混凝土的体积稳定性

4. 铁路桥梁厂生产的桥梁为什么不会开裂？
5. 现浇高强混凝土桥梁可以采取哪些防裂措施？
西 安 脉 冲 堆 堆 本 体
西安脉冲堆堆本体为何开裂？
西安脉冲堆堆本体成八角形，下部厚200cm （高4.5m）；上部厚80cm（高4m）;
混凝土设计等级C30，坍落度3~5cm；用425#矿 渣水泥；骨料为2 ~ 4cm磁铁矿石和1 ~ 5mm褐 铁矿石（密度约为5000kg/m3)。
成拱 自然
轮载作用
落物
沉陷 疲劳 氯离子
冻融
3.4.7 延伸性与开裂
Extensibility and Cracking
延伸性的含义： 弹性模量 弹模越小，产生一定量收缩 引起的弹性拉应力越小； 徐变 徐变越大，应力松弛越显著， 残余拉应力就越小； 抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使 材料开裂的危险越小。
混凝土的弹性模量在很大程度上取决 于占其主要体积组分的骨料的弹性模量。
混凝土的弹性模量
1）不是常数。受许多因素影响，如骨料 品种、用量和混凝土干湿状态等； 2）随时间（混凝土的龄期）会不断增长； 3）弹性模量高时，虽然同样荷载作用下 的变形小；但混凝土的变形受约束时，产 生的应力则越大。
混凝土在硬化过程和干湿、冷热作用下的变形
可以采取哪些处理措施？
1. 用碳纤维薄板进行加箍处理（相当于预应力）； 2. 控制以后实验时的内外最大温差不超过25℃， 并在实验过程密切监视裂纹再出现与扩展； 3.只进行表面处理，不要灌缝； 4.建议今后在设计同类结构物时以最大温度应力 为依据，采用纤维增强混凝土；
干燥收缩与徐变 Dry Shrinkage and Creep
脉 冲 堆 裂 纹 示 意 图
西安脉冲堆堆本体为何开裂？
1. 进行热态零功率实验时，脉冲堆内外温差过 大，使混凝土堆本体承受的拉应力超过其抗 拉强度，因此产生纵向裂缝；
2. 混凝土设计等级过低，没有考虑实验时内外 温差的作用；
3. 因重混凝土易于沉降，而矿渣水泥在低温下 硬化缓慢使其加剧，造成横向裂纹出现，尤 其是变截面处。
混凝土硬化期间由于水化放热产 生温升，到达温峰后降温时产生的收 缩变形，以及因变形受约束形成拉应 力超过抗拉强度出现开裂的现象。
热裂缝的控制
自20世纪初起，为了减小水化放热产生的 影响，开始采用掺火山灰的办法，30年代又 开发出低热水泥。利用加大粗骨料粒径、非 常低的水泥用量、预冷拌合物原材料、限制 浇注层高和管道冷却等措施，进一步获得了 降低水化温峰、抑制热裂缝的效果。
水泥 625# 490kg/m3; 硅粉42.5kg/m3;
粗骨料 白云岩、饱水单轴抗压强度168.8MPa、 针片状颗粒10~12%； 水胶比 0.31；坍落度16~18 cm；泵送到位； 每次浇注时间7~9小时，收浆（抹面）后3 ~5小 时用湿麻袋覆盖并浇水养护。 3天强度60.2MPa；7天73.2MPa ；28天89.5MPa
(C)
时间
应力
粘弹性材料在一定应 变作用下的应力松弛
(d)
时间
60%湿度、不加载
干缩 应 变 100%湿度、加载 基本徐变 60%湿度、加载 干燥徐变 徐变 总应变
时间
长圆柱体 外露边
干缩与徐变
观察到的收缩
收缩引起的变形和应力
弹 性 应 变 分 布 （ 无 徐 变 ）
徐变的影响
西太平洋Caroline群岛上的一座桥梁（主跨 为241m）由于徐变使跨中向下挠曲，加铺的桥 面板进一步加剧徐变，使该桥在建成不到20年 后坍塌 （1996年）。
于99年1月进行重混凝土（约200m3 ）浇注(每层 20cm），分别四次共用51小时。浇注时气温 （室内）为6℃以上。
西安脉冲堆堆本体为何开裂？
脉冲堆在2000年1月进行热态零功率物 理实验过程中发现堆本体外层出现多条纵 向裂纹，深为几公分至二、三十公分；长 好几米。横向也发现几条裂纹，但比较浅 而且短。实验时堆内水温最高48 ℃、室温 6 ℃。
徐变的作用
徐变会引起混凝土构件的预应力损失，据 统计，我国几十年来生产的构件预应力损失 达30～50%，减小混凝土的徐变，对这样一些 结构物是有益的。但是另一方面，徐变会使 温度或其他收缩变形受约束时产生的应力减 小；在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷 引起局部应力的结构中，可以降低应力峰值， 从这个角度来说：徐变较大的混凝土又有有 利的一面。
dV = a2 εz( 1 – 2 ν )； ν = 0.5 纯流体
a
洞庭湖大桥为什么开裂？
98年7月浇注三座塔柱的0号块混凝土（C50） 后，仅在边梁发现个别短、细裂缝；
99年7月浇注三座塔柱的1号块混凝土（C60） 后，在顶板和边梁发现多处很长的贯穿裂缝。
洞庭湖大桥
C60混凝土原材料、配合比及强度
P. K. Mehta.
大体积混凝土的定义
任何现浇混凝土，其尺寸达到 必须解决水化热及随之引起的体积 变形问题，以最大限度减少开裂影 响的，即称为大体积混凝土。
美国混凝土学会
波松比
ν = 侧向相对缩短 / 纵向相对伸长 z
δz = a εz δx= δy = –a νεz V = (a+ δx)(a+ δy)(a+ δz) V = a3 +a2δx+a2δy+a2δz 体积变化：dV = a2(δx+δy+δz)
相同点：均由于水的迁移所引起；
不同点：1.自缩不失重； 2. 自身收缩各向同性地发生，干缩由表 及里地发生； 3.水灰比降低时，干缩减小，自缩增大； 4.覆盖后（或拆模前）不发生干缩，而 自缩必须通过湿养护处理。
强度
放热
体积减小
水泥浆水化“永恒的三角形”
热收缩与开裂
Thermal Shrinkage and Cracking
美 国 混 凝 土 学 会 实 用 手 册
干燥收缩 Dry Shrinkage
由于外加剂，尤其是高效减水剂和矿物 掺合料的应用，混凝土的水胶比可以明显降 低，泌水减少，干缩也明显减小。但与此同 时，带来塑性开裂加剧、自生收缩增大等新 问题。
自生收缩
自生收缩，是指混凝土体内由于水泥和水 发生水化反应，产物的固相体积增大，而与反 应前水泥与水的体积之和相比则减小。这种收 缩现象的发生与周围介质不相干，没有失重也 不增重，因此称之为自生收缩。这种收缩由化 学反应引起，也称其为化学收缩。
影响混凝土强度的因素
从微结构的角度—— 孔隙率 微裂缝
影响混凝土强度的因素
从组成材料和配比的角度： 水灰比 /水胶比（影响孔隙率）； 水泥、骨料、化学外加剂与矿物掺合料 （影响孔隙率和填充孔隙的能力）；
收缩应变受约束时 产生的弹性拉应力
无松弛作用时出现开裂
应 力
混凝土的 抗拉强度
应力松弛
松弛后1 洞庭湖大桥； 2 西安脉冲堆；
思考题
1. 混凝土的粘弹性与其在荷载和环境作用下的 开裂现象有什么关系？
2. 影响混凝土的干缩与徐变主要有哪些因素？
3. 何谓自身收缩？它怎样随混凝土的水灰比减 小而变化？为什么？ 4. 强度高的混凝土为什么更容易开裂？
• 3.
复合作用下
产生徐变
混凝土在荷载 作用下的变形
P
泊松比=0.5
体积不变 纯流体
混凝土的泊松比=？
0.2
P
什么材料的 泊松比≈0.5? 软橡胶
3.4.2 弹性行为
混凝土的弹性模量高，即刚度大，意 味着在一定荷载作用下的变形小。
混凝土的弹性模量与孔隙率关系密切， 因此影响强度的各种因素，也同样影响它 的弹性模量。
河的左岸
双曲拱桥——罗依溪桥
几种岩石的弹性模量与泊松比
岩石种类
花岗岩 闪长岩 辉绿岩 砂 岩 凝灰岩 石灰岩 大理岩
弹性模量(GPa)
6.0~ 60.0 60.0~80.0 70.0~110.0 6.0~ 25.0 2.0~ 20.0 30.0~40.0 50.0~80.0
泊松比()
洞庭湖大桥为什么开裂？
1. 高强混凝土的强度发展快，弹性模量上升 迅速，很快产生很大的弹性拉应力；
2. 高强混凝土徐变小，应力松弛作用差； 3. 高强混凝土水胶比低，早期自身收缩大；
4. 混凝土浇注时间长，养护不及时；
5. 浇注时节气温高，加速水泥水化，温升大。
问题？
1. 桥梁施工混凝土早期强度为什么要求那么高？ 2. 桥梁施工混凝土浇注时间为什么那么长？ 3. 怎样能做到及时养护？
§3.3 混凝土 的强度与破坏
3.3.1 强度—孔隙率关系 3.3.2 混凝土的破坏模式 3.3.3 抗压强度及其影响因素
1. 混凝土组成材料的特性与配比 2. 浇注;
3. 养护 ;
3.3.4 混凝土在不同应力状态下的力学行为
混凝土的破坏模式
随着应力的增长，混凝土体中 微裂缝逐步地扩展，并相互连通形 成大裂缝，导致破坏。
3.4.3 温度收缩与热膨胀
3.4.4 干燥收缩与徐变
3.4.5 自生收缩 3.4.6 碳化收缩
1.塑性沉降裂缝 2.塑性收缩裂缝 3.早期热缩裂缝 4.干缩裂缝 5.发丝裂纹 6.钢锈裂缝 7.冻融侵蚀 外部 约束 内外 约束
钢筋 上方
随机
钢筋 上方
镘平
厚度 变化
8.冲击
9.力学损伤
剪切
对角
弯折
自生收缩的机理
水化反应进行过程中，一部分拌合水由 化学反应消耗，一部分填充凝胶孔。当水灰 比较大时，凝胶孔基本上充满水，自身收缩 很小；水灰比较小时，凝胶孔形成弯月面， 产生自干燥作用，外界压力使水泥浆体收缩。
孔隙
凝胶
凝胶孔
毛细孔
弯 月 面
凝 胶 孔
干 缩 与 自 生 收 缩
自缩与干缩的异同点
1) 起因于硬化水泥浆体； 2) 应变-时间曲线非常相似； 3) 影响干缩的因素通常也同样影响徐变； 4) 都达到400～1000微应变(μm/m,×10-6）， 以至设计上不可忽略； 5) 都部分可逆。
干 缩 与 徐 变
应力
加载
卸载
应变
t=0
(a)
时间
应变
(b)
时间
粘弹性材料在一定 应力作用下的徐变
0.11 ~ 0.23 0.25 0.07~ 0.22 ~ 0.11 0.19 ~ 0.27 0.25 ~ 0.28
一些岩石的线膨胀系数
岩石种类
花岗岩 闪长岩 辉绿岩 砂 岩 石灰岩 大理岩 硅 岩
线膨胀系数(10-6/℃)
5 ~ 11.9 4.1~10.3 3.6~ 7.0 8 ~12.0 4 ~12 5 ~9.0 11
干燥收缩 Dry Shrinkage
（硬化）混凝土与周围环境存在湿 度梯度，引起水分蒸发产生体积收缩的 现象。
干燥环境
混凝土表面
泌水速率 < 蒸发速率
开裂
干燥收缩 Dry Shrinkage
1. 路面板、桥面板、机场道面、停车场等暴露 面积大且厚度较小的结构物干缩最为显著；
2. 影响蒸发量的环境因素，包括气温、混凝土 温度、相对湿度、风速和太阳辐射热，均影 响干缩；
热收缩与开裂
近几十年来，基础、桥梁、隧道衬 砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混 凝土开裂的现象增多，同时发现干燥收 缩通常在这里并不重要了。水化热以及 温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋 混凝土约束应力和开裂的主导原因。
热收缩与开裂
由于70年代美国混凝土桥面板普遍出现开裂， 因此转向使用更高强度的混凝土，但是看来这无 济于事。根据国家公路合作研究计划1995年的调 查表明：10万多块混凝土桥面板是在混凝土浇筑 后一个月内就出现了间隔1-3米的贯穿性裂缝。
§3.4 混凝土的体积稳定性
开 裂 的 诊 断
洞庭湖大桥
西 安 脉 冲 堆 堆 本 体
80%以上的开裂都是由于混 凝土变形所引起，只有很小一部 分是由于承载力不足导致。
——裂缝治理专家 王铁孟
3.4.1 变形的类型
• 1.
• 2.
荷载作用下
非荷载作用下
产生弹性与非弹性变形
产生收缩与膨胀变形
参考书
1. The Science and Technology of Civil Engineering Materials.
2. Materials Science for Civil and Highway Engineer. 3. Concrete: Structures,Properties and Materials. P. K. Mehta
3. 混凝土凝固缓慢干缩大，但产生应力小；骨 料用量多、水灰比低时，干缩小；
影响蒸发速率的因素
1）气温； 2）混凝土体温； 3）相对湿度； 4）风速； 5）太阳辐射热； 以上任意两个因素的组合都属于热天 混凝土浇注( Hot Weather Concreting )。
蒸 发 速 率 图 表
气温
混凝土温度