混凝土塑性裂縫產(chǎn)生機(jī)制及對策.doc

研究生課程考核試卷科 目：建設(shè)工程質(zhì)量控制與管理 教 師： 王沖 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 建筑材料 類 別： 學(xué)術(shù) 上課時間： 2015 年 3 月至2015 年 5 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 混凝土塑性裂縫產(chǎn)生機(jī)制及對策摘要：塑性裂縫是一種常見的混凝土早期裂縫，發(fā)生以后會影響混凝土外觀質(zhì)量和耐久性。本文簡述了塑性裂縫形成的毛細(xì)管應(yīng)力機(jī)理和塑性沉降機(jī)理，并討論了塑性裂縫的影響因素及預(yù)防措施。關(guān)鍵詞：塑性裂縫、產(chǎn)生機(jī)制、影響因素、預(yù)防措施1 前言混凝土是目前使用量最大、應(yīng)用最廣泛的一類建筑材料，但是許多混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)與使用過程中出現(xiàn)了不同程度、不同形式的裂縫。這不僅影響建筑物的外觀，更危及建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，裂縫問題倍受人們關(guān)注。混凝土裂縫從成因上分通常有兩大類：結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫是指由于荷載不當(dāng)或過大造成混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度或剛度不足，裂縫的寬度失去控制而引起的較為規(guī)律的裂縫。這類裂縫會危及到結(jié)構(gòu)的安全，必須對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。一般來說，這類裂縫在混凝土構(gòu)件施工和使用階段都可能出現(xiàn)。非結(jié)構(gòu)性裂縫是指由于施工、材料、溫度等原因引起的裂縫，一般這類裂縫都較有規(guī)律，并且會影響到建筑的正常使用和混凝土的壽命，必須加以處理。這類裂縫一般僅在施工階段出現(xiàn)。1非結(jié)構(gòu)性裂縫主要包括塑性收縮裂縫、自生收縮裂縫、干燥收縮裂縫和溫度收縮裂縫等幾種形式。塑性收縮裂縫和干縮裂縫不同，雖然都是由于混凝土失水產(chǎn)生的表面張力引起，但干縮主要是由混凝土終凝后內(nèi)部水泥石的孔隙（氣孔、毛細(xì)孔、凝膠孔）水蒸發(fā)而產(chǎn)生，干縮量隨齡期逐漸增長，形成的干縮裂縫一般垂直于長度方向或在邊角呈45；塑性收縮是由于混凝土終凝以前表面失水引起毛細(xì)管壓力而產(chǎn)生的表面收縮，裂縫在混凝土終凝之前形成，一般分布不規(guī)則，易出現(xiàn)龜裂狀。圖1 塑性裂縫示意圖塑性收縮是指發(fā)生在水泥漿、砂漿或者混凝土凝結(jié)前的收縮。塑性收縮發(fā)生在混凝土成型后的幾小時內(nèi)，此時混凝土仍為塑性狀態(tài)，無法提供足夠的強(qiáng)度抵抗收縮應(yīng)力。2當(dāng)收縮拉應(yīng)力超過一定值時，就會引起混凝土塑性開裂。塑性裂縫為有害物質(zhì)提供有效的通道，且相比硬化混凝土，此時有害物質(zhì)更易滲入混凝土，同時塑性裂縫為后期其他收縮提供開裂的基礎(chǔ)。3這都將導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及外觀受到影響，因此必須嚴(yán)格控制混凝土塑性收縮開裂。2 塑性裂縫產(chǎn)生機(jī)制塑性裂縫的產(chǎn)生形式主要分為塑性收縮和塑性沉降兩種，兩者有時沒有明顯區(qū)別，相互交織在一起。塑性沉降出現(xiàn)在混凝土澆筑后半小時直到混凝土硬化時方停止。當(dāng)塑性沉降受到抑制時也要產(chǎn)生裂縫。一般來說，塑性沉降裂縫是由沉降差異，即剪切應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，而塑性收縮裂縫是由約束塑性收縮，即由新拌混凝土中的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。42.1 塑性收縮塑性收縮裂縫是指硬化前的混凝土在凝結(jié)過程中因表面水分蒸發(fā)而引起的干縮裂縫，常見于澆筑后混凝土構(gòu)件的表面，尤其是大塊混凝土板面。新拌混凝土的收縮過程大體如圖1所示。在階段，速度大于蒸發(fā)干燥速度，混凝土表面不會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象；在階段，蒸發(fā)速度大于泌水速度，混凝土表面開始收縮，但由于此時的混凝土有足夠的塑性，能適應(yīng)提及變化而不開裂；在階段，混凝土因凝結(jié)而變稠，塑性降低，而蒸發(fā)又繼續(xù)不斷進(jìn)行，就有可能引發(fā)塑性開裂；在階段，混凝土終凝后硬化，混凝土的塑性干燥收縮結(jié)束。5圖2 混凝土塑性干縮與時間關(guān)系當(dāng)新鮮混凝土表面水的蒸發(fā)速度大于混凝土的泌水速度時，水的蒸發(fā)面由表面（圖3-a）深入到新鮮混凝土漿體表面以內(nèi)，使蒸發(fā)面形成凹液面（圖3-b），凹液面產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力使固體顆粒之間產(chǎn)生引力。在第一階段（圖3-a），顆粒之間距離較大，形成的毛細(xì)管壓力較小。進(jìn)入第二階段（圖3-b），顆粒之間的水形成彎液面而且曲率半徑不斷減小，毛細(xì)管壓力也隨之顯著增大，并達(dá)到最大值，此時的毛細(xì)管壓力稱之為臨界壓力（或突破壓力）。進(jìn)入第三階段（圖3-c），由于水泥水化的不斷進(jìn)行，混凝土表面的水不能填充所有空隙而呈非連續(xù)狀態(tài)，毛細(xì)管壓力隨之迅速降低。6圖3 新鮮混凝土液面的不同發(fā)展階段混凝土在澆筑后的最初幾個小時，在干燥或炎熱氣候條件下，當(dāng)蒸發(fā)速率超過了泌水達(dá)到表面的速率時，在靠近表面的粒子（水泥和骨料）之間的水將形成復(fù)雜的彎月面體系（如圖4）圖4 毛細(xì)管壓力簡圖Powers7提出如下計算毛細(xì)管壓力的計算公式P=110-3S/(w/s)，公式中P為顆粒之間的毛細(xì)管壓力，為水的表面張力，s為顆粒的比表面積，W/C為混凝土的水膠比。Wittman8已用試驗證實了毛細(xì)管壓力和塑性收縮之間的相互作用，它們之間存在著直接關(guān)系。由Laplace方程可得毛細(xì)管壓力Pc=(1/R1+1/R2)，公式中為液體表面張力，R1和R2液體表面曲線半徑。由公式可知，被布滿毛細(xì)管的液體分隔開的粒子之間常存在的引力大小與幾何尺寸和表面張力有關(guān)。新拌混凝土中所有單個粒子相對于其他粒子來說是運動著的。因此，較小的引力就可減小粒子之間的平均距離。這樣一來，整個體系就變得密實了。隨著水化作用的繼續(xù)，最初分離的粒子被逐漸地相互固定住且最終形成了一個固體骨架。隨后毛細(xì)作用就很快停止了。2.2 塑性沉降 混凝土澆筑后，由于漿體的密度比骨料小、水泥顆粒又重于水，骨料在漿體中有下沉趨勢，而水分則向混凝土表面轉(zhuǎn)移。當(dāng)垂直下沉的固體顆粒迂到水平設(shè)置的鋼筋或緊固螺栓等埋設(shè)件處，或受到側(cè)面模板的摩擦阻力時，就會受到阻攔并與周圍的混凝土形成沉降差，導(dǎo)致在混凝土頂部表面處造成塑性沉降裂縫。此外，如果同時澆筑梁、板或柱的混凝土，由于這些構(gòu)件的深度不同，有著不同的沉降，從而在這些構(gòu)件交接面處形成沉降差并產(chǎn)生塑性裂縫。9混凝土的坍落度越大，產(chǎn)生沉降開裂的可能性也越大。在接近表面的水平鋼筋上方最容易形成沉降裂縫，并隨鋼筋直徑加粗和保護(hù)層減薄而越趨嚴(yán)重。當(dāng)保護(hù)層過薄時，塑性沉降裂縫甚至?xí)烊脘摻畋砻娌⒀刂摻钔ㄩL發(fā)展形成縱向裂縫（見圖5）。5與塑性收縮裂縫不同，塑性沉降裂縫有明確的部位和方向性，通常沿著鋼筋延伸發(fā)展或在不同深度構(gòu)件結(jié)構(gòu)改變處易出現(xiàn)沉降裂縫。圖5 保護(hù)層厚度、鋼筋尺寸、塌落度對沉降裂縫的影響3 影響塑性收縮裂縫的因素3.1 環(huán)境因素 當(dāng)水分蒸發(fā)率很高時，新拌混凝土通常易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。雖然對水分蒸發(fā)速率的測試提供了關(guān)于干燥強(qiáng)烈度的有價值的信息，但決不能在任何情況下都能把它用來預(yù)測塑性收縮裂縫是否出現(xiàn)的指標(biāo)。水分蒸發(fā)速率1.0 Kg/m2/h這個門檻值被建議用于混凝土，這就意味著當(dāng)蒸發(fā)速率超過此值時就應(yīng)對混凝土表面水分蒸發(fā)采取恰當(dāng)?shù)念A(yù)防性措施。10 高溫、高風(fēng)速和低相對濕度都會引起水分蒸發(fā)率較高，另外還有太陽輻射也在蒸發(fā)和塑性收縮裂縫形成過程中起著關(guān)鍵性的作用，這些環(huán)境因素對塑性收縮開裂形成過程起著關(guān)鍵性的作用，尤其以相對濕度的影響最為主要。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土的溫度與空氣溫度相當(dāng)且大氣相對濕度為100%時，水分蒸發(fā)速率可以忽略不計；通常環(huán)境溫度越高、風(fēng)速越大，水分蒸發(fā)速度也越大，因此大風(fēng)和高溫季節(jié)是塑性收縮開裂的高發(fā)季節(jié)。3.2 混凝土配合比3.2.1 水泥 當(dāng)其他條件相同時，高標(biāo)號混凝土與低標(biāo)號混凝土相比，水泥用量較多，單方用水量少，水膠比低，由于高標(biāo)號混凝土中由毛細(xì)管壓力引起的表面顆粒之間的毛細(xì)管壓力比低標(biāo)號混凝土的大，更易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。同時，高標(biāo)號混凝土出現(xiàn)塑性收縮裂縫的時間比低標(biāo)號混凝土提前，面積也較大。63.2.2 水灰比 不同水灰比對毛細(xì)管壓力及塑性收縮應(yīng)力的影響不同。楊長輝11等認(rèn)為水灰比對混凝土拌合物塑性收縮裂縫面積的影響存在一最不利值，該值約為0.5低，于0.5時，塑性收縮裂縫面積隨水灰比的提高而增大，大于0.5后，塑性收縮裂縫面積隨水灰比的提高而減小。單位體積水泥漿量對混凝土塑性收縮裂縫面積的影響規(guī)律與水灰比的影響類似，與最大塑性收縮裂縫面積對應(yīng)的水泥漿量在0.330.43 m3/m3砼之間。在0.350.65范圍內(nèi)，混凝土拌合物水份蒸發(fā)速率隨水灰比的提高而增大，兩者之間有良好線性相關(guān)性。3.2.3 外加劑和摻合料 由于對現(xiàn)代混凝土性能要求的發(fā)展，越來越多的摻合料和外加劑被引入到拌合物中，這些都會對混凝土的塑性收縮產(chǎn)生影響。 常見的摻合料有硅灰、粉煤灰、磨細(xì)的礦渣等，他們對混凝土屬性收縮的影響與其種類和細(xì)度有關(guān)。Al-Amoud12發(fā)現(xiàn)混凝土塑性收縮應(yīng)變量隨硅灰含量增加而增大，且都大于普通混凝土，研究發(fā)現(xiàn)隨著硅灰含量的增加，混凝土的塑性開裂區(qū)域和裂縫的寬度都將增大。由于硅灰會降低混凝土的泌水量和泌水率，混凝土表面水分蒸發(fā)而無法得到及時的補(bǔ)償，因此加入硅灰將增加混凝土塑性開裂幾率，同時也會使混凝土漿體內(nèi)部固體顆粒堆聚更加密實，表面部分細(xì)小顆粒的存在使毛細(xì)管壓力增大，顆粒之間的引力也隨之增大，增加了出現(xiàn)塑性收縮裂縫的可能性；另一方面，摻合料的存在使混凝土凝結(jié)時間延長，增加了混凝土表面的失水量，同時使混凝土表面在塑性階段的抗拉強(qiáng)度下降，進(jìn)一步增加了出現(xiàn)塑性收縮裂縫的可能性。Wang等13研究了粉煤灰對塑性收縮開裂的影響，發(fā)現(xiàn)不同種類的粉煤灰對塑性收縮的影響不同，摻F級粉煤灰對混凝土塑性收縮具有改善作用，而摻有30%和50%超C級細(xì)粉煤灰比普通混凝土具有更大的塑性收縮量。由于硅灰比粉煤灰具有更小的顆粒尺寸，可形成致密的混凝土結(jié)構(gòu)，具有更小的泌水率，導(dǎo)致塑性收縮量增大。但硅灰和普通粉煤灰的復(fù)摻具有良好的降低塑性收縮的效果。 不同種類的外加劑對混凝土的塑性狀態(tài)影響不同，因而也會對其塑性收縮產(chǎn)生不同影響。減水劑將影響混凝土的塑性狀態(tài)，一般來說將減少塑性收縮裂縫。高效減水劑使混凝土泌水減少，是因為其降低了混凝土的表面張力，更能抵抗或延長塑性收縮裂縫的產(chǎn)生。當(dāng)緩凝劑過量時，由于拌和物凝結(jié)慢和強(qiáng)度發(fā)展慢，容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。促凝劑加速了凝結(jié)因而減少了出現(xiàn)塑性收縮裂縫的可能性。3.3 斷面厚度 斷面厚度決定混凝土的泌水性。斷面越大，產(chǎn)生沉降的固體物質(zhì)越多，有更多的泌水到達(dá)表面。厚度因素常常影響塑性“沉降”裂縫（即裂縫在增強(qiáng)材料或大骨料上形成）；然而斷面越大，混凝土表面泌水的時間就越長，這種趨勢能抵抗?jié)撛诹芽p的發(fā)生?？梢哉J(rèn)為斷面越深，越不易產(chǎn)生塑性收縮裂縫，卻易于產(chǎn)生塑性沉降裂縫。43.4 纖維 纖維的自身參數(shù)如摻量、直徑、長度以及幾何形狀同樣對混凝土的塑性收縮開裂產(chǎn)生影響，其中纖維的摻量對塑性收縮影響最大。9最佳纖維摻量情況下，混凝土塑性裂縫寬度可被顯著地減小。纖維直徑也是重要的影響因素，在固定摻量下，減小纖維直徑可顯著減少混凝土塑性裂縫。纖維的長度和長寬比對塑性收縮的減小效果不大，但發(fā)現(xiàn)較高的長寬比能更好地減小混凝土的塑性開裂。不同種類、長度以及形狀纖維的混合使用，能增加混凝土韌性，使混凝土具有更高抗拉強(qiáng)度，減少早期收縮開裂，并在保證工作性和經(jīng)濟(jì)的條件下，可有效提高混凝土的耐久性。3.5 其他影響因素 工程結(jié)構(gòu)的形狀也是評估混凝土塑性收縮開裂幾率的重要因素。塑性裂縫通常出現(xiàn)在大面積混凝土結(jié)構(gòu)如橋面、樓板、路面以及隧道的頂部等部位。這些結(jié)構(gòu)的底部一般都處于被約束狀態(tài)，表面的水分蒸發(fā)量也較大，因此相比容易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。不恰當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)和方法同樣會大量增加混凝土塑性裂縫。對砂漿試驗表明塑性收縮裂縫的方向和程度極大地受到刮平操作的方向與速度的影響。4 塑性收縮裂縫的預(yù)防措施4.1 混凝土澆筑質(zhì)量控制 澆筑前，炎熱天氣下對骨料和鋼筋預(yù)冷，降低混凝土的入模溫度；骨料具有一定吸水性時，對其進(jìn)行表面潤濕；潤濕模具、地基和底板以減少水分蒸發(fā)；不過分?jǐn)嚢瑁M量縮短攪拌時間以及攪拌到澆筑、抹面、養(yǎng)護(hù)時間；在澆筑柱、梁、板等相互聯(lián)接的不同深度構(gòu)件時，應(yīng)設(shè)置施工縫或是分層澆筑，并進(jìn)行合理振搗，不過振和少振。4.2 混凝土配合比控制 選擇合適標(biāo)號的水泥，控制好混凝土的水灰比，使其具有滿足要求的水分蒸發(fā)速度；在滿足工作性的前提下，配合比設(shè)計應(yīng)使混凝土具有良好的稠度和保水性，應(yīng)盡量降低混凝土的坍落度；縮短凝結(jié)時間，凝結(jié)時間越長，混凝土表面的失水量越大，出現(xiàn)塑性收縮開裂的幾率越大；合理使用礦物摻合料和外加劑，充分考慮其對混凝土塑性收縮的影響；添加纖維，增加混凝土表面抗拉強(qiáng)度。4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制 養(yǎng)護(hù)前對混凝土表面抹平和壓光，可有效去除較淺的塑性裂縫；在混凝土表面使用風(fēng)障以減小空氣流動（降低風(fēng)速），當(dāng)澆注和抹平混凝土之間有延誤時對混凝土進(jìn)行臨時遮蓋；炎熱環(huán)境下對混凝土進(jìn)行降溫，冬季施工時避免混凝土過熱；需要時蓋上遮板以控制混凝土表面溫度；澆注和抹平混凝土后盡可能早地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，用薄膜、濕麻布、砂、淺色紙等養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)，或者對混凝土表面進(jìn)行遮蓋或噴水，以減少混凝土表面的水分蒸發(fā)。5 結(jié)語 塑性裂縫發(fā)生在混凝土凝結(jié)硬化前，是一種很常見的早期裂縫，必須引起足夠的重視。其形成機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，塑性裂縫發(fā)生以后會危及混凝土的表觀質(zhì)量和耐久性。如果合理考慮配合比、澆筑質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)方式等各方面影響因素，塑性裂縫是可以避免的。參考文獻(xiàn)1 朱耀臺,詹樹林. 混凝土裂縫成因與防治措施研究J. 材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 21(5): 727-730.2 Toledo Filho R D, Ghavami K, Sanjun M A, et al. 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