混凝土收缩裂缝分析

1 混凝土收缩裂缝分析混凝土收缩裂缝是由于混凝土收缩变形受到约束所引起。设有一根混凝土杆件如图1. 28所示，杆长（I）因温降或气干而缩短，若杆之两端不 受约束可以自由缩短（,杆身不会开裂。若两端受到约束（如被固定），不能缩短，这就等于在两端施加有拉力N而强行将杆件拉伸出 I并引发拉 应变（Et=AI/I）和拉应力（o1 = EtEt），若拉应力大过混凝土的抗拉强度（otfct），杆件就要断裂。可见，制约混凝土裂缝发生发展的几个基本要素是: 混凝土收缩变形大小，混凝土抗拉性能高低及混凝土变形的约束条件（程度）。从图1. 28可见，开裂机制虽比较简单，但这几项致裂要素却都甚为复 杂，影响因素多，变化亦很大，所组合成的裂缝问题多种多样，有的又很难分析清楚。下面先分别阐述混凝土的干缩变形、温度变形及混凝土的抗拉 伸性，而后再结合混凝土结构的约束条件研讨混凝土开裂机制问题。1 . 1 混凝土的干燥收缩变形混凝土干燥收缩主要起因于水泥石的脱水收缩；砂石不仅多不收缩，而且还可抑制水泥石收缩从而减小混凝土收缩（图1. 1,图1. 7（b）,所 以，凡是能影响水泥石脱水收缩和能影响骨料约束效应的种种因素，就也都会影响混凝土的干缩变形。水泥石气干收缩在内部主要受制于其中的细孔含量和孔径分布，而这又受制于加水量（水灰比）和水化度（水化材龄）图 1. 2）；在外部主要受制于 环境湿度。而混凝土工程的气干混土收缩变形理论上是三维的体积变化。但现实工程结构的裂缝问题大多是某单个方向的变形在起着主导作用。为厂简化问题分析，本书着 重研讨混凝土在某单一方向的线性胀缩变形问题。第 1 页收缩则除受制于混凝土含水量、水灰比、水化度、环境湿度以及骨料的特性与含量等外，还要受到工程结构的裸露程度（形状尺寸）所影响。ft密董壬JU10 制）济料|上施口*鳧一広報W I J魁冕I:我弄g骨时上试就出曲，IlJ J站）晤IQ相ft们齡成鞭化忖此灼灣孔*布的悴响九曲朋g 准理足K尚运1；尹*述*的亠“时：F川乂耳於砂下面先简述水泥石的脱水收缩机制，然后再从几个方面阐释混凝土干缩问题。2 混凝土裂缝防控措施 对于各种混凝土裂缝固然都要考虑预防，只是有些工程结构或其中某些部位因受限于具体条件而难以防范，难免开裂，这就需要控制，控制其 可能出现的裂缝不超出可容许程度或无损于混凝土工程质量水平。各种混凝土裂缝的起因不同，针对各具体裂因的预防、控制手段将也不同：对于由冷缩、干缩变形引起的收缩裂缝，有些是需要妥选混凝土材 料、配比或采取相应措施以减小收缩变形和减免裂缝出现，也有些是需要配置钢筋以控制开裂；对于由荷载力或其他外力引发的受力裂缝，通常是依 靠配置钢筋将裂缝宽度控制在预期范围之内，但往往也需要在混凝土材料与施工上采取措施配合防裂；对于由混凝土化学反应物膨胀所引发的裂缝(如 钢筋锈胀裂缝或碱骨料反应裂缝)，通常是针对病因解除致病源或增强免疫力；而对于混凝土刚浇筑后出现的塑缩裂缝或塑沉裂缝，则需要通过改善 施工作业、加强施工控制予以避免。在这一章里，仅就最为常见的混凝土受力裂缝和收缩裂缝问题讲述其防控技术要点，混凝土化学反应裂缝的丌裂机制和预防手段都各有其特殊 性，将在第3、4 两章里专题阐释，至于混凝土在刚浇筑后出现的塑态裂缝，其形成机制和预防于段都较为简明，在本章后面研究混凝土施工问题 中酌予讲述。本书主要是从混凝土材料与施工以及从混凝土结构配筋上研讨混凝土的常规防裂控裂问题。但此外也还有些其他方法可用以防控开裂，如预施 压应力以不使混凝土受到拉伸，采用膨胀水泥以减免混凝土的收缩变形，掺入树脂或钢纤维之类材料以提高混凝土的抗拉伸性，在某些结构的基底铺 设可滑移层以减免接面约束，讨于桥梁之类构件采用滑动支座以解除梁端约束，等等。只是这些措施多各有其特殊性并各适应于其特定情况，本书暂 不涉及。第 87 页21 混凝土工程裂缝预防前面一再讲述过混凝土防裂的基本点是控制(降低)混凝土的温升幅度(Tr)、浇筑温度(Tp)、混凝土干燥收缩(Esh)以及混凝土约束度(R)(K)、 热胀系数(aT )等，混凝土表面温度(To)需要缓慢降下，混凝土抗拉强度(fct)和徐变效应(p,Ee)也要予以考虑，下面讲述的技术措施就是各针对这其 中的某个目标的。211 低温低热混凝土混凝土早期热裂缝的预防措施大多是针对于。和AT,的，特对此作些阐释。1低温混凝土(低拌合浇筑温度混凝土，低 To 混凝土)低Tp混凝土的优点很多，宜于提倡广为应用。低丁，意味着tmax（低ATm或低 Td）,也意味着可酌减W（以至Esh）；低Tp（12C）混凝土 的丁。亦相对较低，这就都有助于提高混凝土的防裂性能。夏季施工混凝土的浇筑温度常可高达2 5 C30 C,而如果能通过预冷材料将此降至10E, 则就等于将混凝土工程的最高温度（Tmax）和内外温差（AT）各降约15C20C,并可因此收到相当大的减免温裂效果。有一份试验资料（图2. 1）清 楚表明降低混凝土浇筑温度（丁 D）在减小混凝土温降拉应力上的重要作用：当将混凝土浇筑温度从18. 0C降为7. 61Z时，其材龄12d的混凝土 温降拉应力约可减少8kgf/cm2；设以C30混凝土 fct为20kg/cm2为例，这就意味着可将混凝土抗裂性能提高约8/20=40%，显然是很 有助于防裂。美国从20世纪40年代初期在大堋昆凝土中采用低温混凝土，现已成为夏季高温地区浇筑大坝混凝土的标准施工方法，浇筑温度（Tp）常低到 10C,有的也低到5C。大坝混凝土及其他类似大体3 混凝土的钢筋锈胀裂缝混凝土的化学反应裂缝是指由混凝土内部某种化学反应物的体积膨胀所引发的裂缝。在现实工程中，钢筋锈胀裂缝问题曾没少发生，教训沉重。 在RC结构设计施工中之所以要控制裂宽也主要是为了预防钢筋锈蚀。混凝土由于碱骨料反应所引发的裂缝问题近年来国内亦时有出现并愈益受到重 视。混凝土的化学反应裂缝，在初期，有的可相似于收缩变形裂缝（线状，网状），有的可相似于受力裂缝，也有的是表面层石子的鼓胀“爆裂”；严重 的钢筋锈蚀胀裂也能引起混凝土保护层的剥离、脱落。混凝土的化学反应胀裂在本质上虽然有其特殊性，主要病象也不只是外观开裂；但作为工程病 害，大多是机制较复杂，性质较恶劣，现实意义亦重要，有关的技术资料值得交流传播，典型的经验教训需要引以为戒。故特专辟3、4两章讲述这 两种类型裂缝的有关问题。对于混凝土表面层的某些其他胀裂问题（如由某些含有MgO或GaO成分并受过煅烧的石子所引发的膨胀爆裂”问题）这里 暂不涉及；对于因水泥质量不合格（如因游离CaO含量过高引起的安定性不合格，因为MgO或SO3含量超过规定的不合格）所引发的胀裂问题，本 书亦不涉及。3. 1 钢筋的锈蚀机制及其受制因素3. 1. 1 钢筋锈蚀机制钢筋在混凝土中腐蚀是电化学（原电池）的反应过程。如图3. 1所示，阳极铁离子化，Fe2+进入溶液中并放出电子（e）；在阴极，溶解氧吸收从 阳极流来的电子生成OH-。OH-在阳极可与Fe2=+相结合生成Pe（OH）:并析出于钢筋表面，而后再继续与第 147 页KOXJj结合生成斤Vc 一 Fl 1 2r-0. T 2H/) I 4c-一 4i. OH； Fc?l - 2 ( OH4FEQII厂 RU - CK 71351：Fe（OH）3脱水后生成铁锈的主要成分是Fe2O3。可以看出，决定钢筋腐蚀反应的基本因素是电位差、水和氧，缺一不可，实际腐蚀速度大多就是受制于氧的供应。钢筋表面上的钝化膜（很薄但粘接很牢的氧化物薄膜）可以钝化”Fe的这种反应，而水泥水化中析出的OH-Ca（OH2）则能保护 yFe2O3钝化膜并防止腐蚀发生；混凝土中钢筋之所以不会发生腐蚀就是靠水泥石中由OH提供的高碱度（高PH值）来保证的（图3. 9）。Cl是钢 筋腐蚀反应的最强烈的活化剂，口能破坏钢筋表面钝化膜从而引发腐蚀，也能增高溶液导电性，增大电位差，加速腐蚀反应；所以当混凝土中掺有 氯盐或渗人口时就很容易引发钢筋锈蚀，现实工程中的钢筋锈蚀病害大多起因于此。(:图3 喇前的福蚀X亡#右0乳19水、电解廊y混凝土中钢筋表层经腐蚀成铁锈后，体积可增大几倍，挤压其外侧混凝土并使之产生垂直于径向胀压力的拉应力，拉应力超过混凝土的承耐能 力就将在混凝土保护层上引发出顺沿钢筋的纵向裂缝（图 3. 2）。裂缝出现后，外面的水、气（氧）可沿缝渗入并进一步加速腐蚀，如是发展下去，裂缝将更增宽、延长，甚至混凝土保护层大片破裂剥落。有时，铁锈能扩散进松弱混凝土的孔隙中，从而不至4 混凝土的碱骨料反应裂缝混凝土碱骨料反应裂缝主要足指水泥中的碱(Alkali)与骨料中的活性二氧化硅(Silica)发生化学反应即碱硅酸反应(Alkali-Silica Reaction, 简称ASR)，反应生成物碱硅酸盐凝胶体积膨胀所引发的裂缝。混凝土 ASR及由此引起的工程裂缝问题，近年来越来越受到关注。为了加深认识其发生、发展过程，正确诊断其可能引起的工程病害”，并合 理解决各种有关问题，进行更多的技术资料交流和研究探讨，将不无裨益。4. 1混凝土 ASR机制及其受制因素4. 1. 1 ASR 机制1.碱混凝土中的碱主要来自水泥，水泥中的碱主要来自黏土原料。抗硫酸盐水泥由于配料时降低黏土含量(为了压低C1A量)致使含碱量一般较低。 水泥含碱量通常按Na2O的当量计量(Na20eq% = Na20%+0. 658K20%),尽管Na2O的作用可能更大一些。低碱水泥”通常限制含碱量不大 于 0 . 6 。掺用含碱金属(Na, K)的外加剂(如NaCI，Na2SO4，NaNO2等)时，也将增加混凝土含碱量。设所掺NaCI为水泥量的2% ,这相当于水泥注量増加2杯浮辟翳催厂第 177 页1. 06%。使用海砂拌制混凝土会引入NaCI；沿海工程由于海水及湿空气浸渗混凝土，所积聚的Na+量还可能更高，甚至使用低碱水泥也无济于事 而失去意义。冬季公路行车为融化冰雪而撒盐时，也为混凝土路面提供外源性碱。就是说，除水泥之外，某些其他因素也能导致相当高的含碱量，也 存在同样的问题，不容忽视。2.骨料(砂子，石子)岩石中可与碱起化学反应的矿物主要是蛋白石、火山玻璃体及一些特殊的石英。蛋白石是非晶质的SiO2nH2O(n = 530),碱活性很强。火山玻璃是岩浆急冷形成，为隐晶质和非晶质结构，当为酸性（含SiO2 65 %-75%）或中性（含SiO2 52 %65 %）时具有碱活性。自然界中广泛存在 的石英矿物（siq）, 般是结晶体，不具有化学活性。但某些特殊的石英，如隐（潜）晶质石英（5um以下微粒集合体），玉髓（石英隐晶质亚种之一）, 及晶格有变形、缺陷的石英等，具有碱活性；方石英和鳞石英也有碱活性。各种活性矿物可存在于不同的岩石中，如火成岩中的流纹岩（酸性火山玻璃）、安山岩（中性火山玻璃）、玄武岩、黑曜岩等；沉积岩中的燧石岩（主 要成分有玉髓、隐晶质石英以及蛋白石）、砂岩、页岩、石灰岩等；以及变质岩中的千枚岩、硅岩、片麻岩等。各种矿物的活性程度很不相同，各种 岩石是否具有碱活性及活性程度如何，则随所含活性矿物的种类、数量及存在形态不同而有很大差异，只从岩石（甚至矿物）名称上是较难判断的。我 国刘崇熙教授对于全国、全球各类活性岩石的地质、成因及分布规律等问题进行过深入研讨，对各类岩石（矿物）的碱活性规律进行过系统论述，洋载 于文献41， 42中。3ASR水泥加水拌和后，含碱盐溶解，溶液中的OH浓度增高；在水泥石细孔溶液中可长期保持有相当数量的OH-、K+、Na+离子（图4. 1）。这些 离子扩散至骨料活性 SiO2 处与之发生反应，生成碱硅酸盐凝胶：