超长混凝土结构收缩裂缝控制的研究(可编辑)

超长混凝土结构收缩裂缝控制的研究(可编辑) 超长混凝土结构收缩裂缝控制的研究 超长混凝土结构收缩裂缝控制研究 Research on Control of Shrinkage Cracks in Super-long Concrete Structure 学科专业:结构工程 研 究 生:彭 全 敏 指导教师:王铁成 教授 天津大学建筑工程学院 二零一二年五月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 中文摘要 目前,混凝土结构因荷载和温度引起的裂缝可利用较成熟的理论得到有 效控制,而收缩引起的裂缝在工程实践中屡见不鲜,威胁到混凝土结构的耐久性, 甚至适用性、安全性。尤其是超长混凝土结构壁厚较薄时,收缩更是混凝土开裂 的主要诱因。 本文针对超长混凝土结构收缩裂缝问题,对双掺粉煤灰、矿粉混凝土进行了 收缩试验研究、干缩预测模型研究、试件及钢筋混凝土结构的收缩有限元模拟。 具体研究工作如下: 通过自然环境下不同配合比的混凝土自由收缩试验,分析粉煤灰、矿粉、膨 胀剂和纤维对混凝土收缩性能的影响。试验结果表明:粉煤灰对混凝土收缩的抑 制效果显著,矿粉抑制作用不明显,存在昀佳掺量;单掺或者双掺膨胀剂和聚丙 烯纤维均可有效抑制混凝土收缩,双掺时减缩效果昀佳,单掺UEA膨胀剂的效果 其次,单掺聚丙烯纤维的效果有限。 采用既有混凝土干缩预测模型,计算不含膨胀剂或纤维的混凝土试件的干缩 应变,计算值与实测值的比较表明,既有模型不能较好地反映粉煤灰和矿粉掺量 对混凝土干缩的影响。在对既有模型分析、校正的基础上,根据早期试验结果提 出了考虑粉煤灰和矿粉掺量影响的混凝土干缩模型,模型预测精度较高。 基于非线性湿扩散理论,采用ANSYS软件,对不含膨胀剂或纤维的混凝土试 件进行有限元模拟和计算参数反演。模拟结果表明:混凝土干燥时,试件表面湿 度梯度大于内部,试件表面湿度小于内部,且各处湿度随时间逐渐减小;环境湿 度对混凝土收缩的影响较显著,湿养护时间对短期收缩有影响,对长期收缩几乎 无影响。参数反演结果表明:混凝土收缩对饱和状态下的湿扩散系数不敏感, CEB-FIP 1990模式建议的湿扩散系数模型合理可行。 利用试验有限元模拟反演得出的计算参数,对超长井口槽结构进行有限元模 拟,探讨优化混凝土配合比及设置混凝土后浇带对结构湿度场和收缩裂缝的 影 响。分析结果表明,优化混凝土配合比可减缓混凝土内部湿度扩散,明显推迟 裂 缝出现时间及结构大面积开裂的时间,抗裂效果显著。后浇带的设置仅影响 后浇 带处局部区域的湿度场,略微推迟裂缝出现时间或开裂面积,抗裂效果不如 优化 混凝土配合比明显。 关键词: 超长结构;粉煤灰;矿粉;收缩;开裂;有限元模拟 ABSTRACT At present, the cracks in concrete structures due to load or temperature variation have been efficiently controlled, attributed to well-established design theoriesHowever, cracks due to conrete shrinkage always arise in many engineering structures, which threaten the durability of the structures even the serviceability and safetyConcrete shrinkage is the most important inducement to cracks for the super-long structures with thin-wall Focusing on the concrete cracking due to shrinkage in super-long structures, free shrinkage tests of concrete blended with fly ash and slag are conducted, analysis of drying shrinkage prediction models and finite elment simulation for specimens and the super-long reinforced concrete strucrue are performed in this reseach. The detailed work is stated as follows: According to the shrinkage tests of concrete blended with fly ash and ground granulated blast furnace slag in natural environments, the effects of fly ash content and slag content on concrete shrinkage were investigated. It is shown that the shrinkage decreases as the fly ash content heightens whereas the influence of slag content on shrinkage is unobvious from the results. Incorporating the expansive additive or the polypropylene fiber can also decrease the shrinkage. The effect of binary mixture on shrinkage reducing is the most efficient. The expansive additive used individually reduces shrinkage more than the polypropylene fiber individually, but reduces little than those used in combinationThe national and overseas prediction models have been applied to calculate the drying shrinkage for the specimens without the expansive additive or the polypropylene fiber. It is shown that none of the shrinkage prediction models adequately reproduces the observed shrinkage behaviour of concrete made with fly ash and slag from the comparison between the tests and the calculation. According to the short-term experimental data, a new prediction model contaning the effect of fly ash and slag is established by calibrating and modifying the existing shrinkage modelsThe predicted shrinkage strains from the proposed model agree well with the measuredOn the basis of the nonlinear moisture diffusion theory, the finite element modeling of shrinkage tests and inverse analysis of related calculation parameters forthe concrete without the expansive additive or the fiber are conducted by ANSYS. It is shown that the humidity gradient of outer region is more than that of inner region in concrete during drying from the simulation results. However the relative humidity of outer region is less than that of inner and they gradually decreases with drying time everywhere. The environmental humidity significantly influences the shrinkage evolution while the period of moisture curing influences the short-term shrinkage onlyIt is shown that the drying shrinkage is insensitive to the imum of the diffusion coefficient and the suggestion on the diffusion coefficient in the CEB-FIP 1990 Model Code is practicable and reliable from the inverse analysis resultsThe finite element modeling of the super-long wellhead structure is performed used the identified parameters values. The influences of the optimization of mix proportion as well as the setting of post-casting strip on the moisture field and shrinkage-induced cracks in the wellhead structure are discussed. The results show that the cracking time can be significantly delayed by the optimization of mix proportion due to the slower moisture diffusion, but post-casting strip can slightly delayed the cracking time or reduce the cracking area for it influences the moisture field around the strip only. The effect of cracking resistance by the post-casting strip is smaller than by the optimization of mix proportion KEY WORDS:super-long structure; fly ash; slag; shrinkage; cracking; finite element modeling 目 录 第一章 绪论..1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 混凝土结构裂缝种类..2 1.3 超长混凝土结构的定义和特点.3 1.3.1 超长混凝土结构的定义3 1.3.2 超长混凝土结构的特点4 1.4 超长混凝土结构的收缩开裂机理4 1.4.1 混凝土收缩的机理和种类..5 1.4.2 混凝土收缩的影响因素6 1.4.3 收缩应力与开裂机理.8 1.5 超长混凝土结构收缩研究现状.9 1.5.1 混凝土收缩抗裂性能研究..9 1.5.2 混凝土内部湿度场研究.16 1.5.3 混凝土收缩应变、应力及开裂研究..20 1.6 本文主要研究内容.25 第二章 混凝土自由收缩试验..27 2.1 试验与设计..27 2.1.1 试验规划.27 2.1.2 混凝土配合比设计27 2.1.3 试验原材料28 2.1.4 试验设备与仪器.30 2.2 收缩试验方法与步骤30 2.2.1 试件制备.30 2.2.2 收缩试验方法..31 2.2.3 混凝土收缩率的计算与处理..32 2.3 混凝土立方体抗压强度试验结果与分析.32 2.3.1 粉煤灰、矿粉对立方体抗压强度的影响32 2.3.2 纤维、膨胀剂对立方体抗压强度的影响33 - i -2.4 混凝土收缩试验结果与分析34 2.4.1 粉煤灰掺量对混凝土收缩的影响35 2.4.2 矿粉掺量对混凝土收缩的影响.36 2.4.3 纤维、膨胀剂对混凝土收缩的影响..37 2.4.4 环境温湿度对混凝土收缩的影响39 2.5 本章小结..40 第三章 混凝土干燥收缩预测模型.41 3.1 国内外干燥收缩预测模型.41 3.1.1 美国ACI 209模型.41 3.1.2 Bazant B3 模型.42 3.1.3 CEB-FIP 90 模型.43 3.1.4 英国BS5400模型..44 3.1.5 GL2000 模型..44 3.1.6 日本JSCE模型.45 3.1.7 中国建筑科学研究院模型46 3.1.8 王铁梦模型47 3.2 干燥收缩预测模型比较分析47 3.2.1 基本表达式47 3.2.2 各模型考虑的影响因素.48 3.2.3 既有干燥收缩模型计算值与试验实测值对比.51 3.3 考虑粉煤灰、矿粉掺量的干缩预测模型.57 3.3.1 时间进程函数的校正..58 3.3.2 预计收缩终值及其方程的改进.60 3.3.3 建议模型及其检验62 3.4 本章小结..65 第四章 混凝土自由收缩试验有限元模拟67 4.1 多孔介质湿度场及收缩应变场理论67 4.1.1 湿度场微分控制方程..67 4.1.2 湿度场边值条件.69 4.1.3 湿度场的相关计算参数.70 4.1.4 湿度场的有限元求解格式72 4.1.5 收缩应变与湿度的关系.73 4.1.6 混凝土湿度场与温度场对比..73 - ii -4.2 混凝土收缩计算参数反演.75 4.2.1 反向分析方法..75 4.2.2 基于ANSYS的优化分析76 4.3 混凝土收缩试验的有限元分析..77 4.3.1 计算参数的选择及基本假定..77 4.3.2 混凝土收缩有限元模型.78 4.3.3 反向分析..80 4.3.4 参数反演结果分析与讨论81 4.3.5 湿度场数值分析结果与讨论..86 4.4 本章小结..91 第五章 钢筋混凝土井口槽收缩有限元模拟..92 5.1 钢筋混凝土井口槽的有限元模型.92 5.1.1 井口槽概况92 5.1.2 单元94 5.1.3 混凝土材料破坏准则..96 5.1.4 混凝土和钢筋的本构关系96 5.1.5 边界条件.99 5.2 原配合比与优化配合比条件下的有限元结果分析.100 5.2.1 湿度场计算结果与分析..101 5.2.2 结构计算结果与分析107 5.3 后浇带对井口槽结构的影响. 117 5.3.1 湿度场计算结果与分析117 5.3.2 结构计算结果与分析123 5.4 本章小结131 第六章 结论与展望133 6.1 结论..133 6.2 展望..135 参考文献.136 发表论文和科研情况说明..146 致 谢.147 - ii - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 作为主要建筑材料的混凝土,因其抗拉强度较低、极限拉伸变形小的弱点, 在施工和使用过程中极易产生裂缝。混凝土结构一旦产生裂缝,就会失去抵 御有 害介质侵蚀的第一道防线,进而加剧钢筋锈蚀和混凝土的碳化、冻融破坏等 程度, 威胁结构物的耐久性和使用寿命,影响结构物的功能使用,甚至降低承载力 致使 结构失效。 混凝土结构裂缝按其产生的原因可分为荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。外荷 载作用产生的荷载裂缝可通过较成熟的结构设计理论来避免和控制,因此荷载裂 缝约占总裂缝的 20%,而由不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩等引起的非荷载 [1] 裂缝约占 80% ,其产生的直接原因是,混凝土自身或结构变形受到约束而产生 的拉应力(拉应变)超出了该龄期混凝土材料本身所能承受的极限抗拉强度(极 限拉应变)。国内外对混凝土结构温度应力的研究相对于收缩应力研究起步较早, [2] 始于上世纪 30 年代中期美国修建的鲍尔德坝现改称为胡佛坝 ,时至今日混 凝土结构温度场、温度应力场的分析和温控设计方法发展较成熟,因此在非荷载 [1,3] 裂缝中,因混凝土收缩变形产生的裂缝占绝大多数 。 影响混凝土收缩开裂的因素主要有材料刚度、韧性、收缩率、收缩量、徐变 松弛和约束程度等。现代建筑采用的商品混凝土为满足流动性大、工作性能好、 节能减排的要求,在配合比中适当减小抵抗收缩变形的粗骨料用量,增大了水泥 和细骨料用量,同时掺入各种超细矿物掺合料和高效减水剂,这些使混凝土的收 缩裂缝控制问题更加复杂,尤其是早期收缩开裂问题已经成为当代混凝土结构工 程的普遍问题。此外,随着社会经济的发展和城市建设的不断深入,建筑物的形 式更趋复杂化和多样化,为满足各种不同功能需求而设计的超长结构也越来越 多。例如:北京首都国际机场的新航站楼平面呈工字形,地下室南北长 747.5m, 东西翼宽 342.9m,停车楼呈矩形,地下 4 层地上 1 层,南北长为 263.9m,东西 宽为 134.9m;福州长乐国际机场航站楼的地下室为 348m~36m,地上 1~3层长 204~141m;广州国展中心主展厅为二层结构分 5个单元, 每单元平面尺寸为 1560mx86. 0m;深圳彩虹城大厦,地下 2层地上 4层南北长 158. 6m,东西宽 29. 6m。 - 1 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论由于混凝土的收缩变形与结构长 度呈正比关系,对于超长混凝土结构收缩裂缝更 是占据主要部分,在超长结构物中引起的早期收缩开裂问题更为突出,使得收缩 开裂成为超长结构面临的主要问题急待解决。 《混凝土结构》规定,当混凝土的收缩、徐变以及温度变化等间接 作用在结构中产生的作用效应可能危及结构的安全或正常使用时,宜进行间接作 [4] 用分析,并应采取相应的构造措施和施工措施 。然而,引起混凝土收缩、开裂 的原因错综复杂且具有较多的不确定性,目前没有较成熟完备的设计理论和计算 方法去预测控制,仅仅依靠经验从设计、施工方面采取相关的措施来避免,往往 又会由于各种人为的或者材料、环境等客观的原因,导致收缩裂缝难以有效地预 防和控制。 因此开展内掺矿物掺合料混凝土的收缩性能、收缩机理研究,提出收缩预测 模型,并依据相关理论针对具体的工程结构进行收缩变形预测和收缩应力分析, 因地制宜地提出科学有效的应对方案,对收缩裂缝的研究和控制愈显重要,对提 高混凝土结构的安全性、适用性和耐久性具有较大的理论与实际意义。 1.2 混凝土结构裂缝种类 混凝土结构在施工过程和使用过程中出现不同程度不同形式的裂缝是一个 相当普遍的现象。按其宽度分类,裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。一般把宽度 小于 0.05mm 的裂缝称为微观裂缝,大于等于 0.05mm 的裂缝称为宏观裂缝,宏 观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般工业和民用建筑中,宽度小于 0.05mm的裂 缝对结构的使用性能一般无任何不利影响,所谓的“裂缝控制”都是针对肉眼可 [1,3,5] 见的宏观裂缝 。按其产生的原因分类,裂缝有两大类:外荷载作用引起的荷 载裂缝及变形引起的非荷载裂缝。工程实践中的许多裂缝现象往往无法用荷载原 因解释,而是变形作用引起的非荷载裂缝。非荷载裂缝可划分为以下几种典型类 [1] 型 : 1塑性塌落裂缝(也称沉降裂缝):出现在混凝土浇筑时或浇筑成型后,在 初凝前由于混凝土自身沉降收缩所致。所谓沉降收缩是指混凝土浇筑后因原材料 相对密度差异,在重力或其他外力(振动)作用下,骨料下沉,水泥浆上升,产 生泌水的过程。 2塑性收缩裂缝:混凝土浇筑之后,硬化之前由于自身塑性收缩导致的裂 缝。其产生的关键原因在于混凝土表面干燥速度远大于内部,面层混凝土迅速失 水结硬收缩大,变形受到内部混凝土约束产生拉应力从而导致开裂。这种裂缝在 体表比小的板式结构中昀为普遍,天气炎热、蒸发量大、大风或混凝土水化热高 - 2 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论等条件下极易发生。 3干燥收缩裂缝:混凝土干燥收缩变形导致的裂缝。干燥收缩变形是混凝 土凝结硬化后由于含水孔隙失水导致的体积收缩,混凝土内部和环境之间存在的 湿度梯度是水分迁移的驱动力。普通混凝土通常半个月内可完成收缩终值的 10%~25%,3 个月完成 50%~60%,1 年完成 75%~80%,因此混凝土结构的干燥 收缩裂缝通常在 1年左右出现。干燥收缩裂缝有两种形式:不规则的龟纹状或放 射状裂缝以及每隔一段距离出现一条裂缝。这种干燥收缩裂缝多出现在纵长结 构,表体比较大的结构以及结构的变截面部位。 4自收缩裂缝:由混凝土自收缩变形引起,在混凝土体内均匀发生的裂缝。 自收缩是指混凝土在不与外界发生水分交换条件下产生的收缩变形,在高强 混凝 土中表现尤为突出,它不同于混凝土的化学收缩但与化学收缩密切相关。自收缩 发展速度快,通常几天后就达到稳定。当混凝土处于塑性状态时,自收缩不会对 混凝土结构造成危害;但当混凝土凝结硬化后,自收缩变形受到约束将导致微裂 缝产生。 5温度变形裂缝:混凝土结构或构件因温度变化产生的热胀冷缩变形受到 约束时,将在混凝土内部产生温度应力,当温度应力产生的拉应力大于混凝土抗 拉强度时,混凝土产生温度变形裂缝。产生温度变形的热源来自于环境因素(气 温、太阳辐射)或混凝土材料本身(水泥的水化热)。 6沉降裂缝;由于地基沉降不均匀引起的裂缝。 7其他:如冻融裂缝、钢筋锈蚀裂缝、化学反应膨胀裂缝等。 荷载裂缝不可避免,混凝土结构构件一般依靠配筋计算来控制裂缝宽度;塑 性塌落裂缝和塑性收缩裂缝属于塑态裂缝,发生在混凝土终凝之前,一般在施工 中振捣和养护良好的情况下可以避免,即使一旦出现,采用二次抹压或二次浇灌 加以平整即可;干燥收缩裂缝和自收缩裂缝一般统称为收缩裂缝,它们与温 度变 形裂缝、沉降裂缝一起在混凝土结构中较多出现;其他如冻融裂缝、钢筋锈蚀裂 缝、化学反应膨胀裂缝等因某些特定原因所致,为数不多。 1.3 超长混凝土结构的定义和特点 1.3.1 超长混凝土结构的定义 超长混凝土结构是指因建筑立面、工程防水、管线铺设、设备安装、自身平 面结构单元限制等原因而不能设置变形缝或无法设置足够多的伸缩缝,结构单元 长度超过《混凝土结构设计规范》所规定的钢筋混凝土结构伸缩缝昀大间距的结 构。 - 3 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论《混凝土结构设计规范》对现浇式钢筋混凝土结构伸缩缝的昀大间距规定如 [4] 下 :挡土墙、地下室墙壁类结构位于室内或土中时为 30m,位于露天则为 20m; 框架结构位于室内或土中时为 55m,位于露天则为 35m;剪力墙结构位于室内或 土中时为 45m,位于露天则为 30m;框架-剪力墙结构或框架-核心筒结构根据结 构的具体布置情况取框架结构和剪力墙结构之间的数值。以上数值是在正常 情况 下的规定,在一些特殊环境条件下如屋面无保温或隔热措施、恶劣气候环境条件 地区、建筑材料收缩较大以及采用特殊施工工艺时,结构伸缩缝的间距应适当增 减。结构设置伸缩缝是基于混凝土干燥收缩和热胀冷缩,而主要是考虑长期热胀 冷缩的影响,考虑混凝土干缩和施工期间水泥水化热影响则常采用施工后浇带 也称后浇缝等措施。 1.3.2 超长混凝土结构的特点 超长混凝土结构具有以下四个特点: 1结构在某一方向或纵横向不设缝的长度超过规范规定的伸缩缝间距,温 度及收缩变形大; 2结构中某些构件如墙壁、楼板等的平面尺寸远大于其厚度,并且由不同 形式、形状的构件共同承受温度变化、混凝土收缩等作用,发生相互协调的伸缩 变形,由此产生一定的附加内力; 3结构开裂较早,裂缝在施工阶段或竣工后不久已经出现,且裂缝方向通 常垂直于结构的纵向(即长度方向),不同于普通荷载作用下的荷载裂缝。这说 明非荷载裂缝在超长混凝土结构中占主导地位,超长混凝土结构需重点考虑 混凝 土浇筑后由于温度变化、混凝土收缩等变形引起的结构纵向工作效应。 4多采用增加混凝土组分(掺矿物掺合料、膨胀剂、纤维) 、优化混凝土配 合比、设置后浇带、布置无粘结预应力筋、加强养护等措施来控制裂缝的产生和 开展。 1.4 超长混凝土结构的收缩开裂机理 如上所述,由于超长混凝土结构具有平面上单方向或双方向尺寸远大于厚度 的特点,工程实践中多在结构投入使用之前便出现早期开裂,温度和收缩是超长 混凝土结构早期开裂的主要原因。目前针对对大体积混凝土温度应力及其裂缝控 制的研究已取得长足发展,超长混凝土结构借鉴大体积混凝土,在此方面的研究 也不少,本文主要研究由于混凝土干燥收缩引起的裂缝问题。 - 4 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论1.4.1 混凝土收缩的机理和种类 混凝土在空气中逐渐硬化,水分散发,体积发生收缩。混凝土的长度收缩变 ?6 形在经历数十年后一般可达 300 ~ 600 ×10 ,不利条件下甚至可达 ?6 800 ~ 1000 ×10 。但若将混凝土放入水中,体积会有所膨胀,昀大长度变形可 ?6 [6] [1,7-8] 150 ×10 达 。混凝土收缩有以下不同的原因和机理 ,收缩变形是各种收缩 的叠加。 1塑性收缩:混凝土在浇筑后到终凝前的时间内一般 4~15小时左右,水 泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水、水分急剧蒸发、骨料与水泥浆之 间不均匀沉降等现象。由于这些现象都发生在混凝土终凝前的塑性阶段,所以被 称为塑性收缩。塑性收缩又可细分为失水凝缩、化学减缩、沉降收缩三类。塑性 收缩的量可达 1%左右,会使混凝上表面,特别是养护不良的部位,出现无规则 的表面裂缝,常常沿着钢筋分布。 2干燥收缩:混凝土停止养护后,在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔 的吸附水而发生的收缩。原因:混凝土内部水分的消失,但开始干燥时自由水的 损失并不引起混凝土收缩,其主要原因是内部吸附水的消失。微细孔内吸附水的 丧失将在孔中产生毛细管负压,促使气液弯月面的形成,从而对孔壁产生拉 应力, 造成水泥浆体收缩。混凝土内部和环境之间的湿度梯度是水分迁移的驱动力。 干燥收缩本质上是水泥石的收缩,骨料因其弹性模量大基本不收缩,且起到 约束作用。干燥收缩的大小取决于水泥石的数量、水泥石中的孔隙率,孔径分布 和含水状态,与混凝土材料组成、配合比、构件尺寸、环境温湿度密切相关,具 - 6 有明显的时变性。普通混凝土的干燥收缩变形数量较大(约为 300×10 ~1200 - 6 ×10 ),时间较长(从浇灌后开始水分蒸发,早期速度较快,失水较多,3个月 约达到 70%,6-12 个月完成 80%,有的延续 2年完成 95%),其收缩速度则随着 时间的延长而迅速减慢。 3自(身)收缩:混凝土在未与周围环境发生湿交换情况下发生的体积变 化,它是水泥水化过程中由于没有外界水供应或外界水通过毛细孔迁移到体系内 的速度小于水化耗水速度时引起的混凝土内部的自干燥。原因:毛细孔中的 水分 变得不饱和形成气液弯月面并使毛细孔受负压作用,水泥水化物的体积小于参与 水化反应的水泥和水的体积,是一种由水泥水化反应所产生的固有收缩。当混凝 土的水灰比较小时,自干燥现象在毛细孔中普遍发生,表现为宏观上的自收缩; 当水灰比较大时,自干燥现象仅在局部毛细孔中发生,自收缩在宏观上可忽略。 4碳化收缩:相对湿度合适条件下,混凝土中水泥水化物与空气中 CO 发 2 生化学反应所伴随的体积收缩。由于各种水化物的碱度不同,结晶水及水分子数 量不等,碳化收缩的大小不同,其主要原因是水泥水化物中 CaOH 结晶体的溶 2 - 5 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论解和 CaCO 的沉积。碳化速度取决于混凝土的含水量、环境湿度及 CO 浓度, 3 2 构件尺寸。当空气中相对湿度为 100%或小至 25%时,碳化渗入混凝土表面的速 度相当缓慢,碳化收缩即停止。如果混凝土有足够的密实度,碳化反应就仅限 于 表面层,很难向内部进行。碳化收缩一般发生在年代较长、暴露于潮湿环境中的 混凝土结构。 综上所述,塑性收缩发生在混凝土塑性状态,其持续时间较短,量值较小, 容易控制,对结构影响较小;碳化收缩的发生有其特定的条件,一般新建混凝土 结构中量值极其微小;干燥收缩与自收缩在混凝土结构中普遍存在,对结构影响 较大,是工程界研究的重点。 干燥收缩与自收缩都是因失水造成毛细管应力、劈张力等变化引起收缩,但 失水的机理各不相同,前者是内部水分被水化反应消耗掉,而后者是水分扩散到 外部环境所致。干燥收缩从混凝土暴露于大气那一时刻起,持续到混凝土结构整 个寿命周期,收缩由外向内进行,在总收缩中所占比例昀大。自收缩是在与外界 无水分交换的条件下在混凝土体?均匀发生,是水泥水化的结果,虽早于干燥收 缩但量值小于干燥收缩。研究表明,对于普通混凝土,自收缩约为干燥收缩的 [9] 1/10;对于高强混凝土,自收缩约占到 1/3~1/2 。因此,对于普通混凝土主要 是干燥收缩,对于低水灰比的高强度混凝土或高性能混凝土,除了干燥收缩以外, 自收缩也不容忽视,干燥收缩与自收缩在普通混凝土和高强度混凝土中的比例关 [10] 系如图 1-1所示 。由此可见,干燥收缩是混凝土收缩中昀主要的组成部分,在 任何混凝土结构收缩问题中都不容回避,正确区分不同类型的收缩有助于采取相 应的控制措施。 a普通混凝土b高强度混凝土 图1-1 收缩应变组成 1.4.2 混凝土收缩的影响因素 [1,7-8] 影响混凝土收缩的因素很多,既有内因也有外因,其主要因素如下 : 1.材料性质(混凝土组分) 1水泥品种 - 6 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论水泥品种对混凝土收缩的影响主要体现在矿物组成和细度两个方面。一般认 为水泥品种对收缩影响的大小顺序为:矿渣水泥>普通硅酸盐水泥>早期水泥> 粉煤灰水泥,但这并不绝对,还与活性掺合料的种类、掺量、混凝土水灰比有 关; [1] 相同水泥品种,则水泥细度越细,收缩越大 。但也有文献认为,一般情况下, 水泥的矿物组成(石膏掺量不足者除外)和水泥细度对收缩影响不大,采用不同 [7] 厂家不同品种的水泥,混凝土的收缩会有所不同,但无必然联系 。 2水灰比(水胶比) 、水泥用量、含水量 单位体积混凝土的水泥用量相同时,水灰比越大,收缩越大;单位体积混凝 土的含水量越大,收缩越大;水用量不变时,单位体积水泥用量越大,收缩越大。 3骨料 骨料基本不会发生收缩变形,故可约束水泥石的收缩变形,从而减小收缩。 相同强度的混凝土,骨料的用量越多,收缩越小;骨料的弹性模量越大,收缩越 小;粗骨料的效应比细骨料显著。骨料对收缩的影响可采用以下经验公式来预测: n cp c p εε? 1 V 。式中, ε 为混凝土的收缩应变值; ε 为水泥石的收缩应变值; sh sh g sh sh V 为骨料的体积含量;n 为指数参数,一般取 n=1.2~1.7。因此,混凝土收缩 g 应变一般只有水泥石收缩应变的 10%~20%。 4外加剂和矿物掺合料 化学外加剂(早强剂、减水剂、引气剂等)和矿物掺合料(粉煤灰、矿粉、 硅粉等)的存在皆有可能改变胶凝材料的水化进程、水化相的孔隙率和孔隙结构, [8,11-12] 从而影响混凝土收缩。一般认为引气剂对混凝土收缩影响不明显 ,硅粉的 [12-15] 掺入使混凝土收缩明显增加 。由于种类繁多,材料性质差异,配合比变化, 研究方法不同,不同外加剂和矿物掺合料对混凝土收缩的影响各不相同,结论尚 [1,8,11-12,16] 不一致 。它们与混凝土收缩之间无必然关系,昀好根据实验来判定。 2.制造养护 混凝土浇筑得越密实,其收缩就越小。养护方式的选择、养护时间的长短极 大程度地影响混凝土收缩的发展。通常,湿养护相对于自然养护能显著减小混凝 土收缩,延长养护时间也能有效地延缓收缩变形的发展。虽然再潮湿时混凝土会 产生部分膨胀,收缩部分可逆,但并不能使混凝土恢复到原尺寸。 3.工作环境 混凝土工作环境的影响主要来自湿度和风速,其次是温度,它们关系到混凝 土的表面蒸发速度或失水程度,从而影响混凝土内部湿度场的分布。湿度越大, 混凝土水分丧失少,收缩越小;风速越大,混凝土表面水分散失加速,收缩变形 大;温度高,有利于水泥水化和水分蒸发,收缩增大,低温下收缩趋于稳定。 4.尺寸效应 - 7 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论构件的尺寸决定了环境温湿度对混凝土收缩的影响程度,这在混凝土干燥过 程中水分转移时相当显著。水分迁移的阻力受迁移路径控制,在其他条件一致时, 失水速率取决于构件的尺寸,混凝土的收缩随构件体表比的增大而减小。因此体 表比主要是对混凝土收缩的发展进程影响较大,其对收缩的影响程度与时间有 [17] 关,而对极限收缩值影响不大 。尺寸效应影响在混凝土与周围环境达到湿度平 衡后消失。 5.干燥时间 恒温恒湿条件下,混凝土收缩变形随干燥时间单调增长,收缩发展速率为早 期快,后期减慢并逐渐稳定,稳定试件取决于试件内水分与养护环境达到平 衡的 速度。 1.4.3 收缩应力与开裂机理 如果未受到外力作用的混凝土自由收缩,此时在结构或构件中只会产生收缩 变形,不会引起应力。但这几乎不太可能,更多时候混凝土是受约束的,并在限 制条件下进行收缩,从而在混凝土内部产生或拉或压的收缩应力。约束源自以下 两种: 1外部约束:其他物体阻碍构件变形而产生的牵制作用。比如结构受支座 的约束,结构受地基的约束,结构构件受其相邻构件的约束,新浇筑混凝土受老 混凝土的约束等。外约束又分为零约束、弹性约束和全约束。零约束下,结构自 由变形;全约束下,结构变形完全被约束;弹性约束下,结构部分变形。工程中 常见的是弹性约束。 2内部约束:构件内部各质点之间的牵制作用。比如钢筋对混凝土收缩的 约束,混凝土各相材料收缩特性不同或内部湿度梯度产生不均匀干缩所形成的内 部变形约束。 混凝土在凝结前的变形可认为是自由变形,尚处于无约束状态;当混凝土开 始凝结,混凝土强度开始发展后,约束条件开始具备,且约束效应会因刚度的 增 长而随龄期不断增长。相应地,根据所受约束的不同,收缩应力也分为以下两种: 1自生应力:结构或构件收缩变形只受内部约束而无外部约束时产生的应 力。例如,混凝土干燥时,表面湿度低收缩变形大,内部湿度高收缩变形小,故 在表面出现拉应力,在内部出现压应力。自生应力的特点是,整个截面上拉应力 与压应力自相平衡。 2约束应力:结构的全部或部分边界受到外部约束,混凝土不能自由变形 因而产生的应力。例如,混凝土楼板浇筑完毕受到相邻梁、柱约束而出现的收缩 应力。 - 8 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论因约束条件的强弱或收缩变形的大小,收缩应力水平高低不同。混凝土是多 相复合脆性材料,抗拉强度低,极限拉伸变形小。当混凝土收缩拉应力(或拉应 变)超出该龄期混凝土材料本身所能承受的极限抗拉强度(或极限拉应变)时, 混凝土就会开裂。工程实践中,若厚度薄的超长混凝土结构未遭遇寒潮降温,则 温度变形将小于收缩变形,收缩裂缝成为超长混凝土结构早期裂缝的主要形 式之 一。收缩裂缝通常在拉应力集中或结构昀薄弱部位率先出现,并与主拉应力方向 垂直,起初表现为表面裂缝,随后大部分将逐渐发展为贯穿裂缝。因此控制收缩 应力和收缩裂缝的扩展,是超长混凝土结构急待解决的一个重要问题。 1.5 超长混凝土结构收缩研究现状 1.5.1 混凝土收缩抗裂性能研究 混凝土收缩自 18 世纪末第一次被观测到,国内外大批学者对此进行了长达 一个多世纪的研究,尤其在 19世纪的 70~80年代。尽管已取得较大进展,但收 [7,18] 缩现象仍是一个复杂问题,至今还未被人类完全掌握 。为满足混凝土的工作 性能,远超出水泥水化所需要的水被加入到混凝土拌合物中,那些不参与水化反 应的多余水份成为了自由水。当养护结束,混凝土被放到相对湿度较低的环境中 时,内外湿度梯度使混凝土内部湿度迁移出材料,从而引起多孔材料体积减小。 [1,19-21] 混凝土失水后体积缩小有以下四种理论解释 :1表面张力(表面自由能) 理论:硅酸盐材料 C-S-H胶体具有很大的比表面积,其表面自由能的变化可 引起 固体微粒表面所受张力的较大变化,从而使凝胶体系发生体积变化。张力随着水 分子被吸收而减小,当水分子消失、分子间的应力增加时趋于收缩;2毛细管张 力理论:混凝土相对湿度降低时,在毛细管中形成弯液面的临界半径 r 越来越小, 毛细管负压增大,负压作用在毛细管壁上产生压应力使水泥石产生收缩。这种毛 细管张力只在高湿度下才对干缩起作用。3劈张力(拆开压力)理论:凝胶体表 面吸附水时产生使颗粒间相互排斥的拆开压力,拆开压力随吸附水膜厚度的增加 (相对湿度的增加)而增大,但使颗粒间相互吸引的范德华力减小,此时二者的 合力即劈张力增大引起水泥石膨胀。相反,当吸附水逐渐消失时,劈张力减小, 造成水泥石收缩。4层间水理论:C-S-H胶体被认为是一种层状结构的材料,而 层间水的进出影响着层间距,从而导致水泥石体积变化。该学说和劈张力理论相 似。各理论均在一定范围内适用于收缩变形的描述,其中又以毛细管张力理 论的 应用范围较为广泛。 随着高强混凝土的兴起,混凝土水灰比不断降低,自收缩所占比重越来越大, 开始逐渐为人们认识并受到密切关注。应用昀广泛的普通混凝土如今也被掺入大 - 9 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论量的矿物掺合料和化学外加剂,材料的不断更新给混凝土收缩研究提出了新的命 题。目前,国内外常用的混凝土收缩试验方法主要有棱柱体试件自由收缩试验、 环形约束收缩试验、轴向约束收缩试验、板式约束收缩试验,自由收缩试验主要 [22] 用于收缩变形性能研究,约束收缩试验主要用于收缩开裂敏感性研究 。混凝土 的自由收缩值与收缩裂缝之间有密切的相关性,混凝土圆环约束实验也证实,多 数情况下混凝土圆环约束试件的开裂时间顺序与其长期自由收缩值的大小次序 也完全对应,长期自由收缩值的大小在一定程度上能反映混凝土抗收缩开裂的性 [1] 能 。因此,自由收缩试验应用昀广,掺有矿物掺合料和外加剂的现代混凝土 的 干燥收缩和自收缩成为昀近几十年研究的焦点。 3 安明?等(2001)通过水胶比为 0.29、胶凝材料用量为 550kg/m 、粉煤灰 掺量分别为 0%、10%、20%、30%的高性能混凝土自收缩试验发现, 粉煤灰掺量 在 10~30%范围内,不仅不损失后期强度,而且还可以有效地抑制自收缩,自收缩 [23] 随粉煤灰掺量的增加而降低 。 Li Jianyong 等(2001)对不掺矿物掺合料、单掺超细矿粉、双掺超细矿粉 和硅灰的高性能混凝土开展了干缩和徐变试验,结果表明超细矿粉和硅灰大大减 [24] 小了混凝土的干缩和徐变 。 J. J. Brooks 等(2001)对掺量为 0~15%偏高岭土(MK)的混凝土进行了收 缩徐变试验研究,结果发现,偏高岭土(MK)对总的自收缩有增大效应,掺量 为 10%、15%时又有减小效应;MK可大大减小干燥收缩,从而减小总收缩(干 [25] 缩与自收缩之和); MK掺量较大时,可有效减小基本徐变、干燥徐变和总徐变 。 吴学礼等(2003)在保持砂率、用水量不变,坍落度控制在 190士 10om条 件下,选用 0.32、0.36 和 0.40 三种水胶比,对?级粉煤灰掺量为 20%、35%的 混凝土进行自收缩变形的观测,得出粉煤灰能有效降低混凝土自收缩值,且掺量 [26] 越高,或者水胶比越大,自收缩降低幅度越多的结论 。 李迎春、游有鲲等(2003)系统研究了水胶比、水泥、矿物掺合料、外加剂 及纤维的品种用量对混凝土收缩的影响。研究发现,随胶凝材料用量、水泥用量、 单位用水量、水胶比的提高,混凝土收缩增加;矿粉与粉煤灰复掺的抗收缩效果 比单掺矿粉或粉煤灰显著;适量膨胀剂与钢纤维的加入均能显著降低混凝土的收 缩,两者复掺效果更佳,钢纤维掺量不宜过高;粉煤灰与矿粉复掺情况下,聚丙 [27] 烯纤维几乎没有抗收缩作用;引气会增大混凝土的收缩 。 梁文泉等(2004)采用改进的胶砂椭圆环收缩开裂试验以及混凝土自由收缩、 抗折强度、抗压强度试验,综合分析矿粉掺量对混凝土收缩开裂的影响。试件水 胶比为 0.3,矿粉掺量分别为 0、25%、45%、64%。试验结果表明,随着矿粉掺 量的增大, 胶砂初始开裂时间增加,掺量为 40%~50%时增长明显;掺矿粉混凝 - 10 - 天津大学博士学位论文 第一章 绪论土的自由收缩值比基准样低,当矿渣微粉的掺量不大于 45%时,混凝土自由收缩 值随着矿渣微粉掺量的增大而减小,掺量达到 65%时,混凝土自由收缩值明显地 [28] 增大 。 钱晓倩、詹树林等(2004)对仅掺减水剂混凝土进行收缩试验发现,相同配 合比或相同坍落度条件下,虽然不同减水剂品种之间的混凝土收缩略有差异,但 [29] 均显著增大混凝土的早期收缩和总收缩 。他们又对