混凝土的体积稳定性

3.4 混凝土的体积稳定性混凝土的体积稳定性 开开裂裂的的诊诊断断洞庭湖大桥西西安安脉脉冲冲堆堆堆堆本本体体 80%80%以上的开裂都是由于混以上的开裂都是由于混凝土变形所引起，只有很小一部凝土变形所引起，只有很小一部分是由于承载力不足导致。分是由于承载力不足导致。裂缝治理专家裂缝治理专家 王铁孟王铁孟3.4.1 变形的类型变形的类型1.1.荷载作用下荷载作用下 产生弹性与非弹性变形产生弹性与非弹性变形 2.2.非荷载作用下非荷载作用下 产生收缩与膨胀变形产生收缩与膨胀变形3.3.复合作用下复合作用下 产生徐变产生徐变PP混凝土的泊松比混凝土的泊松比=？混凝土在荷载混凝土在荷载作用下的变形作用下的变形什么材料的什么材料的泊松比泊松比0.5?0.2软软橡胶橡胶泊松比泊松比=0.5=0.5体积不变体积不变 纯流体纯流体3.4.2 弹性行为弹性行为 混凝土的混凝土的弹性模量高，即刚度大，意弹性模量高，即刚度大，意味着在一定荷载作用下的变形小。味着在一定荷载作用下的变形小。混凝土的弹性模量与孔隙率关系密切，混凝土的弹性模量与孔隙率关系密切，因此影响强度的各种因素，也同样影响它因此影响强度的各种因素，也同样影响它的弹性模量。的弹性模量。混凝土的弹性模量在很大程度上取决混凝土的弹性模量在很大程度上取决于占其主要体积组分的骨料的于占其主要体积组分的骨料的弹性模量弹性模量。混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量 1）不是常数。受许多因素影响，如骨料）不是常数。受许多因素影响，如骨料品种、用量和混凝土干湿状态等；品种、用量和混凝土干湿状态等；2）随时间（混凝土的龄期）会不断增长；）随时间（混凝土的龄期）会不断增长；3）弹性模量高时，虽然同样荷载作用下）弹性模量高时，虽然同样荷载作用下的变形小；但混凝土的变形受约束时，产的变形小；但混凝土的变形受约束时，产生的应力则越大。生的应力则越大。混凝土在硬化过程和干湿、冷热作用下的变形混凝土在硬化过程和干湿、冷热作用下的变形3.4.3 温度收缩与热膨胀温度收缩与热膨胀 3.4.4 干燥收缩干燥收缩与与徐变徐变3.4.5 自生收缩自生收缩 3.4.6 碳化收缩碳化收缩 1.1.塑性沉降裂缝塑性沉降裂缝2.2.塑性收缩裂缝塑性收缩裂缝3.3.早期热缩裂缝早期热缩裂缝4.4.干缩裂缝干缩裂缝5.5.发丝裂纹发丝裂纹6.6.钢锈裂缝钢锈裂缝7.7.冻融侵蚀冻融侵蚀8.8.冲击冲击9.9.力学损伤力学损伤钢筋钢筋上方上方成拱成拱厚度厚度变化变化对角对角随机随机钢筋钢筋上方上方外部外部约束约束内外内外约束约束镘平镘平自然自然氯氯离子离子冻融冻融轮载轮载作用作用落物落物弯折弯折剪切剪切疲劳疲劳沉陷沉陷3.4.7 延伸性与开裂延伸性与开裂 Extensibility and Cracking延伸性的含义：延伸性的含义：弹性模量弹性模量 弹模越小，产生一定量收缩弹模越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小；引起的弹性拉应力越小；徐变徐变 徐变越大，应力松弛越显著，徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小；残余拉应力就越小；抗拉强度抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小。材料开裂的危险越小。无松弛作用时出现开裂无松弛作用时出现开裂混凝土的混凝土的抗拉强度抗拉强度开裂延迟开裂延迟应应力力松弛后的实际应力松弛后的实际应力应力松弛应力松弛时间时间收缩应变受约束时收缩应变受约束时产生的弹性拉应力产生的弹性拉应力工程实例：工程实例：1洞庭湖大桥洞庭湖大桥；22 西安脉冲西安脉冲堆堆；1.混凝土的粘弹性与其在荷载和环境作用下的混凝土的粘弹性与其在荷载和环境作用下的开裂现象有什么关系？开裂现象有什么关系？2.影响混凝土的干缩与徐变主要有哪些因素？影响混凝土的干缩与徐变主要有哪些因素？3.何谓自身收缩？它怎样随混凝土的水灰比减何谓自身收缩？它怎样随混凝土的水灰比减小而变化？为什么？小而变化？为什么？4.强度高的混凝土为什么更容易开裂？强度高的混凝土为什么更容易开裂？思考题思考题参考书参考书1.The Science and Technology of Civil Engineering Materials.2.2.Materials Science for Civil and Highway Engineer.3.3.Concrete:Structures,Properties and Materials.P.K.Mehta干燥收缩干燥收缩Dry Shrinkage （硬化）混凝土与周围环境存在湿硬化）混凝土与周围环境存在湿度梯度，引起水分蒸发产生体积收缩的度梯度，引起水分蒸发产生体积收缩的现象。现象。干燥环境干燥环境泌水速率泌水速率 蒸发速率蒸发速率开裂开裂混凝土表面混凝土表面干燥收缩干燥收缩Dry Shrinkage1.路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；2.2.影响蒸发量的环境因素，包括气温、混凝影响蒸发量的环境因素，包括气温、混凝土温度、相对湿度、风速和太阳辐射热，均土温度、相对湿度、风速和太阳辐射热，均影响干缩；影响干缩；3.3.混凝土凝固缓慢干缩大，但产生应力小；混凝土凝固缓慢干缩大，但产生应力小；骨料用量多、水灰比低时，干缩小；骨料用量多、水灰比低时，干缩小；影响蒸发速率的因素影响蒸发速率的因素1）气温；气温；2 2）混凝土体温；）混凝土体温；3 3）相对湿度；）相对湿度；4 4）风速；）风速；5 5）太阳辐射热；）太阳辐射热；以上任意两个因素的组合都属于热天以上任意两个因素的组合都属于热天混凝土浇注混凝土浇注(Hot Weather Concreting)。图1 美国混凝土协会(ACI)的蒸发速率图表美美国国混混凝凝土土学学会会实实用用手手册册蒸蒸发发速速率率图图表表气温气温混凝土温度混凝土温度干燥收缩干燥收缩Dry Shrinkage 由于外加剂，尤其是高效减水剂和矿物由于外加剂，尤其是高效减水剂和矿物掺合料的应用，混凝土的水胶比可以明显降掺合料的应用，混凝土的水胶比可以明显降低，泌水减少，干缩也明显减小。但与此同低，泌水减少，干缩也明显减小。但与此同时，带来塑性开裂加剧、自生收缩增大等新时，带来塑性开裂加剧、自生收缩增大等新问题。问题。自生收缩自生收缩 自生收缩，是指混凝土体内由于水泥和水自生收缩，是指混凝土体内由于水泥和水发生水化反应，产物的固相体积增大，而与反发生水化反应，产物的固相体积增大，而与反应前水泥与水的体积之和相比则减小。这种收应前水泥与水的体积之和相比则减小。这种收缩现象的发生与周围介质不相干，没有失重也缩现象的发生与周围介质不相干，没有失重也不增重，因此称之为自生收缩。这种收缩由化不增重，因此称之为自生收缩。这种收缩由化学反应引起，也称其为化学收缩。学反应引起，也称其为化学收缩。自生收缩的机理自生收缩的机理 水化反应进行过程中，一部分拌合水由水化反应进行过程中，一部分拌合水由化学反应消耗，一部分填充凝胶孔。当水灰化学反应消耗，一部分填充凝胶孔。当水灰比较大时，凝胶孔基本上充满水，自身收缩比较大时，凝胶孔基本上充满水，自身收缩很小；水灰比较小时，凝胶孔形成弯月面，很小；水灰比较小时，凝胶孔形成弯月面，产生自干燥作用，外界压力使水泥浆体收缩。产生自干燥作用，外界压力使水泥浆体收缩。凝胶孔凝胶孔毛细孔毛细孔凝胶凝胶孔隙孔隙弯弯月月面面凝凝胶胶孔孔干干缩缩与与自自生生收收缩缩自缩与干缩的异同点自缩与干缩的异同点相同点：均由于水的迁移所引起；相同点：均由于水的迁移所引起；不同点：不同点：1.1.自缩不失重；自缩不失重；2.自身收缩各向同性地发生，干缩由表自身收缩各向同性地发生，干缩由表 及里地发生；及里地发生；3.3.水灰比降低时，干缩减小，自缩增大；水灰比降低时，干缩减小，自缩增大；4.4.覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而 自缩必须通过湿养护处理。自缩必须通过湿养护处理。强度强度放热放热体积减小体积减小水泥浆水化水泥浆水化“永恒的三角形永恒的三角形”热收缩与开裂热收缩与开裂热收缩与开裂热收缩与开裂Thermal Shrinkage and CrackingThermal Shrinkage and Cracking 混凝土硬化期间由于水化放热产混凝土硬化期间由于水化放热产生温升，到达温峰后降温时产生的收生温升，到达温峰后降温时产生的收缩变形，以及因变形受约束形成拉应缩变形，以及因变形受约束形成拉应力超过抗拉强度出现开裂的现象。力超过抗拉强度出现开裂的现象。热裂缝的控制热裂缝的控制 自自2020世世纪纪初初起起，为为了了减减小小水水化化放放热热产产生生的的影影响响，开开始始采采用用掺掺火火山山灰灰的的办办法法，3030年年代代又又开开发发出出低低热热水水泥泥。利利用用加加大大粗粗骨骨料料粒粒径径、非非常常低低的的水水泥泥用用量量、预预冷冷拌拌合合物物原原材材料料、限限制制浇浇注注层层高高和和管管道道冷冷却却等等措措施施，进进一一步步获获得得了了降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。近近几几十十年年来来，基基础础、桥桥梁梁、隧隧道道衬衬砌砌以以及及其其他他构构件件尺尺寸寸并并不不很很大大的的结结构构混混凝凝土土开开裂裂的的现现象象增增多多，同同时时发发现现干干燥燥收收缩缩通通常常在在这这里里并并不不重重要要了了。水水化化热热以以及及温温度度变变化化已已经经成成为为引引起起素素混混凝凝土土与与钢钢筋筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。混凝土约束应力和开裂的主导原因。热收缩与开裂热收缩与开裂热收缩与开裂热收缩与开裂 由由于于7070年年代代美美国国混混凝凝土土桥桥面面板板普普遍遍出出现现开开裂裂，因因此此转转向向使使用用更更高高强强度度的的混混凝凝土土，但但是是看看来来这这无无济济于于事事。根根据据国国家家公公路路合合作作研研究究计计划划19951995年年的的调调查查表表明明：1010万万多多块块混混凝凝土土桥桥面面板板是是在在混混凝凝土土浇浇筑筑后后一一个个月内就出现了间隔月内就出现了间隔1-31-3米的贯穿性裂缝。米的贯穿性裂缝。P.K.Mehta.热收缩与开裂热收缩与开裂热收缩与开裂热收缩与开裂大大大大体积混凝土的定义体积混凝土的定义体积混凝土的定义体积混凝土的定义 任何现浇混凝土，其尺寸达到任何现浇混凝土，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。响的，即称为大体积混凝土。美国混凝土学会美国混凝土学会az=侧向相对缩短侧向相对缩短/纵向相对伸长纵向相对伸长波松比波松比z=azx=y=a zV=(a+x)(a+y)(a+z)V=a3+a2x+a2y+a2z体积变化：体积变化：dV=a2(x+y+z)dV=a2 z(1 2 )；=0.5 纯流体纯流体洞庭湖大桥为什么开裂？洞庭湖大桥为什么开裂？9898年年7 7月浇注三座塔柱的月浇注三座塔柱的0 0号块混凝土（号块混凝土（C50C50）后，仅在边梁发现个别短、细裂缝；后，仅在边梁发现个别短、细裂缝；9999年年7 7月浇注三座塔柱的月浇注三座塔柱的1 1号块混凝土号块混凝土（C60C60）后，在顶板和边梁发现多处很长的贯穿后，在顶板和边梁发现多处很长的贯穿裂缝。裂缝。洞庭湖大桥C60C60混凝土原材料、配合比及强度混凝土原材料、配合比及强度水泥水泥 625#490kg/m3;硅粉硅粉42.5kg/m3;粗骨料粗骨料 白云岩、饱水单轴抗压强度白云岩、饱水单轴抗压强度168.8MPa、针片状颗粒针片状颗粒1012%；水胶比水胶比 0.31；坍落度；坍落度1618 cm；泵送到位；泵送到位；每次浇注时间每次浇注时间79小时，收浆（抹面）后小时，收浆（抹面）后3 5小小时用湿麻袋覆盖并浇水养护。时用湿麻袋覆盖并浇水养护。3天强度天强度60.2MPa；7天天73.2MPa；28天天89.5MPa 洞庭湖大桥为什么开裂？洞庭湖大桥为什么开裂？1.高强混凝土的强度发展快，弹性模量上升高强混凝土的强度发展快，弹性模量上升迅速，很快产生很大的弹性拉应力；迅速，很快产生很大的弹性拉应力；2.2.高强混凝土徐变小，应力松弛作用差；高强混凝土徐变小，应力松弛作用差；3.3.高强混凝土水胶比低，早期自身收缩大；高强混凝土水胶比低，早期自身收缩大；4.4.混凝土浇注时间长，养护不及时；混凝土浇注时间长，养护不及时；5.浇注时节气温高，加速水泥水化，温升大。浇注时节气温高，加速水泥水化，温升大。问题？问题？1.桥梁施工混凝土早期强度为什么要求那么高桥梁施工混凝土早期强度为什么要求那么高？2.桥梁施工混凝土浇注时间为什么那么长？桥梁施工混凝土浇注时间为什么那么长？3.怎样能做到及时养护？怎样能做到及时养护？4.铁路桥梁厂生产的桥梁为什么不会开裂？铁路桥梁厂生产的桥梁为什么不会开裂？5.现浇高强混凝土桥梁可以采取哪些防裂措施现浇高强混凝土桥梁可以采取哪些防裂措施？西西安安脉脉冲冲堆堆堆堆本本体体西安脉冲堆堆本体为何开裂？西安脉冲堆堆本体为何开裂？西安脉冲堆堆本体成八角形，下部厚西安脉冲堆堆本体成八角形，下部厚200cm（高（高4.5m）；）；上部厚上部厚80cm（高（高4m）;混凝土设计等级混凝土设计等级C30，坍落度坍落度35cm；用用425#矿矿渣水泥；骨料为渣水泥；骨料为2 4cm磁铁矿石和磁铁矿石和1 5mm褐褐铁矿石（密度约为铁矿石（密度约为5000kg/m3)。于于99年年1月进行重混凝土（约月进行重混凝土（约200m3）浇注浇注(每层每层20cm），），分别四次共用分别四次共用51小时。浇注时气温小时。浇注时气温（室内）为（室内）为6以上。以上。西安脉冲堆堆本体为何开裂西安脉冲堆堆本体为何开裂？脉冲堆在脉冲堆在2000年年1月进行热态零功率物月进行热态零功率物理实验过程中发现堆本体外层出现多条纵理实验过程中发现堆本体外层出现多条纵向裂纹，深为几公分至二、三十公分；长向裂纹，深为几公分至二、三十公分；长好几米。横向也发现几条裂纹，但比较浅好几米。横向也发现几条裂纹，但比较浅而且短。实验时堆内水温最高而且短。实验时堆内水温最高48、室温、室温6。脉脉冲冲堆堆裂裂纹纹示示意意图图西安脉冲堆堆本体为何开裂？西安脉冲堆堆本体为何开裂？1.进行热态零功率实验时，脉冲堆内外温差过进行热态零功率实验时，脉冲堆内外温差过大，使混凝土堆本体承受的拉应力超过其抗大，使混凝土堆本体承受的拉应力超过其抗拉强度，因此产生纵向裂缝；拉强度，因此产生纵向裂缝；2.2.混凝土设计等级过低，没有考虑实验时内混凝土设计等级过低，没有考虑实验时内外温差的作用；外温差的作用；3.3.因重混凝土易于沉降，而矿渣水泥在低温因重混凝土易于沉降，而矿渣水泥在低温下硬化缓慢使其加剧，造成横向裂纹出现，下硬化缓慢使其加剧，造成横向裂纹出现，尤其是变截面处。尤其是变截面处。可以采取哪些处理措施可以采取哪些处理措施？1.1.用碳纤维薄板进行加箍处理（相当于预应力）；用碳纤维薄板进行加箍处理（相当于预应力）；2.2.控制以后实验时的内外最大温差不超过控制以后实验时的内外最大温差不超过2525，并在实验过程密切监视裂纹再出现与扩展；并在实验过程密切监视裂纹再出现与扩展；3.3.3.3.只进行表面处理，不要灌缝；只进行表面处理，不要灌缝；4.4.4.4.建议今后在设计同类结构物时以最大温度应建议今后在设计同类结构物时以最大温度应力为依据，采用纤维增强混凝土；力为依据，采用纤维增强混凝土；干燥收缩与徐变干燥收缩与徐变干燥收缩与徐变干燥收缩与徐变Dry Shrinkage and CreepDry Shrinkage and Creep1)起因于硬化水泥浆体；起因于硬化水泥浆体；2)应变应变-时间曲线非常相似；时间曲线非常相似；3)影响干缩的因素通常也同样影响徐变；影响干缩的因素通常也同样影响徐变；4)都达到都达到4001000微应变微应变(m/m,10-6），），以至设计上不可忽略；以至设计上不可忽略；5)都部分可逆。都部分可逆。干干缩缩与与徐徐变变粘弹性材料在一定粘弹性材料在一定应力作用下的徐变应力作用下的徐变粘粘弹性材料在一定应弹性材料在一定应变作用下的应力松弛变作用下的应力松弛总应变总应变时间时间干缩干缩基本徐变基本徐变干燥徐变干燥徐变60%湿度、不加载湿度、不加载100%湿度、加载湿度、加载60%湿度、加载湿度、加载徐变徐变应应变变外露边外露边长长圆柱体圆柱体干缩与徐变干缩与徐变收缩引起的变形和应力收缩引起的变形和应力观察到的收缩观察到的收缩弹弹性性应应变变分分布布（无无徐徐变变）徐变的影响徐变的影响 西太平洋西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁群岛上的一座桥梁（主跨主跨为为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年年后坍塌后坍塌（1996年）。年）。徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据统计，我国几十年来生产的构件预应力损失统计，我国几十年来生产的构件预应力损失达达303050%50%，减小混凝土的徐变，对这样一些，减小混凝土的徐变，对这样一些结构物是有益的。但是另一方面，徐变会使结构物是有益的。但是另一方面，徐变会使温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减小；在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷小；在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，可以降低应力峰值，引起局部应力的结构中，可以降低应力峰值，从这个角度来说：徐变较大的混凝土又有有从这个角度来说：徐变较大的混凝土又有有利的一面。利的一面。徐变的作用徐变的作用河河的左的左岸岸双曲双曲拱桥拱桥罗依溪桥罗依溪桥几种岩石的弹性模量与泊松比几种岩石的弹性模量与泊松比岩石种类岩石种类 弹性模量弹性模量(GPa)泊松比泊松比()花岗岩花岗岩 6.0 60.0 0.11 0.23 闪长岩闪长岩 60.080.0 0.25辉绿岩辉绿岩 70.0110.0 砂砂 岩岩 6.0 25.0 0.07 0.22凝灰岩凝灰岩 2.0 20.0 0.11石灰岩石灰岩 30.040.0 0.19 0.27大理岩大理岩 50.080.0 0.25 0.28一些岩石的线膨胀系数一些岩石的线膨胀系数岩石种类岩石种类 线膨胀系数线膨胀系数(10-6/)花岗岩花岗岩 5 11.9闪长岩闪长岩 4.110.3辉绿岩辉绿岩 3.6 7.0 砂砂 岩岩 8 12.0石灰岩石灰岩 4 12大理岩大理岩 5 9.0硅硅 岩岩 113.3 混凝土的混凝土的强度与破坏强度与破坏 3.3.1 强度强度孔隙率关系孔隙率关系 3.3.2 混凝土的破坏模式混凝土的破坏模式 3.3.3 抗压强度及其影响因素抗压强度及其影响因素 1.混凝土组成材料的特性与配比混凝土组成材料的特性与配比 2.浇注浇注;3.养护养护;3.3.4 混凝土在不同应力状态下的力学行为混凝土在不同应力状态下的力学行为混凝土的破坏模式混凝土的破坏模式 随着应力的增长，混凝土体中随着应力的增长，混凝土体中微裂缝逐步地扩展，并相互连通形微裂缝逐步地扩展，并相互连通形成大裂缝，导致破坏。成大裂缝，导致破坏。影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素从微结构的角度从微结构的角度 孔隙率孔隙率 微裂缝微裂缝影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素从组成材料和配比的角度：从组成材料和配比的角度：水灰比水灰比 /水胶比（影响孔隙率）；水胶比（影响孔隙率）；水泥、骨料、化学外加剂与矿物掺合料水泥、骨料、化学外加剂与矿物掺合料 （影响孔隙率和填充孔隙的能力）；（影响孔隙率和填充孔隙的能力）；影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素从加工从加工（Processing）的角度：的角度：浇注、捣实、养护浇注、捣实、养护 （影响孔隙率和孔隙填充效果）（影响孔隙率和孔隙填充效果）硬化水泥浆体微结构硬化水泥浆体微结构性能关系性能关系 尺尺寸寸稳稳定定性性 湿湿度度低低于于100%时时，自自由由水水蒸蒸发发，但但并并不不伴伴随随收收缩缩；继继续续干干燥燥使使吸吸附附水水、层层间间水水蒸蒸发发，收收缩缩明明显显，原原因因是是它它们们与与毛毛细细孔孔壁壁或或水水化化物物层层间间存存在在作作用力，失去后产生压应力。用力，失去后产生压应力。