混凝土早期裂缝问题

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新型高性能混凝土耐久性的研究的应用
批准部委:国家计委、国家科技部 组织部门:中国建材院 承担单位:中国建材研院、中国水利水电科学研究院、南
京化工大学、武汉理工大学、 北京科技大学、中国建 研院、同济大学、苏州混凝土水泥制品研究院、清华 大学等
针对影响混凝土耐久性问题进行了全面系统 的研究:
▲ 混凝土抗碱-集料反应性研究
裂缝。 ◆混凝土裂缝的出现通常是由于混凝土发生体积变化时
受到约束,或者是由于荷载作用,在混凝土内引起过 大的拉应力(或拉变形)而引起的。
8
多数情况下,混凝土出现可见的宏观裂缝只是损 害结构的外观。但是混凝土开裂总是设计、施工 或原材料选用不当产生的,有时还反映了结构存 在严重的薄弱环节,或者混凝土材料已经遭受腐 蚀和重大损伤,甚至成为结构面临破坏的前兆。
19:00pm
0:20am
5:10am
8:00am 12:00am
在实际结构中,内部因水化热产生蓄热的同时,构件表
面还产生放热,使得构件温度经上升后再下降。
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构件的最小尺寸大于800mm时,通常可认为是大体积混凝土 对于大体积混凝土,内部温度较大,构件外周温度较低,内
外温差很大,引起内外混凝土膨胀变形差异。 内部混凝土膨胀受到外部混凝土的变形约束,而使构件表面
1/2
1/2
维修费用
新设计策略及方法
耐久的钢筋混凝土结构
3
耐久性——影响混凝土的使用寿命、安全性、使 用领域、使用效果、经济性、设计理 论、设计规范…
混凝土耐久性——与国民经济、社会安定、环境 质量、可持续发展等密切相关。
耐久性——混凝土材料科学的重大研究课题。
4
国家“九五”“十五”科技攻关项目 重点工程混凝土安全性的研究
80%的裂缝是属于由变形(温度、收缩、不均匀沉降)引起 的;包括变形和荷载同时作用且以变形为主引起的裂缝;
20%的裂缝是属于荷载引起的,包括变形和荷载共同作用且 以荷载为主引起的裂缝;
前者并不是所有的裂缝都会对结构的安全造成严重的影响: 比如混凝土梁的受拉区在设计的过程中就是考虑梁在使用过 程中带裂缝工作,如果一根梁在工作阶段,完全没有裂缝, 说明梁的配筋十分保守,或者没有充分发挥作用;
当集料具有碱—碳酸盐反应活性时,混凝土的碱含量只要 大于1.0kg/m3就有可能发生碱集料反应。
18
骨料引起的裂缝方面
骨料中含有MgO引起的裂缝
碱骨料反应引起的裂缝
19
钢筋锈蚀产生的裂缝
开裂
锈蚀
膨胀
20
使钢筋产生锈蚀的原因有:骨料中含氯化盐;外部进入 氯化盐;混凝土碳化;保护层不足;过大的裂缝宽度。 钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍,使钢筋位置 处的混凝土受到内压力而产生裂缝,并随之剥落。 这种裂缝沿钢筋方向发展,且随着锈蚀的发展混凝土剥 离产生空隙,这可从敲击产生的空洞声得到判别。
坍落度 /cm
21
22.5
混凝土性能
初凝时间 终凝时间 /h:min /h:min
8:25
10:20
8:55
10:45
28d抗压强 度/MPa
87.3
87.0
编号
5 6
初裂时间 /h:min
4:45 5:08
裂缝尺寸
裂缝最大宽度 裂缝最大长度
/mm
/cm
0.40
20
0.20
24
裂缝数量/条
总数量
5cm以上的裂缝
32
塑 性 收 缩 裂 缝 照 片
33
板 状 开 裂 装 置
框架刚度为 400×106N/m2
底板
塑料薄膜
短钢柱(φ10×100mm) 钢模
混凝土
34
塑性收缩试验参数
裂缝的初裂时间(开始出现裂缝的时间) 裂缝尺寸(终凝时的最大裂缝宽度和最长裂缝
长度) 裂缝数量(终凝时的裂缝总条数以及长度在5cm
22
11
17
7 38
对塑性阶段裂缝发展的观察发现,较低的水灰比 下,混凝土中最初出现裂缝的时间也稍微提前, 裂缝最大宽度增加,长度5cm以上的裂缝变多, 总数量较多。即降低水胶比,增加了塑性收缩开 裂的可能性。
39
影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究
(3) 水泥用量和胶凝材料总量的影响
原材料/kg/m3
87.0
编号
7 8
初裂时间 /h:min
5:18 5:08
裂缝尺寸
裂缝最大宽度 裂缝最大长度
/mm
/cm
0.20
25
0.20
24
裂缝数量/条
总数量
5cm以上的裂缝
14
5
17
7
40
结果表明,增加胶凝材料用量,塑性裂缝的 总数量增加,长度5cm以上的裂缝数量也有 所增加。
裂缝的存在会给腐蚀介质的侵入留下一条通道,对混凝土的 耐久性能造成一定程度的影响。
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温度裂缝
结构在环境温度变化或受辐射热作用下,造成结构温度各部 分的温度差别,引起结构内力过大而产生裂缝
这种裂缝的特点是会随着温度的变化而变化,冬季的裂缝宽 度会窄一些,夏季的裂缝宽度会大一些。
混凝土梁上的温度裂缝表现为横向受拉细微裂缝。
因为混凝土和砌体之间线膨胀系数不一致,混凝土和砖砌体 的温度线膨胀系数分别为10×10-6/oC和5×10-6/oC,即在相同 的温差和相同长度下,混凝土的温度变形是砖砌体的一倍。 两者间的不均匀膨胀(收缩)产生温度裂缝。
14
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因混凝土材料原因产生的裂缝
产生裂缝。
17
因混凝土材料原因产生的裂缝
----碱骨料反应产生的裂缝
碱集料反应造成的开裂破坏难以阻止、难以修补,而被称 为混凝土的癌症。在日本,如果在房屋结构鉴定中遇到这 种裂缝,可直接定为危险构件d级。
碱骨料反应分为碱硅酸反应和碱碳酸盐反应,目前主要的碱 集料反应是指碱硅酸反应。
一般认为:对于高活性的硅质集料(如蛋白石),混凝土 碱含量大于2.1kg/m3将发生碱集料反应破坏,对于中等活 性的硅质集料,混凝土的碱含量大于3kg/m3将发生碱集料 反应破坏。
混凝土性能


胶 材
水 泥
掺和 料
石子
砂 子

外加剂 坍落度
/%
/cm
初凝时间 /h:min
终凝时间 /h:min
7 500 350 150 1055 645 150 1
22
9:10
11:15
8 520 364 156 1055 620 156 1
22.5
8:55
10:45
28d抗压强度 /MPa
81.9
Íê È« Ó² »¯ »ì Äý ÍÁ
裂缝断面则呈不 规则较为锋锐状
态,两断面可以
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闭合
裂缝的分类
◆按裂缝产生的时间一般可分为施工阶段裂缝和使用阶段裂缝 ◆根据裂缝的形态来划分;横向裂缝、斜裂缝、X形裂缝、纵向
裂缝、八字形裂缝、网状裂缝、云彩状裂缝、鼓胀裂缝。 ◆根据裂缝产生的原因来划分
12
变形裂缝和荷载裂缝
----胶凝材料水化热
Ôç Ç¿ Ë® Äà ³¬ Ôç Ç¿ Ë® Äà ÆÕ Í¨Ë® Äà
µ¥ λ Ë® Äà Óà Á¿ 280kg/m3 Ì® Âä ¶È 10cm ¹Ç ÁÏ × î ´ó Á£ ¾¶ 25mm
Áä ÆÚ £¨ÈÕ £©
»ì Äý ÍÁ ÔÚ ¾ø È Çé ¿ö Ï µÄ Π¶È ÉÏ Éý
混凝土早期裂缝问题
中国建材研究院 王玲
1
目前混凝土工程耐久性现状
土木工程中的新挑战
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1977
1985
1995
2005
new construction renovation
2
土木工程中的经济问题
2000年土建领域 中的总投资
新建工程费用
84.6
4 350 150 1055 645 150 1
22
8:40
10:53
84.6
编号 3 4
风速 /m/s
2.2 0
初裂时间 /h:min
6:08 0
裂缝尺寸
裂缝最大宽度/mm 裂缝最大长度/cm
0.2
16.2
0
0
裂缝数量/条 总数量 15 0
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配合比完全相同的混凝土成型后,3号表面风速 为2.2 m/s;4号表面用塑料薄膜覆盖,使风速 为0。在24小时的观察期内,4号表面未发现裂 缝的生成和扩展。
构件,产生1.5mm的很小受拉变形即会产生裂缝。 ◆ 由于混凝土材料的不均匀性,裂缝首先在强度最小的位置发
生。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。 ◆ 不同龄期的混凝土,其裂缝断面状况有较大差别。
10
¿ª ÁÑ Î» ÖÃ
¿¹ À­ Ç¿ ¶È · Ö ²¼ ft,min
(a) Öá Ïò ¿¹ À­ Ç¿ ¶È · Ö ²¼
所以一旦出现裂缝,就要分析其原因并采取适当 的补救措施。

◆ 拉应力是产生裂缝的必要条件 ◆ 除荷载作用外,结构的不均匀沉降、收缩、温度变化等都会
引起拉应力 ◆ 结构中主拉应力达到混凝土(当时)的抗拉强度时,并不立
即产生裂缝,而是当拉应变达到极限拉应变εtu时才出现裂

◆ 硬化后的混凝土极限拉应变εtu 约为150×10-6,即10m长的
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冻融循环产生的裂缝
22
青海某铁路 的
桥基座
吉林某水电站 的大坝基础结 冰冻胀,面板
剪裂
23
24
25
26
----塑性沉降裂缝:混凝土浇筑后,在凝结过程中会产生下沉
和泌水,下沉量约为浇筑高度的1%。当下沉受到钢筋或周围 混凝土的约束也会产生裂缝;
----塑性收缩裂缝:混凝土硬化之前产生的收缩; ----混凝土的早期收缩开裂:(自收缩、干缩等的组合)。
以上裂缝的条数)
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影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究
(1) 养护方法的影响
原材料/kg/m3
混凝土性能
编 号
水 泥
掺和 料
石子
砂 子

外加 坍落度 初凝时间 终凝时间 28d抗压强度
剂/% /cm /h:min /h:min
/MPa
3 350 150 1055 645 150 1
22
8:40
10:53
水泥用量在300kg/m3左右时,温度上升为30~40℃左右。
15
70.00 60.00 50.00
东下1 东下2 东下3 气温
温度(℃)
40.00
30.00
20.00 14:40pm
19:30pm
22:20pm
0:15am
5:48am
8:10am
10:00am 12:10pm 15:20pm 测温时间
¿ª ÁÑ Ç°Ë² ¼ä Ó¦ ± ä
裂缝断面较为 光滑,两裂缝 不能完全闭合
¿ª ÁÑ Ç°Ó¦ ± ä · Ö ²¼ µ¯ ÐÔ ÊÜ À­ Ó¦ ± ä · Ö ²¼
(b) ¿ª ÑÁ Ç°Ó¦ ± ä · Ö ²¼ (c) »ì Äý ÍÁ ¿ª ÁÑ ¶Ï Ãæ × ´ ¿ö
¶Ì Áä ÆÚ »ì Äý ÍÁ
工程中预防塑性收缩的措施
30
高强HPC塑性收缩的板状开裂试验装置
试验模拟混凝土在四边 全约束状态下的早期开 裂情况。 600mm×600mm×63 mm的钢制方形模具。 每边分别装配11个 Ф10×100mm的细钢柱 起约束作用。
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风速试验和控制
电风扇向混凝土表面吹 风。 用测速仪控制混凝土表 面的风速为2.2m/s
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高强高性能混凝土塑性收缩的研究
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混凝土塑性收缩裂缝成因
在塑性状态时混凝土表面失水过快造成的,常发生在混凝土板或 比表面积较大的墙面上,一般长度大约0.2~2m,宽度为1~ 5mm,从外观分为无规则网络状和稍有规则的斜纹状或反映出混 凝土布筋情况和混凝土构件截面变化等规则的形状。
塑性收缩裂缝通常延伸不到混凝土板的边缘,这一点可做为混凝 土早期塑性收缩裂缝与混凝土长期干燥收缩裂缝相区别的依据。
在表面积比较大的混凝土工程施工时可以采用 塑料布封闭养护的方法。
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影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究
(2)水胶比的影响
原材料/kg/m3


水胶 比
水 泥
掺和 料
石子
砂 子

外加 剂/%
5 0.288 364 156 1055 625 150 1
6 0.3 364 156 1055 620 156 1
很难区别塑性收缩裂缝与塑性沉降裂缝,但如果裂缝的走向与钢 筋布置的形状和混凝土构件的几何形状有关,则可以判定沉降在 裂缝的形成过程中起了一定的作用。
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高强HPC塑性收缩的板状开裂试验装置 影响高强HPC塑性收缩开裂因素的研究
(1)养护方法 (2)水胶比 (3)水泥用量和胶凝材料总量 (4)掺合料品种 (5)温度和湿度
碱-集料反应判定方法、我国部分地区碱-集料 分布图、抑制碱-集料反应材料
▲ 混凝土耐久性的研究
混凝土抗冻性、钢筋锈蚀、耐化学腐蚀、裂 缝检测与修补
▲ 高性能混凝土与混凝土安全性专家系统
新型胶凝材料、高性能混凝土、混凝土安全 性专家系统
6
混凝土裂缝分类、原因
7
混凝土开裂的一般原因
◆裂缝是混凝土结构最为常见的缺陷 ◆通常所说的裂缝是指宽度在0.03~0.05mm以上的宏观
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