混凝土裂縫的控制

1、混凝土裂縫的預(yù)防與控制混凝土材料的抗?jié)B性能與混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂能力o 兩者需要分別考慮，不能混為一談。o 一個(gè)是材料性能，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用試件評(píng)價(jià)。o 一個(gè)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(jì)、材料和施工共同決定?；炷两Y(jié)構(gòu)的開(kāi)裂問(wèn)題o 普遍使用早強(qiáng)高強(qiáng)的商品混凝土所導(dǎo)致。o 世界性的問(wèn)題o 1996年Krauss和Rogalla調(diào)查了美國(guó)和加拿大的20萬(wàn)座橋梁，發(fā)現(xiàn)其中10萬(wàn)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。現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂主要不是由于荷載的作用，而是變形變形所致。溫度變形、收縮變形溫度變形、收縮變形和基礎(chǔ)不均勻沉降基礎(chǔ)不均勻沉降等，都可能引起混

2、凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂。根據(jù)王鐵夢(mèng)的估計(jì)，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?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫種類o 塑性裂縫o 溫度裂縫o 收縮裂縫干燥收縮自干燥收縮塑性裂縫塑性裂縫混凝土表面混凝土表面泌水速率泌水速率 蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率開(kāi)裂開(kāi)裂當(dāng)表面失水速率超過(guò)實(shí)際泌水速率時(shí)，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(dòng)，但其強(qiáng)度又不足以抵抗因收縮受到限制所引起的應(yīng)力時(shí)，就產(chǎn)生開(kāi)裂。塑性裂縫常引發(fā)硬化混凝土的開(kāi)裂。可通過(guò)及時(shí)抹面消除。塑性開(kāi)裂形式溫度變化導(dǎo)致的體積收縮o 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。

3、o 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。o 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(duì)濕度、結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。溫度裂縫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(shí)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(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)開(kāi)裂。近幾十年來(lái)，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(kāi)裂的現(xiàn)象增多，此時(shí)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(kāi)裂的主導(dǎo)原因。高強(qiáng)混凝土具有較大的溫度收縮。C40大摻量粉煤灰混凝土的絕熱溫升曲線入模溫度為入模溫度為17.617.6

4、，5d5d后后到達(dá)溫峰，約為到達(dá)溫峰，約為58.858.8，溫升為溫升為41.241.2。入模溫度為入模溫度為13.013.0 ，6d6d后后到達(dá)溫峰，約為到達(dá)溫峰，約為62.862.8，溫，溫升為升為49.849.8。02040608010012014001020304050FC30(60%FA)FC30(30%FA)FC30(20%FA)絕熱溫升 /齡期/ hC30C30混凝土的絕熱溫升4m厚混凝土底板的溫升曲線05101520253035404550556010152025303540455055TemperatureTime/day A1test A2test A3test A4tes

5、t A5testC45R60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)水分約水泥漿體，可蒸發(fā)水分約6ml 混凝土混凝土C=300kg/m3 ，可蒸發(fā)水分約，可蒸發(fā)水分約18l 水泥砂漿干縮值約水泥砂漿干縮值約0.10.2% 水泥混凝土水泥混凝土180天自由干縮值約天自由干縮值約0.040.06%在與外界沒(méi)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

6、凝土的自收縮在初凝以后開(kāi)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)。自收縮自收縮化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的體積變化水化過(guò)程中水化產(chǎn)物的絕對(duì)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，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(jī)理水化反應(yīng)進(jìn)行過(guò)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(shí)，凝膠孔基本上充滿水，自身收縮很?。凰冶容^小時(shí)，凝膠孔內(nèi)部只有部分充滿水，形成彎月面，外界的壓力使水泥漿體收縮?；炷恋乃湛s與自收縮自收縮與干縮的異同點(diǎn)相同點(diǎn)相同點(diǎn)：均由于水的遷移

7、水的遷移所引起；不同點(diǎn)不同點(diǎn)： 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(shí)，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(guò)濕養(yǎng)護(hù)才能減小。o 常規(guī)收縮試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果是干燥收縮與自收縮的疊加，主要是干燥收縮。o 普通混凝土主要產(chǎn)生干燥收縮，自生收縮不超過(guò)50微應(yīng)變，占總測(cè)定值的10%左右。o 干燥收縮是引起普通混凝土開(kāi)裂的主要原因之一。o 在高強(qiáng)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(diǎn)w/b=0.26w/b=0.34混凝土的自收縮混凝土的自收縮自身收縮和干燥收縮占總收縮的比例

8、 （%）混凝土的變形類型與開(kāi)裂混凝土的變形類型與開(kāi)裂o 自由收縮，相向變形，不裂；自由收縮，相向變形，不裂；o 限制收縮，背向變形限制收縮，背向變形, ,開(kāi)裂開(kāi)裂; ;o 自由膨脹，背向變形，開(kāi)裂；自由膨脹，背向變形，開(kāi)裂；o 限制膨脹，相向變形，不裂限制膨脹，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(kāi)裂的原因很復(fù)雜，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料組成、施工技術(shù)、環(huán)境狀態(tài)等諸多因素?；炷敛牧媳旧淼慕M成與性質(zhì)的變化，以及隨之而來(lái)的施工技術(shù)變化是現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)容易開(kāi)裂的重要原因。o大體積混凝土底板不容易開(kāi)裂大體積混凝土底板不容易開(kāi)裂鋼筋約束強(qiáng)，可在表面加細(xì)鋼筋網(wǎng)片；養(yǎng)護(hù)容易。o連續(xù)墻

9、容易開(kāi)裂連續(xù)墻容易開(kāi)裂橫向大多只有構(gòu)造鋼筋，養(yǎng)護(hù)困難，暴露面大?；炷灵_(kāi)裂的影響因素o 材料因素材料因素：膠凝材料的細(xì)度、水化速率、水化熱、強(qiáng)度發(fā)展速率。o 配合比因素配合比因素：水膠比、漿體含量、骨料彈性模量。o 約束因素約束因素：體積、配筋率o 環(huán)境因素環(huán)境因素：氣溫、風(fēng)速、濕度。混凝土的極限拉伸o 混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂一般均由拉應(yīng)力引起。o 對(duì)于變形導(dǎo)致的開(kāi)裂，除考慮材料的抗拉強(qiáng)度外，材料的抗變形能力，即極限拉伸更重要。o 混凝土的極限拉伸值約為110-4?；炷亮芽p間距計(jì)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

10、 T：溫度差，包括水化溫差、氣溫差、收縮當(dāng)量溫差pxTTCEHLarcch2maxo 底板與墊層間的摩擦情況影響開(kāi)裂間距。o 通常T大于p，兩者差越大，開(kāi)裂間距越小。當(dāng)T趨近于p，開(kāi)裂間距趨近于無(wú)窮大，可取消伸縮縫。o 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)力混凝土體積變形引起的拉應(yīng)力 水化熱降溫收縮水化熱降溫收縮 干燥引起的收縮干燥引起的收縮 相當(dāng)于溫降相當(dāng)于溫降 總收縮總收縮 ctTcd TcdcctcdceTTT ()二端固定約束二端固定約束拉應(yīng)力拉應(yīng)力 當(dāng)當(dāng) ，或，或 ，混凝土開(kāi)裂，如不配，混凝土開(kāi)裂，如不配筋，斷為二段，約束全部消除筋，斷為二段，約束全部

11、消除底面連續(xù)約束底面連續(xù)約束拉應(yīng)力拉應(yīng)力 R R 為約束度，且為約束度，且 R R 1 1 當(dāng)當(dāng) ，裂縫首先在中間截面底部，裂縫首先在中間截面底部出現(xiàn)并向上發(fā)展，約束未全部消除出現(xiàn)并向上發(fā)展，約束未全部消除 Ecc ftcuccRE REcc ft外部約束下構(gòu)件拉應(yīng)力外部約束下構(gòu)件拉應(yīng)力長(zhǎng)墻應(yīng)力分布及開(kāi)裂示意1122（ a） 主 要 應(yīng) 力 分 布 （ b） 一 次 開(kāi) 裂 （ c） 二 次 開(kāi) 裂a(bǔ)bc混凝土連續(xù)墻有序開(kāi)裂示意a) a) 當(dāng)當(dāng) 、 及及 確定后，構(gòu)件中的應(yīng)力大確定后，構(gòu)件中的應(yīng)力大小及其分布僅與長(zhǎng)高比小及其分布僅與長(zhǎng)高比 L/HL/H 有關(guān)，而與構(gòu)件有關(guān)，而與構(gòu)件L L或或H

12、 H的的絕對(duì)尺寸大小無(wú)關(guān)絕對(duì)尺寸大小無(wú)關(guān)b) b) 構(gòu)件所受的約束度隨地基剛度降低而減少構(gòu)件所受的約束度隨地基剛度降低而減少 L/H=10 L/H=10 的構(gòu)件的構(gòu)件 L/HL/H較大的構(gòu)件，當(dāng)比值較大的構(gòu)件，當(dāng)比值 不甚小時(shí)，中間截面不甚小時(shí)，中間截面拉應(yīng)力接近均布，但當(dāng)比值拉應(yīng)力接近均布，但當(dāng)比值 甚小時(shí)，上部拉應(yīng)甚小時(shí)，上部拉應(yīng)力低于下部愈多。力低于下部愈多。 cEcEEfc/EEfc/EEfc/將地基看作是半無(wú)限的連續(xù)介質(zhì)將地基看作是半無(wú)限的連續(xù)介質(zhì)H=6mL/H=10Ef/Ec=1變形圖H=6mL/H=2Ef/Ec=1第一主應(yīng)力o ACI方法方法 o 王鐵夢(mèng)方法王鐵夢(mèng)方法 將地基的作

13、用簡(jiǎn)化為水平彈簧將地基的作用簡(jiǎn)化為水平彈簧 構(gòu)件中的拉應(yīng)力不僅取決于比值構(gòu)件中的拉應(yīng)力不僅取決于比值/ /H ，而且而且尚與尚與或或H的尺寸大小有關(guān)的尺寸大小有關(guān) RRccccK EREmax11(/2)ceETchLRchLchCELHLxc112112()內(nèi)部約束下拉應(yīng)力是同一時(shí)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(shí)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)力內(nèi)部約束下構(gòu)件拉應(yīng)力防裂混凝土防裂混凝土 混凝土的密實(shí)性和均勻性是結(jié)構(gòu)防裂與防水混凝土的密實(shí)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，往往是施工的首要保證，混凝土

14、發(fā)生滲漏，往往是施工原因造成的質(zhì)量不均勻和裂縫；原因造成的質(zhì)量不均勻和裂縫； 限制最大水泥用量限制最大水泥用量 應(yīng)摻加膠凝材料總量應(yīng)摻加膠凝材料總量202030%30%以上的粉煤灰以上的粉煤灰 對(duì)粗骨料最大空隙率限值的要求對(duì)粗骨料最大空隙率限值的要求 限制使用限制使用R R型早強(qiáng)水泥型早強(qiáng)水泥水泥水泥粉煤灰粉煤灰硅灰硅灰膨脹劑膨脹劑密實(shí)劑密實(shí)劑水水減水劑減水劑3106040344170C30高抗?jié)B混凝土配合比 (kg/m3)砂率=0.4W/B=0.3828d強(qiáng)度超過(guò)50MPa，試驗(yàn)室試配性能良好，實(shí)際澆筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較多貫穿裂縫，寬度0.1-0.3mm。p 膨脹劑防裂技術(shù)的應(yīng)用，必須具有專門(mén)的膨脹

15、劑防裂技術(shù)的應(yīng)用，必須具有專門(mén)的知識(shí)和技術(shù)知識(shí)和技術(shù)o 混凝土必須處于限制狀態(tài)。自由或過(guò)大的混凝土必須處于限制狀態(tài)。自由或過(guò)大的膨脹將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的嚴(yán)重削弱甚至開(kāi)膨脹將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的嚴(yán)重削弱甚至開(kāi)裂。膨脹劑用量過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)防裂效裂。膨脹劑用量過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)防裂效果和混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響果和混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。o 自由試件與強(qiáng)約束的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土自由試件與強(qiáng)約束的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土性能表現(xiàn)差異較大。性能表現(xiàn)差異較大。 補(bǔ)償收縮混凝土補(bǔ)償收縮混凝土o使早期混凝土處于受壓或低受拉的使早期混凝土處于受壓或低受拉的應(yīng)力狀態(tài)，避免早期開(kāi)裂。應(yīng)力狀態(tài)，避免早期開(kāi)裂。o延遲混凝土的收縮開(kāi)始時(shí)間

16、，此時(shí)延遲混凝土的收縮開(kāi)始時(shí)間，此時(shí)混凝土的抗拉能力已有較大增長(zhǎng)。混凝土的抗拉能力已有較大增長(zhǎng)。 早期限制膨脹的作用早期限制膨脹的作用一般認(rèn)為，應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，應(yīng)一般認(rèn)為，應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，應(yīng)導(dǎo)入導(dǎo)入0.30.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力。的預(yù)壓應(yīng)力。早期限制膨脹的作用早期限制膨脹的作用計(jì)算方法的適用性尚缺乏充分驗(yàn)證，實(shí)際應(yīng)計(jì)算方法的適用性尚缺乏充分驗(yàn)證，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題：用時(shí)存在的問(wèn)題： a）實(shí)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(shí)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(wú)效的塑性和徐變變形

17、中，削弱膨脹劑的效果。不同的膨脹劑對(duì)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。p 高溫高溫60607070下膨脹效能下降下膨脹效能下降o 需有充分的水補(bǔ)給，早期干燥缺水，反而需有充分的水補(bǔ)給，早期干燥缺水，反而加速開(kāi)裂加速開(kāi)裂o 摻入粉煤灰會(huì)減少其限制膨脹率摻入粉煤灰會(huì)減少其限制膨脹率o 坍落度經(jīng)時(shí)損失會(huì)明顯增加坍落度經(jīng)時(shí)損失會(huì)明顯增加o 緩凝劑會(huì)降低限制膨脹率緩凝劑會(huì)降低限制膨脹率o 膨脹劑拌合不勻，局部產(chǎn)生過(guò)量膨脹，也膨脹劑拌合不勻，局部產(chǎn)生過(guò)量膨脹，也會(huì)引起開(kāi)裂會(huì)引起開(kāi)裂補(bǔ)償收縮混凝土補(bǔ)償收縮混凝土補(bǔ)償收縮混凝土補(bǔ)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(yàn)，有嚴(yán)格的工法

18、和操作條例2）施工前必須對(duì)所用補(bǔ)償收縮混凝土的性能進(jìn)行專門(mén)的檢驗(yàn)： 測(cè)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(duì)其性能的影響?；炷潦┕さ臏囟瓤刂婆c潮濕養(yǎng)護(hù)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(yàn)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(shí)的開(kāi)裂。 設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)結(jié)合混凝土配比、結(jié)構(gòu)尺設(shè)計(jì)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、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)的具體條件，對(duì)凝土攪拌、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)的具體條件，對(duì)構(gòu)件中的混凝土水化熱溫升、降溫過(guò)程以及內(nèi)構(gòu)件中的混凝土

19、水化熱溫升、降溫過(guò)程以及內(nèi)部溫差進(jìn)行估計(jì)，在溫度計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)溫部溫差進(jìn)行估計(jì)，在溫度計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行估計(jì)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)提出具體溫度控度應(yīng)力進(jìn)行估計(jì)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)提出具體溫度控制指標(biāo)。制指標(biāo)。 溫度控制溫度控制溫度控制指標(biāo)溫度控制指標(biāo)a a、澆筑溫度澆筑溫度 澆筑溫度應(yīng)不高于澆筑溫度應(yīng)不高于2525。熱天施工時(shí)如難于達(dá)。熱天施工時(shí)如難于達(dá)到，也不宜高于到，也不宜高于3232；并應(yīng)同時(shí)調(diào)整混凝土配合比，；并應(yīng)同時(shí)調(diào)整混凝土配合比，降低水泥用量以減小水化放熱量。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

20、，進(jìn)一步加速水化反應(yīng)。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)入模溫度為同樣配比混凝土當(dāng)入模溫度為1010時(shí)，時(shí)，2424小時(shí)小時(shí)后升到后升到3030；當(dāng)入模溫度為；當(dāng)入模溫度為2020時(shí)，時(shí)，2020小時(shí)后升到小時(shí)后升到5555；即入模溫度相差；即入模溫度相差1010可使最大溫升差可使最大溫升差2525。溫度控制指標(biāo)溫度控制指標(biāo)b b、最高溫度最高溫度 混凝土澆筑后的最高溫度一般不超過(guò)混凝土澆筑后的最高溫度一般不超過(guò)7575。 c c、最大溫差最大溫差 混凝土內(nèi)部和表面的溫差一般不應(yīng)超過(guò)混凝土內(nèi)部和表面的溫差一般不應(yīng)超過(guò)2525?；炷帘砻鏈囟扰c大氣溫度的差別也不應(yīng)超過(guò)混凝土表面溫度與大氣溫度的差別也不應(yīng)超過(guò)2525，混凝土表面與養(yǎng)護(hù)水的溫差不超過(guò)，混凝土表面與養(yǎng)護(hù)水的溫差不超過(guò)151