水泥混凝土開裂機理研究

水泥混凝土開裂機理研究1水泥混凝土開裂機理水泥混凝土的結(jié)合力主要是范德華力，所以其抗拉強度非常低，通常只有抗壓強度的7%-11%左右?；炷灵_裂最基本的力學(xué)原理就是其抗拉強度比較低，當(dāng)拉伸應(yīng)力大于抗拉強度時就會產(chǎn)生裂紋。但是混凝土實際開裂的過程是非常復(fù)雜的，根據(jù)拉應(yīng)力產(chǎn)生及發(fā)展情況的差異，水泥混凝土開裂機理通常可以分為：收縮、沉降、膨脹、有害反應(yīng)、靜載作用和疲勞等。1、收縮根據(jù)混凝土收縮的原因可以分為：化學(xué)減縮、干燥收縮、溫度收縮、塑性收縮、自體收縮和碳化收縮，當(dāng)這些收縮變形受到基層、骨料或外部約束時，就可能引發(fā)拉伸開裂?；炷潦湛s時間和收縮量化學(xué)減縮在水泥混凝土凝結(jié)硬化硬化過程中，水泥水化產(chǎn)物的絕對體積要小于原反應(yīng)物的體積，從而導(dǎo)致體積收縮。一般這種收縮對混凝土影響不大。干燥收縮水泥混凝土中水是以結(jié)合水、層間水、吸附水以及毛細水等狀態(tài)存在的，在水泥混凝土凝結(jié)硬化的過程中，毛細水的蒸發(fā)會導(dǎo)致毛細管壓力增加；干燥進一步加劇，吸附水的蒸發(fā)會使水泥凝膠顆粒的表面張力增加；同時層間水的流失還會使層狀結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物(C-S-H)體積進一步收縮，以上幾種情況導(dǎo)致水泥混凝土大量收縮。一般這種收縮對混凝土的影響最大?；炷恋母煽s曲線溫度收縮在混凝土凝結(jié)硬化的過程中，水泥水化產(chǎn)生的熱量使混凝土的溫度急劇升高，溫度通常在18小時以后達到峰值，隨著混凝土硬化逐漸完成其溫度又降到與環(huán)境溫度相同，在降溫過程中混凝土?xí)l(fā)生收縮，即溫度收縮?；炷羶?nèi)部溫升曲線塑性收縮第15頁當(dāng)混凝土表面水分的蒸發(fā)速率超過泌水率時，混凝土開始干燥，導(dǎo)致表面附近的毛細管壓力急劇增加。而此時混凝土尚未硬化，彈性模量很低，因此發(fā)生塑性收縮。塑性收縮一般是在混凝土澆筑完成后最初的幾個小時內(nèi)發(fā)生。水泥、砂漿、混凝土的塑性收縮自體收縮在水泥混凝土凝結(jié)硬化過程中，水泥水化反應(yīng)使內(nèi)部濕度降低，出現(xiàn)自干燥現(xiàn)象，導(dǎo)致毛細管壓力增加，從而使混凝土產(chǎn)生收縮。化學(xué)減縮和自體收縮曲線碳化收縮空氣中的二氧化碳在水分存在的條件下與水泥水化產(chǎn)物(C-S-H)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳化鈣、鋁膠、硅膠和游離水，從而使混凝土收縮。2、沉降新拌混凝土隨著時間不斷沉降，當(dāng)受到約束時就會發(fā)生沉降開裂。混凝土中較重的顆粒在重力作用下不斷下沉，直到凝固為止。塑性沉降使拉伸應(yīng)力不斷增大，并伴有毛細管壓力和自體影響，因此足以使塑性裂縫產(chǎn)生。研究表明，新拌混凝土的均勻沉降不會引起塑性開裂，而不均勻沉降則會引起開裂。保護層厚度、鋼筋尺寸和鋼筋間距是影響非均勻沉降大小的主要因素，鋼筋越粗、保護層厚度越薄就越容易產(chǎn)生較大的裂縫。此外，由于基層強度不足或浸水以及模板剛度不足或移動也會使混凝土發(fā)生沉降。3、膨脹內(nèi)部膨脹受到約束時應(yīng)力就會急劇增加，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土強度（或抗裂特性）時就會開裂，內(nèi)部膨脹主要是由化學(xué)腐蝕或孔隙水的凍結(jié)導(dǎo)致的。（1）凍脹當(dāng)水凍結(jié)并膨脹時，毛細孔的液體壓力和滲透壓力會增加。如果滲到有裂紋和空隙的地方凍結(jié)，會導(dǎo)致裂縫寬度增加。通常壓力的大小取決于凍結(jié)速率、飽和度、混凝土的滲透性以及水分逸出的最短流動路徑長度。（2）腐蝕在高PH值環(huán)境下，一般高于12.5時，加強鋼筋表面上形成一種三氧化二鐵鈍化保護層來抵抗腐蝕，碳化和或氯離子的侵入導(dǎo)致PH值降低并促進腐蝕發(fā)生。腐蝕對暴露在干濕循環(huán)環(huán)境下的混凝土害處最大，腐蝕產(chǎn)物具有膨脹屬性，并且使加強筋周圍產(chǎn)生有效拉應(yīng)力。一旦大量腐蝕發(fā)生，就會導(dǎo)致分解裂縫產(chǎn)生，并導(dǎo)致水泥大量缺失?？赡茉斐苫炷灵_裂的腐蝕產(chǎn)物厚度和覆蓋厚度成正比，對于覆蓋厚度為40毫米的混凝土，50微米厚的腐蝕產(chǎn)物就足以導(dǎo)致開裂，這些裂縫傳播到表面就會導(dǎo)致混凝土剝落或者水泥缺失。最近的研究表明，已經(jīng)存在的裂縫可以加速腐蝕的萌生和擴展，而持續(xù)的負荷進一步加速腐蝕。4、有害反應(yīng)（1）堿骨料反應(yīng)第16頁堿集料反應(yīng)（AAR）是指某集料和混凝土中或外來的堿質(zhì)（如除冰鹽、地下水、海水等）發(fā)生反應(yīng)。如果集料是硅酸質(zhì)的，AAR稱為堿-硅反應(yīng)（ASR）；如果集料是白云石質(zhì)碳酸鹽巖，AAR稱為堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）。當(dāng)集料中的可溶硅與可溶性堿反應(yīng)生成的堿-硅膠吸收水分時就會膨脹，硅膠的膨脹可能會導(dǎo)致混凝土開裂；另外，由于裂縫被明膠填充，阻止裂紋閉合，在溫度、收縮、凍融和荷載的影響，可能會造成更大的開裂。（2）硫酸鹽侵蝕硫酸鹽侵蝕主要是由兩種化學(xué)反應(yīng)造成的：硫酸鹽與石灰反應(yīng)生成石膏；硫酸鹽與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣磯石。最終反應(yīng)產(chǎn)物的體積比原成分的體積大的多，引起的內(nèi)部膨脹可能會導(dǎo)致混凝土開裂。據(jù)推測，硫酸鹽結(jié)晶產(chǎn)生應(yīng)力，也可能會導(dǎo)致破壞。某些硫酸鹽，如硫酸鎂，含有導(dǎo)致進一步膨脹的陽離子，從而加劇了硫酸鹽侵蝕的影響。在初始固化階段，由于高溫的原因，有時在成熟混凝土中會發(fā)生延遲膨脹DEF）,通常延遲膨脹會與其他惡化機制相結(jié)合。5、靜載作用混凝土加載后會立即產(chǎn)生一些微裂縫，這些裂縫可以忽略不計，因為應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系變化不大（接近線性）。當(dāng)荷載達到極限強度的40%-50%時，微裂縫不斷增多，材料的彈性模量逐漸降低,這時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系開始呈非線性。當(dāng)荷載接近峰值的90%-95%時，裂縫開始集中并連通，最終出現(xiàn)可見裂紋。根據(jù)試件的加載情況，裂紋可能導(dǎo)致突然失效或者繼續(xù)擴展直到荷載達到峰值后發(fā)展成為可見裂紋。當(dāng)達到峰值以后，試件開始表現(xiàn)出應(yīng)變-軟化關(guān)系，因為隨著應(yīng)變的增加荷載傳遞能力逐漸降低。應(yīng)變-軟化關(guān)系曲線混凝土破損反應(yīng)模型6、疲勞疲勞是指在機械荷載反復(fù)作用下造成的失效，荷載的大小在疲勞失效中的影響沒有靜載破壞中的那么明顯。雖然疲勞破壞的機理目前還沒有完全了解，但是關(guān)于裂紋在素混凝土中的產(chǎn)生和發(fā)展有兩種基本假設(shè)。第一種假設(shè)：疲勞破壞的實質(zhì)是骨料和水泥基質(zhì)連接區(qū)域的逐漸失效。第二種假設(shè)：疲勞破壞的實質(zhì)是在混凝土中先天存在的微裂縫不斷聚結(jié)，最后導(dǎo)致形成一條局部宏觀裂紋。雖然水泥混凝土開裂的機理目前已經(jīng)研究的比較