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1、会计学1混凝土开裂机理混凝土开裂机理(j l)分析及抗裂措施研究分析及抗裂措施研究孙家瑛孙家瑛第一页，共38页。水泥混凝土：水泥混凝土：水泥混凝土：水泥混凝土：生产能耗低，工艺简单生产能耗低，工艺简单生产能耗低，工艺简单生产能耗低，工艺简单(jindn)(jindn)，成本小，成本小，成本小，成本小 较耐久，防火，适应性强，使用方便较耐久，防火，适应性强，使用方便较耐久，防火，适应性强，使用方便较耐久，防火，适应性强，使用方便 产量：产量：产量：产量：1010亿亿亿亿m3/m3/年，较年，较年，较年，较19951995年增长年增长年增长年增长2 2倍以上倍以上倍以上倍以上 21 21世纪内，水
2、泥混凝土仍然将是现代建设世纪内，水泥混凝土仍然将是现代建设世纪内，水泥混凝土仍然将是现代建设世纪内，水泥混凝土仍然将是现代建设无法替代的主要建筑材料。无法替代的主要建筑材料。无法替代的主要建筑材料。无法替代的主要建筑材料。前言(qin yn)上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第1页/共38页第二页，共38页。混凝土因这一“先天”缺陷而影响其抗渗、抗冻、抗化学介质侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成混凝土使用寿命大大缩短，维护修复(xif)费用大量上升！据有关资料，美国每年用于混凝土修复(xif)费用高达上千亿美元，我国也将在数千亿元 脆性脆性(cuxng)大大抗拉强度抗拉强度(kn l qin d
3、)低低特特别别易易开裂开裂抗冲击抗冲击 抗抗弯弯 上海市市政工程研究院第2页/共38页第三页，共38页。全国的铁路、公路及市政建设速度在近十年来非常快。与此同时，也建设了大量钢筋混凝土桥梁。这些公路桥或铁路桥有些处于沿海地域，投入使用10年左右就出现了严重的损伤破坏。我们调查(dio ch)了上海、山东、浙江宁波等地的公路系统和铁路系统新建和服务十几年的钢筋混凝土桥梁。这些桥梁均有不同程度裂缝和开裂，具体破坏情况见图。混凝土开裂(ki li)调查及原因分析上海市市政工程研究院第3页/共38页第四页，共38页。混凝土桥梁(qioling)破坏状况The breakage of steel rei
4、nforced concrete bridge上海市市政工程研究院第4页/共38页第五页，共38页。上海市市政工程研究院第5页/共38页第六页，共38页。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第6页/共38页第七页，共38页。桥面(qio min)铺装层开裂状况上海市市政工程研究院第7页/共38页第八页，共38页。上海市市政工程研究院上海大学(shn hi d x u )土 木 工 程 系桥面铺装层开裂(ki li)状况第8页/共38页第九页，共38页。桥墩(qiodn)开裂状况上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第9页/共38页第十页，共38页。桥墩开裂(ki li)状况上 海 市 市 政
5、 工 程 研 究 院第10页/共38页第十一页，共38页。桥梁的裂缝特征(tzhng)：桥墩、主梁、盖梁、桥面板和护栏都有开裂现象，裂缝形式包括塑性收缩裂缝和硬化收缩裂缝。以上调查及测试结果表明：受调查的这几座桥梁的混凝土均有相当严重开裂现象。照此推算若干年后，有害离子经裂缝进入混凝土内部，造成钢筋锈蚀。尽管以上数据只来自几座桥梁，但其反映出的问题却带有普遍性。如果不设法进行防治，会对桥梁使用安全性和人民生命财产安全带来重大影响。因此，对钢筋混凝土桥梁提供有效的抗裂措施，延缓或阻止混凝土裂缝形成已成为一个迫在眉睫的重大课题。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第11页/共38页第十二页，共3
6、8页。水泥基混凝土材料特点：水泥基混凝土材料特点：自重大、抗拉强度低、易于干缩开裂。自重大、抗拉强度低、易于干缩开裂。混凝土开裂原因：混凝土开裂原因：1.塑性收缩，塑性收缩，2.干缩收缩，干缩收缩，3.碳化收缩，碳化收缩，4.自身收缩，自身收缩，5.温度收温度收缩。缩。混凝土耐久性的影响：混凝土耐久性的影响：抗渗性、抗冻性、抗化学介质侵蚀、抗钢筋抗渗性、抗冻性、抗化学介质侵蚀、抗钢筋(gngjn)锈蚀等性锈蚀等性能。能。本文就是针对混凝土开裂原因，提出相对应的抗裂措施。本文就是针对混凝土开裂原因，提出相对应的抗裂措施。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第12页/共38页第十三页，共38页。
7、混凝土种类塑性收缩开裂总权重值/mm2塑性开裂相对权重值/%基准混凝土141.8100掺10%SF混凝土719.2507掺20%矿渣混凝土461.8325掺30%FA混凝土148.9105上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第13页/共38页第十四页，共38页。混凝土种类水灰比w/c塑性收缩开裂总权重值/mm2塑性开裂相对权重值%基准混凝土0.40227.81001#混凝土0.50321.51402#混凝土0.55543.62383#混凝土0.30378.4166上海市市政工程研究院第14页/共38页第十五页，共38页。混凝土种类混凝土种类水泥水泥400kg塑性收缩开塑性收缩开裂总权重值裂总
8、权重值/mm2相对开裂权相对开裂权重（重（%）1#混凝土混凝土P.O.32.5711.51002#混凝土混凝土P.O.42.5863.5121.43#混凝土混凝土P.52.51067.0150.1上海市市政工程研究院第15页/共38页第十六页，共38页。混凝土种类混凝土种类水泥用量水泥用量塑性收缩塑性收缩开裂总权开裂总权重值重值/mm2相对开裂相对开裂权重权重（%）1#混凝土混凝土380437.5100.02#混凝土混凝土360320.573.03#混凝土混凝土320189.843.0上海市市政工程研究院第16页/共38页第十七页，共38页。混凝土种类混凝土种类砂率（砂率（%）相对收缩开裂相对
9、收缩开裂总权重（总权重（%）1#混凝土混凝土38100.02#混凝土混凝土40125.83#混凝土混凝土45143.74#混凝土混凝土48205.0上海市市政工程研究院第17页/共38页第十八页，共38页。塑性收缩开裂(ki li)机理 经过分析探讨，认为水泥基材料浇注成型后，由于水与水泥基材料的亲润性，水分蒸发时表层材料毛细管中形成凹液面，其凹液面上表面张力的垂直分量形成了对管壁间材料的拉应力,此时材料处于塑性阶段，材料自身(zshn)的塑性抗拉强度较低，若材料表层毛细管失水收缩产生的拉应力毛细管与材料塑性抗拉强度f塑满足下式：毛细管 f塑 则材料表层将会出现开裂现象。上 海 市 市 政 工
10、 程 研 究 院第18页/共38页第十九页，共38页。塑性(sxng)收缩开裂机理 若改变水泥基材料组成及其所处环境条件，一方面可使材料抵抗开裂的塑性抗拉强度发生变化，另一方面也可使毛细管失水收缩形成的毛细管张力发生改变，从而使毛细管与f塑满足下式：毛细管 f塑 则材料表层的开裂状况可得以(dy)减轻，甚至消失。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第19页/共38页第二十页，共38页。混凝土塑性混凝土塑性(sxng)收收缩的解决之道缩的解决之道-提高塑性抗拉强度(kn l qin d)减小毛细管张力 上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第20页/共38页第二十一页，共38页。拟采用拟采用(
11、ciyng)的抗裂措施的抗裂措施1.1.尽可能采用优质粉煤灰2.2.选择合适水泥3.3.在满足混凝土工作性能和物理力学性能前提下尽可能降低(jingd)砂率4.4.掺加一定量纤维5.5.掺加一定量膨胀剂等上海市市政工程研究院第21页/共38页第二十二页，共38页。纤维对混凝土抗裂能力(nngl)影响上海市市政工程研究院第22页/共38页第二十三页，共38页。各种各种(zhn)纤维对收缩力变纤维对收缩力变化的影响化的影响 第23页/共38页第二十四页，共38页。由图中实验结果可见，掺加纤维不仅可以降低塑性收缩应力，而且可以使达到最大塑性收缩应力时间延长。掺加聚丙烯腈纤维12mm、聚丙烯纤维、聚丙
12、烯腈纤维6mm后，水泥砂浆总的最大塑性收缩应力分别为1000N/m2；1600N/m2；和1450N/m2，较不掺纤维的1710N/m2均有不同程度的下降，其中聚丙烯腈纤维12mm可在推迟达到塑性收缩应力时间的同时，使塑性收缩应力降低最明显(mngxin)。水泥砂浆、混凝土的塑性应力降低和达到最大塑性收缩应力时间推迟可以使水泥砂浆、混凝土通过提高其相对塑性抗拉强度来达到抗裂的目的。上海市市政工程研究院第24页/共38页第二十五页，共38页。在提高(t go)其抗裂能力前提下大幅度提高(t go)混凝土的抗氯离子渗透能力上海市市政工程研究院第25页/共38页第二十六页，共38页。上 海 市 市
13、政 工 程 研 究 院第26页/共38页第二十七页，共38页。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第27页/共38页第二十八页，共38页。上海市市政工程研究院第28页/共38页第二十九页，共38页。各类纤维对塑性(sxng)收缩开裂的影响Influence of fibers on plastic shrinkage and cracking 砂 浆 种 类塑性收缩开裂总权重值/cm塑性开裂相对权重值/%基准混凝土161.5100聚丙烯腈纤维6mm100.7562.38聚丙烯纤维12mm56.336.86改性聚丙烯纤维7.254.49博凯超纤维UF5009.756.00上 海 市 市 政 工
14、 程 研 究 院第29页/共38页第三十页，共38页。由表中实验结果可知，各种纤维对混凝土抗裂效果(xiogu)是不一样的，聚丙烯腈纤维对混凝土的塑性减裂效果(xiogu)为36.6；未改性聚丙烯纤维塑性减裂效果(xiogu)为63.1；而改性聚丙烯纤维对混凝土塑性减裂效果(xiogu)为95.5、博凯超纤维对混凝土塑性减裂效果(xiogu)为94.0，因此可以认为改性聚丙烯纤维和博凯超纤维对抵抗混凝土塑性开裂十分有效。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第30页/共38页第三十一页，共38页。改性聚丙烯纤维降低混凝土开裂风险的机理(j l)在于提高混凝土塑性抗拉强度；而博凯超纤维同时具有减
15、小混凝土毛细管张力和提高混凝土塑性抗拉程度。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第31页/共38页第三十二页，共38页。膨胀剂对混凝土抗裂能力膨胀剂对混凝土抗裂能力(nngl)影响影响上海市市政工程研究院第32页/共38页第三十三页，共38页。由表中数据可见，随着湿度的增大，裂缝数量明显减少，当养护湿度为100%时，无裂缝产生(chnshng)，而当湿度为20%时，开裂总权重值达403.65cm，该值大于基准混凝土在同等条件下的开裂总权重值。从表中数据还可以看出，当湿度增加时，裂缝宽大于2mm的有害裂缝长度逐渐减少。第33页/共38页第三十四页，共38页。不同湿度条件下塑性不同湿度条件下塑性
16、不同湿度条件下塑性不同湿度条件下塑性(sxng)(sxng)收缩力随时间的变化曲线收缩力随时间的变化曲线收缩力随时间的变化曲线收缩力随时间的变化曲线上海市市政工程研究院第34页/共38页第三十五页，共38页。上图为湿度对塑性阶段收缩力的影响，此次试验中我们选择了上图为湿度对塑性阶段收缩力的影响，此次试验中我们选择了20%20%，60%60%和和100%100%三个湿度条件，图中曲线可以反映出，湿度越小，三个湿度条件，图中曲线可以反映出，湿度越小，砂浆产生砂浆产生(ch(ch nshng)nshng)应力的时间越早，而当湿度足够大时，可以延应力的时间越早，而当湿度足够大时，可以延缓产生缓产生(c
17、h(ch nshng)nshng)收缩应力的时间，使砂浆本身有足够的时间增加收缩应力的时间，使砂浆本身有足够的时间增加强度以此来抵抗由于收缩而产生强度以此来抵抗由于收缩而产生(ch(ch nshng)nshng)的收缩力；另外一方面，的收缩力；另外一方面，湿度为湿度为20%20%时，产生时，产生(ch(ch nshng)nshng)的收缩力较大，且湿度的收缩力较大，且湿度20%20%和和60%60%时，均出现由于裂缝贯穿现象。这是由于环境相对湿度越低，孔时，均出现由于裂缝贯穿现象。这是由于环境相对湿度越低，孔中实际蒸汽压力越小，这使小孔中的水蒸发，产生中实际蒸汽压力越小，这使小孔中的水蒸发，产
18、生(ch(ch nshng)nshng)更大更大的毛细管压力，致使混凝土发生较大的塑性收缩。的毛细管压力，致使混凝土发生较大的塑性收缩。第35页/共38页第三十六页，共38页。钢渣(gngzh)掺量10时，膨胀剂掺量对膨胀率的影响 上海市市政工程研究院第36页/共38页第三十七页，共38页。结论结论(jiln)与建议与建议n n1.1.现有结构中高性能混凝土基本上都有开裂的危险，有的已经出现不同程度的开现有结构中高性能混凝土基本上都有开裂的危险，有的已经出现不同程度的开裂，如不采取有效措施裂，如不采取有效措施(cush)(cush)后果不堪设想。后果不堪设想。n n2.2.在掺硅灰，磨细矿渣高
19、性能混凝土中掺一定量的纤维可以改善混凝土的抗裂能在掺硅灰，磨细矿渣高性能混凝土中掺一定量的纤维可以改善混凝土的抗裂能力。力。n n3.3.掺纤维混凝土各项指标均比普通基准混凝土优良。掺纤维混凝土各项指标均比普通基准混凝土优良。n n4.4.掺加合成纤维明显减少水泥砂浆开裂的原因在于其使砂浆塑性收缩应力的降低掺加合成纤维明显减少水泥砂浆开裂的原因在于其使砂浆塑性收缩应力的降低和达到最大塑性应力时间延迟。和达到最大塑性应力时间延迟。n n5.5.在混凝土中掺加博凯超纤维可以大幅度提高混凝土的抗冻融能力。在混凝土中掺加博凯超纤维可以大幅度提高混凝土的抗冻融能力。n n6.6.膨胀剂在混凝土早期养护过
20、程中必须有充足的水分才可发挥作用，其反应通式膨胀剂在混凝土早期养护过程中必须有充足的水分才可发挥作用，其反应通式为：为：n n6Ca+3A12O3+3SO3+32H2O+60H6Ca+3A12O3+3SO3+32H2O+60H3CaOA12O33CaSO432H2O3CaOA12O33CaSO432H2O（AFt)AFt)十十3H2O3H2On n但纤维混凝土对水分养护没有特殊要求。但纤维混凝土对水分养护没有特殊要求。n n7.7.分散性也是很重要的一点。膨胀剂是粉剂不存在分散性差的问题，而纤维却很分散性也是很重要的一点。膨胀剂是粉剂不存在分散性差的问题，而纤维却很大程度上是由于这一点才没有得到在混凝土中的广泛应用。大程度上是由于这一点才没有得到在混凝土中的广泛应用。n n8.8.工程施工要求。膨胀剂要求充分养护，而纤维混凝土则要求在混凝土拌和前具工程施工要求。膨胀剂要求充分养护，而纤维混凝土则要求在混凝土拌和前具有很好的分散性。有很好的分散性。上 海 市 市 政 工 程 研 究 院第37页/共38页第三十八页，共38页。