高性能混凝土的開(kāi)裂與變形

《高性能混凝土試驗(yàn)與檢測(cè)》TestandMeasuringonHighPerformanceConcrete土木工程檢測(cè)技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)

學(xué)習(xí)情境3：高性能混凝土的開(kāi)裂與變形29.1概述1概述外觀感覺(jué)?íì裂縫過(guò)寬：鋼筋銹蝕導(dǎo)致承載力降低，影響使用壽命耐久性—心理承受：不安全感，振動(dòng)噪聲對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響：門(mén)窗開(kāi)關(guān)，隔墻開(kāi)裂等振動(dòng)、變形過(guò)大對(duì)其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響???????íì影響正常使用：如吊車(chē)、精密儀器適用性—承載能力極限狀態(tài)安全性—?????????????????íì—結(jié)構(gòu)的功能高性能混凝土的裂縫與變形31.產(chǎn)生裂縫的原因◆

混凝土結(jié)構(gòu)中存在拉應(yīng)力是產(chǎn)生裂縫的必要條件?！舫奢d作用外，結(jié)構(gòu)的不均勻沉降、收縮、溫度變化，以及在混凝土凝結(jié)、硬化階段等都會(huì)引起拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。◆結(jié)構(gòu)中主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土（當(dāng)時(shí)）的抗拉強(qiáng)度時(shí)，并不立即產(chǎn)生裂縫，而是當(dāng)拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變etu時(shí)才出現(xiàn)裂縫?！粲不蟮幕炷翗O限拉應(yīng)變etu約為150×10-6，即10m長(zhǎng)的構(gòu)件，產(chǎn)生1.5mm的很小受拉變形即會(huì)產(chǎn)生裂縫。◆由于混凝土材料的不均勻性，裂縫首先在強(qiáng)度最小的位置發(fā)生。裂縫發(fā)生前瞬間的應(yīng)變分布會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變集中。◆不同齡期的混凝土，其裂縫斷面狀況有較大差別。齡期很短的混凝土，裂縫斷面較為光滑，兩裂縫不能完全閉合。而充分硬化后的混凝土，裂縫斷面則呈不規(guī)則較為鋒銳狀態(tài)，兩斷面可以閉合。459.2產(chǎn)生裂縫的原因一、材料原因水泥異常凝結(jié)引起的裂縫受風(fēng)化的水泥，其品質(zhì)很不安定?；炷翝仓筮_(dá)到一定強(qiáng)度前，在凝結(jié)硬化階段會(huì)產(chǎn)生如圖所示的短小的不規(guī)則裂縫。隨著水泥品質(zhì)的改善，這種裂縫目前較少見(jiàn)到。1、水泥方面6水泥水化熱水泥用量在300kg/m3左右時(shí)，溫度上升為30~40℃左右。7①②③④

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部因水化熱產(chǎn)生蓄熱的同時(shí)，構(gòu)件表面還產(chǎn)生放熱，使得構(gòu)件溫度經(jīng)上升后再下降。構(gòu)件的最小尺寸大于800mm時(shí)，通?？烧J(rèn)為是大體積混凝土。對(duì)于大體積混凝土，內(nèi)部溫度較大，構(gòu)件外周溫度較低，內(nèi)外溫差很大，引起內(nèi)外混凝土膨脹變形差異。內(nèi)部混凝土膨脹受到外部混凝土的變形約束，而使構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫。這種裂縫在構(gòu)件表面通常呈直交狀況。9

大型構(gòu)件與小尺寸構(gòu)件共同組成的結(jié)構(gòu)（如基礎(chǔ)梁與薄墻板、大尺寸梁與薄樓板等），以及梁柱框架結(jié)構(gòu)中均可能因溫差的影響產(chǎn)生裂縫。102、骨料方面11混凝土下沉和泌水

混凝土澆筑后，在凝結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生下沉和泌水，下沉量約為澆筑高度的1%。當(dāng)下沉受到鋼筋或周?chē)炷恋募s束也會(huì)產(chǎn)生裂縫。12二、施工原因(a)材料混合不均勻(b)長(zhǎng)時(shí)間攪拌(c)快速澆筑(d)先后澆筑時(shí)差過(guò)長(zhǎng)混合材料不均勻：由于攪拌不均勻，材料的膨脹性和收縮的差異，引起局部的一些裂縫。長(zhǎng)時(shí)間攪拌：混凝土運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間攪拌突然停止后很快硬化產(chǎn)生的異常凝結(jié)，引起網(wǎng)狀裂縫。13(a)材料混合不均勻(b)長(zhǎng)時(shí)間攪拌(c)快速澆筑(d)先后澆筑時(shí)差過(guò)長(zhǎng)澆筑速度過(guò)快：當(dāng)構(gòu)件高度較大，如一次快速澆筑混凝土，因下部混凝土尚未充分硬化，產(chǎn)生下沉，引起裂縫。交接縫：澆筑先后時(shí)差過(guò)長(zhǎng)，先澆筑的混凝土已硬化，導(dǎo)致交接縫混凝土不連續(xù)，這是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的起始位置，將成為結(jié)構(gòu)承載力和耐久性的缺陷。二、施工原因14(e)模板變形(f)支撐下沉(g)支撐下沉15三、荷載產(chǎn)生的裂縫16五、溫度裂縫四、收縮裂縫(a)

墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形結(jié)構(gòu)干燥收縮變形溫度裂縫(b)

結(jié)構(gòu)干燥收縮變形與墻板裂縫17六、不均勻沉降產(chǎn)生裂縫18(a)混凝土開(kāi)裂七、鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫(b)水、CO2侵入(c)開(kāi)始銹蝕19七、鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫使鋼筋產(chǎn)生銹蝕的原因有：骨料中含氯化鹽；外部進(jìn)入氯化鹽；混凝土碳化；保護(hù)層不足；過(guò)大的裂縫寬度。鋼筋銹蝕產(chǎn)生體積膨脹可達(dá)原體積的數(shù)倍，使鋼筋位置處的混凝土受到內(nèi)壓力而產(chǎn)生裂縫，并隨之剝落。這種裂縫沿鋼筋方向發(fā)展，且隨著銹蝕的發(fā)展混凝土剝離產(chǎn)生空隙，這可從敲擊產(chǎn)生的空洞聲得到判別。(d)鋼筋體積膨脹20碳化引起的銹蝕氯離子引起的銹蝕21鋼筋阻銹劑形成保護(hù)膜在陽(yáng)極，保護(hù)膜阻止鐵離子的流失在陰極，保護(hù)膜形成對(duì)氧的屏障22八、凍結(jié)溶解產(chǎn)生的裂縫反復(fù)凍融產(chǎn)生的裂縫23五、影響裂縫寬度的主要因素

裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力成正比，為了控制裂縫寬度，在普通鋼筋混凝土構(gòu)件中，不宜采用高強(qiáng)鋼筋。帶肋鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力比光面鋼筋大得多，為減小裂縫寬度應(yīng)盡可能采用帶肋鋼筋。在相同截面面積時(shí)，直徑細(xì)的鋼筋有更多的外表面，這有利于提高與混凝土的粘結(jié)，減小裂縫寬度。因此，在施工允許的條件下，可采用直徑較細(xì)的鋼筋作為受拉鋼筋。保護(hù)層越厚，鋼筋對(duì)外邊緣混凝土收縮變形的約束越小，裂縫寬度就越大，故不宜采用過(guò)厚的保護(hù)層。采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是減少裂縫寬度的最有效辦法。242.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性◆混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)能在自然和人為環(huán)境的化學(xué)和物理作用下，滿足在規(guī)定的設(shè)計(jì)工作壽命內(nèi)不出現(xiàn)無(wú)法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等的耐久性要求。◆耐久性是指結(jié)構(gòu)在預(yù)定設(shè)計(jì)工作壽命期內(nèi)，在正常維護(hù)條件下，不需要進(jìn)行大修和加固滿足，而滿足正常使用和安全功能要求的能力。◆對(duì)于一般建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工作壽命為50年，重要的建筑物可取100年?！艚陙?lái)，隨著建筑市場(chǎng)化的發(fā)展，業(yè)主也可以對(duì)建筑的壽命提出更高要求。對(duì)于其它土木工程結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能要求，設(shè)計(jì)工作壽命也有差別，如橋梁工程一般要求在100年以上。25

世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的工程建設(shè)大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段：⑴大規(guī)模建設(shè)；⑵新建與改建、維修并重；⑶重點(diǎn)轉(zhuǎn)向既有建筑物的維修改造。目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家處于第三階段，結(jié)構(gòu)因耐久性不足而失效，或?yàn)楸ＷC繼續(xù)正常使用而付出巨大維修代價(jià)，這使得耐久性問(wèn)題變得十分重要。我國(guó)50年代開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)的工程項(xiàng)目，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都較低，除一些重要的工程項(xiàng)目目前需要繼續(xù)維持其使用外，其它大部分工程已達(dá)到其使用壽命。我國(guó)真正進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)是在改革開(kāi)放以后，因此國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在耐久性上所遇到的問(wèn)題應(yīng)引起我國(guó)工程技術(shù)人員的足夠重視，避免重蹈發(fā)達(dá)國(guó)家的覆轍，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大浪費(fèi)。26碳化一、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素內(nèi)部因素：混凝土強(qiáng)度滲透性保護(hù)層厚度水泥品種標(biāo)號(hào)和用量外加劑等外部因素：環(huán)境溫度濕度

CO2含量侵蝕性介質(zhì)等271、混凝土的凍融破壞◆

混凝土水化結(jié)硬后，內(nèi)部有很多毛細(xì)孔。在澆筑混凝土?xí)r，為得到必要的和易性，往往會(huì)比水泥水化所需要的水多些。◆

多余的水份滯留在混凝土毛細(xì)孔中。低溫時(shí)水份因結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。◆反復(fù)凍融多次，就會(huì)使混凝土的損傷累積達(dá)到一定程度而引起結(jié)構(gòu)破壞?！舴乐够炷羶鋈谄茐牡闹饕胧┦墙档退冶?，減少混凝土中多余的水份?！舳臼┕r(shí)，應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止早期受凍，并摻入防凍劑等。282、混凝土的堿集料反應(yīng)◆混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)稱為堿集料反應(yīng)?！魤A集料反應(yīng)產(chǎn)生的堿-硅酸鹽凝膠，吸水后會(huì)產(chǎn)生膨脹，體積可增大3~4倍，從而混凝土的剝落、開(kāi)裂、強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致破壞。◆引起堿集料反應(yīng)有三個(gè)條件：⑴混凝土的凝膠中有堿性物質(zhì)。這種堿性物質(zhì)主要來(lái)自于水泥，若水泥中的含堿量（Na2O，K2O）大于0.6%以上時(shí)，則會(huì)很快析出到水溶液中，遇到活性骨料則會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)；⑵骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃質(zhì)火山石、安山石等含SiO2的骨料；⑶水分。堿骨料反應(yīng)的充分條件是有水分，在干燥環(huán)境下很難發(fā)生堿骨料反應(yīng)。293、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕⑴硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏和硫鋁酸鈣，產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土破壞。硫酸鹽除在一些化工企業(yè)存在外，海水及一些土壤中也存在。當(dāng)硫酸鹽的濃度（以SO2的含量表示）達(dá)到2‰時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。⑵酸腐蝕：混凝土是堿性材料，遇到酸性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生裂縫、脫落，并導(dǎo)致破壞。酸不僅存在于化工企業(yè)，在地下水，特別是沼澤地區(qū)或泥炭地區(qū)廣泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植質(zhì)也呈酸性，對(duì)混凝土有腐蝕作用。⑶海水腐蝕：在海港、近海結(jié)構(gòu)中的混凝土構(gòu)筑物，經(jīng)常收到海水的侵蝕。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸鎂對(duì)混凝土有較強(qiáng)的腐蝕作用。在海岸飛濺區(qū)，受到干濕的物理作用，也有利于Cl-和SO4的滲入，極易造成鋼筋銹蝕。304、混凝土的碳化◆混凝土中堿性物質(zhì)（Ca(OH)2）使混凝土內(nèi)的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地保護(hù)鋼筋，防止鋼筋銹蝕?！舻捎诖髿庵械亩趸迹–O2）與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低。其他物質(zhì)，如SO2、H2S，也能與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生類似的反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化?！舢?dāng)混凝土保護(hù)層被碳化到鋼筋表面時(shí)，將破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋的銹蝕。此外，碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，可導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂。◆因此，混凝土的碳化是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要問(wèn)題?！艋炷恋奶蓟瘡臉?gòu)件表面開(kāi)始向內(nèi)發(fā)展，到保護(hù)層完全碳化，所需要的時(shí)間與碳化速度、混凝土保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)性以及覆蓋層情況等因素有關(guān)。31[1]

環(huán)境因素◆碳化速度主要取決于空氣中的CO2濃度和向混凝土中的擴(kuò)散速度?？諝庵械腃O2濃度大，混凝土內(nèi)外CO2濃度梯度也愈大，因而CO2向混凝土內(nèi)的滲透速度快，碳化反應(yīng)也快?！艨諝鉂穸群蜏囟葘?duì)碳化反應(yīng)速度有較大影響。因?yàn)樘蓟磻?yīng)要產(chǎn)生水份向外擴(kuò)散，濕度越大，水份擴(kuò)散越慢。當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于80%，碳化反應(yīng)的附加水份幾乎無(wú)法向外擴(kuò)散，使碳化反應(yīng)大大降低?！舳跇O干燥環(huán)境下，空氣中的CO2無(wú)法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反應(yīng)也無(wú)法進(jìn)行?！粼囼?yàn)表明，當(dāng)混凝土周?chē)橘|(zhì)的相對(duì)濕度為50%~75%時(shí)，混凝土碳化速度最快。環(huán)境溫度越高，碳化的化學(xué)反應(yīng)速度越快，且CO2向混凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度也越快。32[2]

材料因素◆水泥是混凝土中最活躍的成分，其品種和用量決定了單位體積中可碳化物質(zhì)的含量，因而對(duì)混凝土碳化有重要影響。◆單位體積中水泥的用量越多，會(huì)提高混凝土的強(qiáng)度，又會(huì)提高混凝土的抗碳化性能?！羲冶纫彩怯绊懱蓟闹饕蛩?。在水泥用量不變的條件下，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率也越大，密實(shí)性就越差，CO2的滲入速度越快，因而碳化的速度也越快?！羲冶却髸?huì)使混凝土孔隙中游離水增多，有利于碳化反應(yīng)?！艋炷林型饧訐胶狭虾凸橇掀贩N對(duì)碳化也有一定的影響。33[3]

施工養(yǎng)護(hù)條件

混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件影響混凝土的密實(shí)性，因而對(duì)碳化有較大影響。此外，養(yǎng)護(hù)方法與齡期對(duì)水泥的水化程度有影響，進(jìn)而影響混凝土的碳化。所以保證混凝土施工質(zhì)量對(duì)提高混凝土的抗碳化性能十分重要。[4]

覆蓋層不同飾面材料的碳化深度比34◆當(dāng)混凝土未碳化時(shí)，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學(xué)過(guò)程?！舢?dāng)混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會(huì)發(fā)生銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)?！翡摻钿P蝕產(chǎn)生的鐵銹（氫氧化亞鐵Fe(OH)3），體積比鐵增加2~6倍，保護(hù)層被擠裂，使空氣中的水份更易進(jìn)入，促使銹蝕加快發(fā)展?！粞鯕夂退菔卿摻钿P蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能?！舢?dāng)構(gòu)件使用環(huán)境很干燥（濕度<40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。5、鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問(wèn)題。35◆而裂縫的發(fā)生為氧氣和水份的浸入創(chuàng)造了條件，同時(shí)也使混凝土的碳化形成立體發(fā)展?！舻陙?lái)的研究發(fā)現(xiàn)，銹蝕程度與荷載產(chǎn)生的橫向裂縫寬度無(wú)明顯關(guān)系，在一般大氣環(huán)境下，裂縫寬度即便達(dá)到0.3mm，也只是在裂縫處產(chǎn)生銹點(diǎn)?！暨@是由于鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過(guò)混凝土保護(hù)層向鋼筋表面的陰極的擴(kuò)散速度，而這種擴(kuò)散速度主要取決于混凝土的密實(shí)度?！袅芽p的出現(xiàn)僅是使裂縫處鋼筋局部脫鈍，使銹蝕過(guò)程得以開(kāi)始，但它對(duì)銹蝕速度不起控制作用?！粢虼?，防止鋼筋銹蝕最重要的措施是在增加混凝土的密實(shí)性和混凝土的保護(hù)層厚度。36

鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個(gè)別點(diǎn)的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時(shí)向裂縫兩邊擴(kuò)展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴(yán)重銹蝕時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沿鋼筋長(zhǎng)度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落，習(xí)稱“暴筋”，從而導(dǎo)致截面承載力下降，直至最終引起結(jié)構(gòu)破壞。面積減小屈服強(qiáng)度降低粘結(jié)力降低除增加混凝土的密實(shí)度和保護(hù)層厚度外，采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋等措施來(lái)防止鋼筋的銹蝕。3738二、結(jié)構(gòu)工作環(huán)境類別◆混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與結(jié)構(gòu)工作的環(huán)境有密切關(guān)系。◆同一結(jié)構(gòu)在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中要比一般大氣環(huán)境中的使用壽命短?！魧?duì)于不同環(huán)境，可以采取不同措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)使用壽命。◆如在惡劣環(huán)境，一味增加混凝土保護(hù)層是不經(jīng)濟(jì)的，效果也不一定好?？稍跇?gòu)件表面采用防護(hù)涂層。39三、耐久性極限狀態(tài)與耐久性設(shè)計(jì)◆混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)，是指經(jīng)過(guò)一定使用年限后，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)某一部分達(dá)到或超過(guò)某種特定狀態(tài)，以致結(jié)構(gòu)不能滿足預(yù)定功能的要求?！舻?jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修補(bǔ)、維修，費(fèi)用不大，可恢復(fù)使用要求的情況，可以認(rèn)為沒(méi)有達(dá)到耐久性極限狀態(tài)?！糁挥挟?dāng)嚴(yán)重超出正常維修費(fèi)允許范圍時(shí)，結(jié)構(gòu)的使用壽命才終止。

[1]

對(duì)于不允許鋼筋銹蝕的構(gòu)件和環(huán)境，混凝土保護(hù)層完全碳化，即鋼筋脫鈍的時(shí)間T1。不允許鋼筋銹蝕的構(gòu)件和環(huán)境有：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件；低溫環(huán)境；反復(fù)荷載作用；塑性鉸區(qū)；采用鋼絲作主要受力鋼筋的構(gòu)件；重要的、有紀(jì)念性的建筑物。40四、保證耐久性的措施[1]最小保護(hù)層厚度：◆為保證耐久性和鋼筋的粘結(jié)力，對(duì)一、二、三類環(huán)境一般