和均勻性是結(jié)構(gòu)防裂與防水的首要保證，混凝土發(fā)生滲漏，往

11、往是施工原因造成的質(zhì)量不均勻和裂縫； 限制最大水泥用量 應(yīng)摻加膠凝材料總量2030%以上的粉煤灰 對粗骨料最大空隙率限值的要求 限制使用R型早強水泥,C30高抗?jié)B混凝土配合比 (kg/m3,砂率=0.4 W/B=0.38 28d強度超過50MPa，試驗室試配性能良好，實際澆筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較多貫穿裂縫，寬度0.1-0.3mm,膨脹劑防裂技術(shù)的應(yīng)用，必須具有專門的知識和技術(shù) 混凝土必須處于限制狀態(tài)。自由或過大的膨脹將導(dǎo)致混凝土強度的嚴(yán)重削弱甚至開裂。膨脹劑用量過大或過小都會對防裂效果和混凝土強度產(chǎn)生不利影響。 自由試件與強約束的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土性能表現(xiàn)差異較大,補償收縮混凝土,使早期混凝土處于受壓或低

12、受拉的應(yīng)力狀態(tài)，避免早期開裂。 延遲混凝土的收縮開始時間，此時混凝土的抗拉能力已有較大增長,早期限制膨脹的作用,一般認(rèn)為，應(yīng)用補償收縮混凝土?xí)r，應(yīng)導(dǎo)入0.30.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力,早期限制膨脹的作用,計算方法的適用性尚缺乏充分驗證，實際應(yīng)用時存在的問題： a）實際結(jié)構(gòu)的限制程度難以用標(biāo)準(zhǔn)小試件的配筋率模擬； b）尺寸的影響不清，實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件與標(biāo)準(zhǔn)條件下小試件的膨脹特性不同； c）溫度的影響不清，水化溫升加速膨脹劑水化，早期膨脹將消耗在無效的塑性和徐變變形中，削弱膨脹劑的效果。不同的膨脹劑對于溫度、養(yǎng)護(hù)條件、膠凝材料組成、減水劑的適應(yīng)性有所不同,高溫6070下膨脹效能下降 需有充分的水補給，早期

13、干燥缺水，反而加速開裂 摻入粉煤灰會減少其限制膨脹率 坍落度經(jīng)時損失會明顯增加 緩凝劑會降低限制膨脹率 膨脹劑拌合不勻，局部產(chǎn)生過量膨脹，也會引起開裂,補償收縮混凝土,補償收縮混凝土,1）施工單位應(yīng)具有應(yīng)用膨脹劑的經(jīng)驗，有嚴(yán)格的工法和操作條例 2）施工前必須對所用補償收縮混凝土的性能進(jìn)行專門的檢驗： 測定其自由膨脹率、限制膨脹率和限制收縮率和它們的落差，以及溫度變化對其性能的影響,混凝土施工的溫度控制與潮濕養(yǎng)護(hù),單純依靠現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工與驗收規(guī)范的要求進(jìn)行施工，不能保證大型工程能夠防止混凝土施工時的開裂,設(shè)計和施工單位應(yīng)結(jié)合混凝土配比、結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)境氣溫、模板和復(fù)蓋層熱學(xué)特性以及混凝土攪拌、

14、運輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)的具體條件，對構(gòu)件中的混凝土水化熱溫升、降溫過程以及內(nèi)部溫差進(jìn)行估計，在溫度計算的基礎(chǔ)上，對溫度應(yīng)力進(jìn)行估計，并結(jié)合經(jīng)驗提出具體溫度控制指標(biāo),溫度控制,溫度控制指標(biāo),a、澆筑溫度 澆筑溫度應(yīng)不高于25。熱天施工時如難于達(dá)到，也不宜高于32；并應(yīng)同時調(diào)整混凝土配合比，降低水泥用量以減小水化放熱量。 混凝土澆筑溫度愈高，水化反應(yīng)愈快，釋放熱量愈多，升溫愈高，進(jìn)一步加速水化反應(yīng)。 同樣配比混凝土當(dāng)入模溫度為10時，24小時后升到30；當(dāng)入模溫度為20時，20小時后升到55；即入模溫度相差10可使最大溫升差25,溫度控制指標(biāo),b、最高溫度 混凝土澆筑后的最高溫度一般不超過75。 c、最大溫差 混凝土內(nèi)部和表面的溫差一般不應(yīng)超過25。混凝土表面溫度與大氣溫度的差別也不應(yīng)超過25，混凝土表面與養(yǎng)護(hù)水的溫差不超過15。 d、降溫速度 混凝土內(nèi)部一般不超過33.5/d,養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)包括保持濕度和溫度，實施溫度監(jiān)測可為混凝土的復(fù)蓋保溫和拆模時機的選擇提供可靠的依據(jù)。 墻體的保濕措施： 1）模板外側(cè)復(fù)蓋保水掛簾 2）及早松開模板，并從模板與墻體的縫隙中注水 3）采用可保水和注水的特殊模板 拆模后的混凝土表面仍需保持潮濕，應(yīng)加復(fù)蓋，外界氣溫較低時也需復(fù)蓋 地下結(jié)構(gòu)外墻和頂板應(yīng)及早回填；長時間暴露的頂板表面，溫濕度變化大，最容易開裂，需臨時用土復(fù)蓋,水泥基滲透結(jié)晶型防水材料,在存