混凝土收缩

混凝土体积稳定性混凝土的体积稳定性指在荷载或非荷载作用下，混凝土的变形。非荷载变形的类型•混凝土内部湿度变化导致的体积变化•温度变化导致的体积变化•化学反应导致的体积变化•沉降导致的体积变化混凝土内部湿度变化导致的体积变化•干燥收缩（Dryshrinkage）：混凝土在未饱和空气中因向外界散失水分而产生的收缩。干缩与水灰比、环境温湿度、胶凝材料组成、骨料品种与比例、养护条件、龄期等因素有关。–100g水泥浆体，可蒸发水分约6ml–混凝土C=300kg/m3，可蒸发水分约18l–水泥砂浆干缩值约0.1~0.2%–水泥混凝土180天自由干缩值约0.04~0.06%•自收缩（Autogenousshrinkage):在与外界没有水分交换的条件下，混凝土内部自干燥作用引起的宏观体积收缩。混凝土的自收缩在初凝以后开始产生。自收缩大小与水胶比、胶凝材料组成、减水剂品种与掺量、骨料品种与比例有关。自收缩机理•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，外界的压力使水泥浆体收缩。自收缩的测定方法自收缩与干缩的异同点相同点：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。•常规收缩试验测定结果是干燥收缩与自收缩的叠加。•普通混凝土的干缩测定值中自收缩值占10%左右；低水胶比的高强或高性能混凝土的自收缩值则大得多。•干燥收缩是引起普通混凝土开裂的主要原因之一。温度变化导致的体积收缩•混凝土在硬化和使用期间，随温度降低而产生的宏观体积收缩。•水泥的水化热、外界热源及环境温度变化是引起温度收缩的主要原因。•与水胶比、胶凝材料的组成与用量、混凝土拌和物入模温度、环境温度变化、内部的相对湿度、结构形式等因素有关。020406080100120010203040506070UHPCOPCHPC绝热温升(℃)水化时间(小时)与普通混凝土相比，高性能混凝土的最大绝热温升降低10℃，最大温峰达到时间推迟约5小时。混凝土的绝热温升•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。大体积混凝土任何现浇混凝土，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•温度收缩是引起大体积混凝土开裂的主要原因。•高强和高性能混凝土具有较大的温度收缩。化学反应导致的体积变化•水化收缩（硬化收缩或化学收缩）：水化过程中水化产物的绝对体积减少。硅酸盐水泥的水化收缩约7%。混凝土C=300kg/m3，减缩值21~27L/m3初凝以前水化收缩表现为宏观体积收缩，初凝以后则导致内部微裂缝产生。水化收缩•膨胀组分引起的体积膨胀：由膨胀组分的水化反应导致混凝土发生宏观体积膨胀。可能导致开裂破坏；也可补偿收缩。•碱-骨料反应引起的体积膨胀：胶凝材料中的碱与骨料中的活性氧化硅或碳酸钙发生化学反应，生成碱-硅酸凝胶或碱-碳酸盐晶体，致使混凝土膨胀。强度放热体积减小水泥浆水化“永恒的三角形”沉降导致的体积变化•塑性收缩：在混凝土仍处于塑性阶段，由于重力沉降，其顶面有所下沉。当表面失水速率超过实际泌水速率时，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因收缩受到限制所引起的应力时，就产生开裂。混凝土表面泌水速率蒸发速率开裂荷载导致的变形——徐变•荷载作用下超过弹性应变和自由干燥收缩应变总和的变形。•徐变的原因是在荷载作用下，C-S-H凝胶失去物理吸附水。•徐变有可逆与非可逆的区分。干燥与徐变的可逆性影响干缩与徐变的因素•材料与配合比Powers认为混凝土收缩（SC）和水泥浆收缩（SP）之比与混凝土中骨料的体积分数（g）有指数关系：根据骨料弹性模量的不同，n值变动于1.2~1.7。npcgSS)1(混凝土徐变（CC）和水泥浆体（CP）与骨料（g）和未水化水泥含量（μ）之间可有关系：gCCcp11loglog•骨料的级配、最大粒径、粒形和结构可影响混凝土的收缩和徐变。其中骨料的弹性模量最为重要。•水泥的细度和组分影响水化速率，但不影响水化产物的体积和特性。水泥的细度和组分变化可影响砂浆或净浆试件的干缩，但对混凝土无甚影响。如果水泥品种对混凝土强度有影响时，则也将影响混凝土的徐变。•水泥用量和用水量不直接影响混凝土的干缩和徐变。•时间与湿度：混凝土中水分扩散是缓慢的过程。两周仅完成20年干缩的20~25%；3个月完成50~60%；1年完成75~80%。徐变系数在100%RH时为1，在80%RH时为2，在45%RH时达3。收缩和徐变对混凝土开裂的影响混凝土的极限拉伸•混凝土结构的开裂一般均由拉应力引起。•对于变形导致的开裂，除考虑材料的抗拉强度外，材料的抗变形能力，即极限拉伸更重要。•混凝土的极限拉伸值约为110-4。混凝土裂缝间距计算式中：E：混凝土的弹性模量H：结构物高（厚）度Cx：地基水平阻力系数α：温度变形系数εp：极限应变，应考虑配筋和徐变的影响T：温度差，包括水化温差、气温差、收缩当量温差pxTTCEHLarcch2][max•底板与垫层间的摩擦情况影响开裂间距。•通常│αT│大于│εp│，两者差越大，开裂间距越小。当│αT│趋近于│εp│，开裂间距趋近于无穷大，可取消伸缩缝。•工程上常用总变形小于极限拉伸的原则控制裂缝。•膨胀剂的作用高性能混凝土的开裂问题•高性能混凝土的开裂趋势大于普通混凝土。•高性能混凝土的水胶比低，细粉含量大，使其强度增长快，密实度高，水分迁移困难。•当水胶比大于0.40（普通混凝土），内部空隙可保持100%的相对湿度；而水胶比较低时，随水化的进行，内部相对湿度可下降到80%以下。•由于自干燥导致的自收缩，高性能混凝土较大，其初期的收缩较大。•由于水分迁移困难，高性能混凝土的后期干缩较少。非稳定裂缝的发展，普通混凝土出现在干燥后500天，高性能混凝土则只需13天。此时普通混凝土的最大约束应力为2MPa，高性能混凝土为4.5MPa，分别为各自抗拉强度的50%和75%。两种混凝土单位长度的约束反力发展情况评价混凝土开裂趋势的方法•开裂环•开裂试验架和温度试验机•平板试件利用温度变化，失水干燥等方式在混凝土内部产生应力，当其大于混凝土的抗拉强度时，混凝土即开裂。基本是定性评价方法。开裂环装置•特点：–提供的约束较高，且均匀。–可直接评价混凝土的收缩开裂趋势•评价指标：–混凝土环的初裂时间和最大裂纹宽度开裂的影响因素•材料因素：胶凝材料的细度、水化速率、水化热、强度发展速率。•配合比因素：水胶比、浆体含量、骨料弹性模量。•约束因素：体积、配筋率•环境因素：气温、风速、湿度。圆环试验结果00.10.20.30.40.50.60.70.80.912d2.5d3d4d5d6d7d9d12d14d16d19d21d23d26d28d龄期(天)最大裂纹宽度(mm)Yj普通-7dYc高强-2.5dYk矿渣-30%-2dYf粉煤灰-30%-6dYs硅灰-10%-2d高强混凝土环的初裂时间早，各龄期最大裂纹宽度大，收缩开裂趋势明显大于普通混凝土。收缩试验结果01002003004005006007008001d3d7d14d28d45d60d90d龄期(天)收缩率(微应变)Yj普通基准Yc高强基准Yk矿渣-30%Yf粉煤灰-30%0200400600800100012000.5d1d1.5d2d2.53d5d7d14d21d28d45d60d90d龄期收缩率(微应变)Yj普通基准Yc高强基准Yk矿渣-30%Yf粉煤灰-30%Ys硅灰-10%标准干燥收缩试验方法圆环同步法