混凝土的收缩及防裂措施概述.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 4期 (总 第 2 5 8 期 Nu mb e r4j n 2 01 1 ( To t a l No 2 5 8) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL T ECHN 0L0GY 混凝土的收缩及防裂措施概述 李林香 a ,谢永江 ,冯仲伟 ,李化建 ( 中国铁道科 学研 究院 a 铁道 建筑研究 所;b 科研开发处 ,北京】 0 0 0 8 1 ) 摘要 : 论述 了混凝 土的收缩 类型 , 包括化学收缩 、 塑性收缩 、 自收缩 、 f燥收缩 和温度收缩 , 并提出 1广 不 同的防裂措施 , 包括 添加膨胀 剂、 Mg O、 减缩防
2、裂剂、 矿物掺合料、 聚丙烯纤维和内养护剂等。 混凝土的防裂是一项系统工程, 只有从设计、 材料、 结构、 施工等多个因素共 同考虑 , 才能最大限度的减少开裂 关键词 : 混凝土 ;收缩 ;防裂措施 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 1 3 一 O 5 G e ne r al c om m e nt s of s hr i nk a ge o f con c r e t e an d t h e m e t h ods of c r a ck r e s i s t a nc e
3、 L I L i n x i a n g x腰 Y o n g -j i a n g , F E NGZ h o n g - w e i b L I Hu a g i a n ( a I n s t i t u t e o f R a i l wa y E n g i n e e r i n g ; b De p a r t me n t o f R e s e a r c h a n d De v e l o p me n t , C h i n a A c a d e my o f R a i l wa y S c i e n c e s , Be i j i n g 1 0 0 0 8
4、1 , Ch i n a ) Abs t r a c t :S h r i n k a g e t y p e s o f c o n c r e t e wc r c d i s c u s s e d, inc l u d i n g c h e mi c a l s h r i n k a g e, pl a s t i c s h r i n k a g e, s e l f - s h r i n k a g e, d r y s h rin k a g e a n d t e rn p e r a t u r e s h r i n k a g e Di f f e r e n t
5、 me t ho ds o f c r a c k r e s i s t a n c e we r e p u t f o r wa r d, i n c l u d i ng t he a d di t i o n o f e x p a n s i v e a g e n t , M g O , s h r i n k a g e r e d u c t i o n a g e n t m in e r a l a d mi x t u r e p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d i n n e r c u r ing a g e n t C
6、r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s a s y s t e m e n g i n e e r i n g, o n l y a l l o ft h e f a c t o r s i n c l u d i n g d e s i g n, m a t e r i a l , s t r u c t u r e a n d c o n s t ru c t i o n a r e c o ns i d e r e d, c r a c k r e s i s t a n c e c a n b e d e c r e a
7、s e d t o a g r e a t e x t e n t Ke y wo r ds : c o n c r e t e ; s h r i n k a g e; me t h o d s of c r a c k r e s i s t a n c e 0 引言 混凝土是 、 , 今土小T程中用量最大的建筑材料 , 随着混凝 土科学研究的不断进步 , 尤其是各种化学外加剂 和矿 物掺合料 的广泛应用 , 使得混凝土 的性能得到 了极大提高 。 但是 , 小论是 普通混凝土 , 还是 高性能混凝土 , 混凝 土的开裂 始终是 困扰 T 程界的一大难 题 : 裂缝一旦产生 , 一方面 ,
8、 降低混凝土结构 的承 载力; 另一方面 , 大大加速各种侵蚀介 质进 入混凝 土内部 , 最终 导致混凝土开裂 破坏 , 极大降低 了混凝土结构 的耐 久性 。 如何 提高混凝土结构的抗 裂能力, 是亟需 解决 的问题之一。 裂缝是混凝土结构中容易产生且难以防止 的一种病害现象 。 其类型众多, 形成的 素复杂 , 尤其是北方地区, 冬季严寒 , 夏季炎 热, 昼夜温差大, 很容易使混凝土结构产生裂缝 。 混凝土裂缝 的形 成原 , 主要有塑性收缩 裂缝 、 自收缩裂缝 、 干燥 收缩裂缝 、 温度收 缩裂缝 、 沉降裂缝 、 冻胀裂缝 、 施丁裂缝等。 有统计资料表明 , 由外 部衙载引起
9、的裂缝约占 2 0 , 而由收缩变形荷载引起 的裂缝约 占 8 0 , 所以研究和解决 由收缩变形 筒载引起的裂缝问题是解决混 凝土开裂的丰要手段。 抑制混凝土收缩开裂的途径主要有两类 : 一 是减少收缩 , 如减少水泥用量降低水化热温升从而降低温度收缩 或使用膨胀剂来补偿收缩; 二是提高混凝土的极 限拉伸值 , 从而提 高混凝土的抗裂能力, 如在混凝士中掺入纤维或各种外加剂等。 1 混凝 土 收 缩 的种 类 t 1 化 学收 缩 化学收缩 又称水化收缩 。 硅酸盐水泥与水发生反应 , 会产生 收稿 日期 :2 0 1 0 - I l 一 2 6 明显的体积变化, 这种由水泥水化和凝结硬化而
10、产生的自身体 积缩减 , 称为化学收缩 。 其 收缩值 随混凝 土龄期的增加 而增 大 , 大致 与时间的对数成正 比, 早期 收缩大 , 后期收缩小 。 收缩量与 水 泥用 量和水 泥品种 有关 , 水 泥用量越 大 , 化学收缩值越大 。 初 凝 以前化学 收缩 变现为宏观的体积缩减 , 初凝 以后则变现为 内 部孔隙和自收缩。 严 吴南 教授等人沿 用了英 同 Ge s s n e r 的方法研究 了不 同 品种水泥及不 同硅灰取代量 的水泥净浆 的化 学缩减 。 具体方法 为把胶凝材料和水装 入长颈玻璃瓶 中, 置于恒温恒湿 ( 2 0 , 相 对湿度 6 0 ) 条件 下 , 按 预
11、定水化 龄期测读玻璃 瓶 中的流体高 度, 获得体积缩减值, 即水泥浆体的化学收缩。 1 2塑性 收缩 混凝土塑性收缩发生在硬化前 的塑性阶段 , 即在终凝 前比 较 明显。 塑性 收缩是造 成早期裂缝 的重要原 之一 , 当混凝 土 中的水分蒸 发速度超 过其泌水速度 时 , 新拌混凝 土迅速干燥 。 如果近表面的混凝土已经稠硬, 不能流动, 但其强度又不足以 抵抗冈收缩受到限制所引起的应力时, 就会产生开裂。 其产生 的裂缝一般杂乱 、 细小 , 并布满整个表面 。 目前 已经有许多学者 对塑性收缩产生裂缝的情况进行了试验研究, 总体上可以认为 塑性收缩的过程受自身的性质和环境因素的影响。
12、 塑性收缩最早 的测试方法是 机械 仪表 ( 干分表 ) 法 , 目前通 常用平板法测量 , 平板法试验方法操作比较简单, 能迅速有效 地研究 混凝土 的塑性变形 , 但是 它也存在 缺陷和不 足 , 即只能 部分不均 匀地约束混凝 土的塑性 收缩 变形 。 冈此研究一种测量 准确且 易于操作 的塑性收缩 试验方法对 混凝土 的收缩研究 具 1 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 有重要意义 。 1 3 自收缩 自收缩主要是由自干燥作用引起的宏观体积收缩 , 一般在 初凝 以后开始产生 , 随着水化 的进行 , 毛细孔 中的水逐渐减少 , 形成弯月面, 引起
13、毛细压力 , 导致收缩。 混凝土自收缩的原因主 要有 2个, 即低的水胶比和掺加较大量的活性细掺合料。 自收缩 裂缝也是早期裂缝之一, 以前人们通常忽略自收缩引起的变形, 但是现在随着越来越多的使用高强混凝土, 水胶比越来越低, 自收 缩引起的变形也越来越大。 有文献指出, 当W C 0 4时, 可不考虑 自收缩, 但当W C 0 -3时, 自收缩很大, 几乎占总收缩的一半。 自收缩的测量, 目前尚无统一的标准可依, 各国的研究者 根据实际条件采用不同的研究方法。 所选取的基准长度有的是 从初凝( 或终凝 ) 时开始测 量 , 但 国内大多数研究 者是从混凝 土 成型后 1 d 时开始测量 。
14、 养护 1 d后测量初长为基准测量 自收缩 会 忽略水泥浆体早期很大一部分 自收缩 , 因此有人p - 4 研究 了用 波纹管法测量自收缩, 该法在初凝后 1 0 mi n开始测初长, 能直 接反映 自收缩的早 期变化 。 1 4干 燥收缩 干燥收缩指的是混凝土停止养护后, 在不饱和的空气中失 去内部毛细孔水、 凝胶水及吸附水而发生的长度或体积的减少 , 是一种不可逆收缩, 它不同于干湿交替引起的可逆收缩。 干燥收 缩主要是 由于半径小于 1 0 0 n m 的毛细孔失去水分而产生毛细 孔压力产生的收缩。 影响干燥收缩的主要因素有: 水灰比、 骨料、 构件的尺寸以及外部的温湿度环境等。 对 于
15、普 通混凝土 , 由于水 灰 比比较高 , 混凝土初凝后 内部 还有大量的水分, 当环境相对湿度低于 1 0 0 时, 内部水分就会 向周围环境散发而引起混凝土的收缩。 一直以来, 国内外对干燥 收缩的研究比较多, 对于一般强度的混凝土水灰比都大于0 4 5 , 一 般认为, 混凝土的水灰比越高, 干燥收缩就会越大, 因为这意 味着会有更多的自由水。 但对于高性能混凝土, 水灰比很小 , 随 着水泥水化反应不断进行, 可蒸发水量减少, 从而在一定程度 上抑制了干燥收缩的发展, 而且高性能混凝土比普通混凝土更 致密, 这在一定程度上也减少了干燥收缩所占的比例。 1 5温度收 缩 温度收缩又称冷缩
16、。 主要是指 昆 凝土内部温度由于水泥水 化反应而升高 , 最后又冷却 到环境温度时产生 的收缩。 其大小与 混凝土 的热膨胀系数 、 混凝 土内部最高温度和降温速率等 因素 有关。 混凝土硬化初期, 水泥水化释放出热量 , 致使 昆 凝土中心 温度高 , 表面温度低 , 内外形成温度梯度, 造成温度变形和温度 应力 , 内部膨胀和外部收缩相互制约 , 在外表混凝土中将产生 很大拉应力导致混凝土 出现裂缝。 混凝土的温度收缩是产生早 期裂缝 的主要原因, 采取措施降低水泥水化热, 控制混凝土温 度变形, 是保证早期不产生裂缝的关键所在。 混凝土 的温度膨胀 系数大约为 1 0 1 0 n V
17、( m ) , 即温度 每升高或降低 1, 长 1 m的混凝土将产生 0 0 1 mm的膨胀或 收缩变形。如纵长 1 0 0 IT I 的混凝土 , 温度升高或降低 3 0, 则 将产生 3 0 mm的膨胀或收缩, 在完全约束条件下, 混凝土内部 将产生 7 5 MP a的拉应力 , 足以导致混凝 土开裂 。 2 混凝土的抗 裂措施 混凝土抗裂性能的评价指标有很多种 , 比如极限拉伸值 、 抗 裂度、 热强比、 抗裂性系数、 抗裂能力指数、 抗裂安全系数等 , ll 4 但是每一种评价指标均有其局限性和不全面性。 比如用极限拉 伸值作为评价指标 , 没有考虑干缩和温度收缩的影响; 用抗裂 度作
18、 为评价指标 , 只考虑 了温度应力 的影响 , 仅反映 了从极限 拉伸值来看混凝土可能允许的最大温差; 用热强比作为评价指 标 , 仅考虑温度应力的影响, 局限于某一龄期混凝土的发热量 与抗拉强度之比。 所以具体选用哪种指标, 还要根据不同的混凝 土结构和用途而定。 目前人们习惯用混凝土 的极限拉伸值作为混 凝土抗裂性能的评价指标 。 美 国垦务局认为 : 极限拉伸值高的混 凝土能更好地承受温度变化和干燥收缩等引起的变形。 日本岛川 义郎等认为: 在应力应变分析时, 提高混凝土的极限拉伸值对 混凝土抗裂性能 的增强极为重要 。 当然 , 混凝土 的抗裂性不完 全取决于极限拉伸值, 混凝土的干
19、缩、 徐变 、 水化热等因素也影 响混凝 土的抗裂性 。 有研究表明 , 掺加掺合料、 添加外加剂、 添加纤维和石粉 的方法均 能有效提高混凝土的极 限拉伸值 , 从而提高混凝土的 抗裂性能 。 2 1 添加 膨胀 剂 我国膨胀剂有三种类型: 硫铝酸盐类( 如 U E A、 A E A、 J P 、 P N C、 F S 、 P P T等) 、 氧化钙类和氧化钙一 硫铝酸钙类( 如 C E A) 。 各膨胀 剂主要反应原理如下l9 1 : 硫铝酸盐类膨胀剂是通过水化作用生成水化硫铝酸钙一 钙 矾石而产生体积膨胀的膨胀剂 。 钙矾石可由不同的反应物生成 : C4 A3 S+2 Ca SO4 2
20、H2 O+3 4H2 O C A 3 C a S O4 3 2 H 2 0 + 2 A1 2 O3 3 H 2 O ( 1 ) 式( 1 ) 体积增加量为AV = 1 2 3 2 , 反应需水量 6 3 1 7 。 3CA+3 Ca SO4 2 H2 O+3 2H2 O C A 3 C a S O4 3 2 H 2 0 + 2 Al 2 o3 3 H z O ( 2 ) 式( 2 ) 体积增加量为 A V = 1 2 4 3 , 反应需水量 5 6 1 5 。 K s 0 A1 2 ( S O ) , 4 A l ( O H) 3 + l 3 C a ( O H) 2 + 5 C a S O4
21、 + 7 8 H 2 0 - - - - 3 C 3 A 3 C A S O 4 3 2 H2 O + 2 K O H ( 3 ) 式( 3 ) 体积增加量为 A V = I 1 8 0 8 , 反应需水量 5 6 0 7 。 氧化 钙类膨胀剂是通 过水 化作用生成氢 氧化钙而产生 体 积膨胀剂 , 其化学反应式为 : C a O + H 2 O - + C a ( O H) 2 ( 4 ) 式 ( 4 ) 体积增加量为 A V = 9 7 6 2 5 , 反应需水量 3 2 1 0 。 完成反应所需的水量大 , 说明除了混凝土拌和所需水量外 , 还需加强浇水养护; 反应所需的水量低于混凝土拌
22、和水量时, 说 明靠混凝土拌和所需之水, 即可满足其水化反应, 这时就不需 要高标准 的水养条件 , 容易保证工程质量。 马保国等人研究了钙矾石 一 石灰复合型膨胀剂的研究 , 研究表明, 钙矾石膨胀主要发生在 7 d以前, 后期膨胀效果较差 , 羟钙石 C a ( O H) 的膨胀主要发生在 7 d以后, 可以达到钙矾 石 一 氧化钙复合膨胀效果 ,即补偿 了水泥水化热产生的冷缩和 白收缩, 又补偿了混凝土的干缩。 我国大规模使用膨胀剂已有二十多年历史 , 在最初使用的 十多年中, 业内大多数人都认为使用膨胀剂配制补偿收缩混凝 土是控制混凝 土结 构裂缝 的有效方法 , 而且 补偿 收缩混凝
23、 土的 成功应用也为工程质量的提高做出了很多贡献。 但近几年工程界 却对膨胀剂的使用 提出了质疑 , 为此游 宝坤先生发表文章1 1 1 2 1 , 关于如何正确使用混凝土膨胀剂提出了自己的看法, 阎培渝先 生也发表文章 _l 3 J , 论述了使用膨胀剂需要 注意 的几个问题 。 膨胀 剂的使用是一个系统工程, 并不是单单掺加膨胀剂就能达到目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的。 如果施T过程控制的不好, 冉好的膨胀剂也不能防止开裂 。 而 且, 随着我国混凝土材料科学技术的进步, 矿物掺合料和各种 外加 剂的普遍 使用 , 膨胀 剂补偿 收缩 的作 机理 已
24、发生 了变 化 , 现有理论不能很好 的斛释在大体积大掺量矿物 掺合料混凝 上 中膨胀剂的作 用机理。 存高强混凝土中, 还需要考虑收缩补偿 对象变化的问题。 现存的高强混凝土, 由于水胶比低, 结构密实, 内部缺乏使胶凝材料充分水化的水分, 使胶凝材料的水化程度 较低 : 如果再掺人需水量大的硫铝酸盐膨胀剂 , 其 内部水化程度 更低 , 膨胀剂补偿收缩的作用 不能完全 发挥 。 膨胀剂主要补偿温度收缩和 F燥收缩 。 但在大体积高强混 凝 土结 构中 , 干燥收缩 并不是一个严 重的问题 , 而 自收缩却表 现的很厉害。 当水胶 比小于 0 3时 , 自收缩几乎 占总收缩的一半。 如何补偿
25、在水化早 期发生 的大幅度收缩也 是膨胀剂 面临 的新 问题 。 2 2添 加 M g O 吴中伟等认为 : 过烧 Mg O膨胀剂是解决混凝土抗裂性的有 效途径之 一。 外掺 Mg O的混凝土在水化过程 中, Mg O缓慢水化 生 产 Mg ( OH) , , Mg ( OH) 品体具 有吸水 膨胀力 和结 晶生长压 力一 研究表明, 将 Mg O作为膨胀剂掺人混凝土中, 混凝土的自身 体积变形呈 良好 的延迟微膨胀状态 , 利用 Mg O的延迟微膨胀特 性补偿混凝土的温降收缩 , 町以做 到全部或部 分取 代传 统的混 凝土坝温控措施 。 丁宝瑛等 的研 究表 f 爿: 外 掺 Mg O混凝
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