高强混凝土结构裂缝防治技术研究.pdf

d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 9 1 0 7 2 0 1 4 0 8 0 4 7 菖 高强混凝土结构裂缝防治技术研究 雪 昌 Study on C rack Prevention and Treatm ent Technology in H igh Strength Concrete 雪 刘 敏 。邓 宏 摘要 ： 通过对高强混凝土收缩裂缝产生机理的研究掌握 高强混凝土收缩裂缝特点。 该 文结合工程 实际 提 出针对高强混凝 土收缩 裂缝防治的有效 措施 。 并用通过试验对其 中部分措施的有效性 予以证 明， 为从源 头上解决 高强混凝土收缩裂缝问题提供 参考。 关键词 ： 高强混凝土 ； 收缩裂缝 ； 防治措施 ； 弯月面体 系； 毛细管压力 ； 膨胀剂HCS A 中图分类号 ： TU5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 9 1 0 7 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 4 7 0 3 Ab s t r ac t ： F e a t u r e s o f c o n t r a c t i o n c r a c k i n hi g h s tre n g t h c o n c r e t e c a n b e ma s t e r e d t h r o u g h s t u d y o n it s o c c u lT e nc e me c h ani s m Ba s e d o n e n g i n e e rin g p r a c t i c e e f f e c t i v e me a s u r e s o f c o n t r a c t i o n c r a c k p r e v e n t i o n i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a r e pu t f o r war d wi t h e x p e rime n t s d o n e t o p r o v e t h e e ffi c i e n c y o f t h e me a s u r e s I t p r o vi d e s s o m e r e f e r e n c e s fo r s i mi l ar pr o b l e ms Ke y wo r d s： hi g h s tre n g t h c o n c r e t e ； c o n tra c t i o n c r a c k； p r e v e n t i o n a n d t r e a t me n t me a s ure s ； me n i s c u s s y s t e m； c a p i l l a r y p r e s s ure ； e x p a ns i v e a g e n t HCS A 0引言 高强混凝土可 以有效减 小截 面尺寸 、 减轻 自重 在 高层 结 构 、 高耸结构 、 大跨 度结构的建设 中得到广泛 应用 。但 由于高 强混凝土具有 低水 灰 比、 高效减水 剂和矿物掺合料 等特征 在 实际： I 程 中容易因为收缩而产生裂缝。裂缝 的存在 和扩展 除 使得相应部位 构件的承载力受到一定程度 的削弱 还会 引起 渗漏 、 保 护层剥 落 、 钢 筋锈蚀 、 混 凝土碳化 、 持 久强度 降低等 ， 甚至危 害建筑 物的正常运行或缩短建筑 物的使用寿命 。收缩 裂缝 问题 已成 为长期困扰建筑工程技术 人员的技术难 题和高 强混凝土进一步应用 的一个障碍 本文通过对 高强混凝 土收 缩裂缝产 生机理 的系统 研究 并结 合实际工程 提 出方便易用 的高强 混凝土收缩裂 缝防治 措 施 1高 强混凝 土收缩裂缝特点 混 凝 土 的收 缩 大 致 可 分 为 ： 塑 性 、 自生 、 化 学 、 干 燥 、 温 度 和碳 化六种 1 1塑 性 收 缩 在干燥或炎热的气候条件下 混凝 土在浇筑 后几个小 时 内 当泌水到达混凝土表 面的速率小于混凝土水 分蒸发速率 时 靠近混凝土表面 的粒 子之 间的水将形成复杂 的弯月面体 系( 如 图1 所示 ) 。由L a p l a c e 方程可得毛细管压力 ， P c = ( I Rl + 1 R 2 ) ( 1 ) 式 中： 盯 为液体表面张力 ， R。 和R 为液体表面曲线半径 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 0 7 作者 简介 ： 刘敏 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 湖南冷水江人 ， 研 究生 ， 高级工程师 ， 主 要从事建筑施工技术工作 。 卜P c - 一 图1毛细管压力简图 通 常情况下 高强混凝土 的水灰 比很低 自由水分也较 少 混凝 土内的水 分很 难及 时补充表面蒸发的水分 ， 导致在靠 近高强混凝土表面 的粒子之 间很容易且很早 就形成弯月面体 系。由此产生的毛细管 压力促使混凝土颗粒相互靠 近。 由于混 凝土本身 的约束作用 此 时即会在混凝 土内产生 由塑性收缩 引起的拉应力。在实 际工程 中这一拉应力容易引起表面开裂 。 1 2自生 收缩 和塑性收缩类似 根本原 因还是在 于水分减少形成 弯月 面产生毛细管压力 ， 在混凝土 中形成拉应力 。不 同之处 在于 ， 自生收缩 的水分减少不是 因为蒸发 。 自生收缩的特点在 于它 并不与外界产生温度 或水分 的交换 而是因为 自身水泥水化 反应消耗 了混凝 土拌合 时 自带 的水 分 l l 】 高强混凝土水灰 比 小 自带水分更少 因此 产生 自生收缩裂缝的问题也就更严 重 。 1 3化学收缩 混凝土化学收缩主要是由水泥 的水化引起 。而高强混凝 土 的水化程度 因为水 胶比低的关系受到相应的制约 所 以其 化学收缩量小于普通混凝 土的化学收缩量 1 4干燥收缩 事实上 干燥 收缩并 不是 高强混凝土产生收缩裂缝 的主 要原 因。这是因为高强混凝土 的水灰 比一般较低 ， 其水化后的 孔 隙率低 ， 很多水 泥颗粒都没 来得及水 化 ， 混 凝土 比较 密实 ， 重 庆 建 筑 2 。 14 N 。 8 第 1 3 卷 总 第 1 3 0 期 _ 舅 柳 l了 -p-臊 tier缩 1 15 温 度 收 缩09 雷 绝热状态下 ，普通水 泥的绝 热温升约为 lo(100kgm )， 喜 0v7o 而 高 强混 凝 土 因 其水 泥 用 量 多 ，绝 热 温升 可 以达 N45C 言 。6 (450kgm )。 当然 ，这里 的温 升是指绝热状态下 ，实际工程 中， 篓 0045 最高温升小于绝热温升 。但是 ， 这并不影响单位体积高强混凝 0 3 土温升大于普通混凝土 的规律 0 2 0 1 舯 抽 太 下， 昆凝4 - 的 沮I瞽 全 影 由 1 柚 蟠 竹 I瞽I, I 而影响混凝土 的最高温升 因此水泥用量和温升值 之间绝不 是简单 的正 比关系 温升 提高的倍 数要大于水泥用 量提高的 倍 数【 高温升导致 高强混凝土早期易开裂 的原 因主要表现为 ： 高强混凝土在硬化早期 释放大量热量 这种热量 可使发 生膨胀 ， 加上 周边 约束 这种膨 胀最终会在混凝土 内形成 压应 力。但是 由于硬化早期混凝土多处 于流动或可塑状态 这种压 应力一般不会 引起开裂 。而由于高强混凝土早期水化速度快 在短时间内达到最大温升时 ， 混凝土 已经相 当坚硬 不再 具备 可塑性 。此时温度开始下降至常温时 。 就会产生较高 的收缩应 力。实际工程 中， 高强混凝土 的温升一般能达到3 5 4 0 达到 最高温度后又要迅速降至 常温 因此就造成 了很大 的温 降收 缩 ， 成为高强混凝土早期 易开裂 的主要原因之一 1 6碳 化 收 缩 高强混凝土孑 L 隙率低 比较致密 相 比普通混凝土更 有利 于减小碳化收缩 综 上所 述 ， 塑性收缩 、 自生 收缩 以及温度收缩是 引起 高强 混 凝 土 收缩 开 裂 的主 要 原 因 2结合工程 实际确 定高强混凝土收缩 裂缝 防治措施 2 1掺加有机减水 剂 常见的有机 收缩低减剂 有丁醇 、 聚乙二醇 、 聚醚 、 低级 乙 醇环 氧化物 的衍 生物等。图2 和图3 分别 给出了有机低减剂对 高强混凝土收缩率及开裂的影 响。从 中可 以看出 ， 掺2 0 低减 剂 的高强混凝 土收缩 率明显下降 ， 3 d 收缩率下降 T4 0 9 ， 2 8 d 制 倒 挺 一 l 姆 鲁【 3 d 4 d 5 d 7 d 1 4 d 2 1 d 2 8 d 龄期( 天 ) 图2低减剂对高强混凝土收缩性 能影响 _C h o n g q ln g A rc h ite c lu re 2 o 14 _N 0 _8N O 2 d 3 d 4 d 5 d 7 d l O d1 2 d 1 4 d 1 8 d 2 1 d 2 4 d 2 8 d 龄期 ( 天) 图3低减剂对高强混凝土收缩开裂影响 收缩率下 降了2 6 5 ； 混凝土 的初 裂时间 明显延后 试 验 中普 通高强混凝 土初 裂时间为养 护第2 天 ， 而掺2 0 低减剂 的高强 混凝 土初 裂时间推迟 到了第4 天 试验表明 掺加低减剂对减 小高强混凝土开裂有明显作用 但是直至 目前 人们对有机收缩低减 剂对水泥水化与水 泥石结构 的影响仍不是很 清楚 。有试验表明 ， 单独使 用低减剂 会造成混凝土 强度 的降低 。因此 ， 为了安全起 见， 一般建议 同 时添加低减剂 和减水 剂 这样既能减小 高强混凝土的收缩 又 能 防止强度降低 2 - 2早期养护 混凝 土结 构工程施 工 质量 验收 规范 ) G B 5 0 2 0 4 2 0 0 2 规 定 ，应在 浇筑 完毕后 1 2 h 内对 混凝 土加 以覆 盖并 进行 养护 但 是对 于 高强 混凝 土 而 言 1 2 h已错过 了最佳 养 护 时 间 弯 月 面 已经 形成 必须采 取有压 养护 否则 养护 水根 本不 能和 内部水连 在一 起消除 弯月 面 ，无法 消除 收缩 应力 ：更 有甚 者 ，如果 此时 混凝土 孔 隙水分 已经 出现 断开 现象 不在 连续 时 ， 连有压 养护都 没法 消除 收缩应力 因此 高强混 凝 土必 须及 时养护 本文建议在高强混凝土初凝 前( 要看 使用的缓凝剂效果 以及计算从运输到浇筑 完毕 的时间 这个要在施丁 过程 中自 己把握 ) 即采取潮湿养 护 ， 并 可采 取蓄水 、 浇水 、 喷淋 洒水 或覆 盖保湿等方式 ，养护水 温与混凝土表面温度之 间的温差不宜 大于2 O ； 潮湿养护时间不宜少于 1 0 d 。 如果错过 了最佳养护时 间 ，必须采取有压养护 ，使 混凝 土内部水分与养护水 形成整 体 过后可 以恢复常规潮湿养护 2 3采用粉煤灰水泥和低热水泥 粉煤灰水泥早期活性低 可以降低混凝土早期水化 反应 热 ， 从 而减少混凝 土早 期裂缝的 出现 这 已成为业界共识 但 粉煤灰的掺量对混凝土 的性 能还 会有影响 并不是掺量 越大 越好。从 目前 已有的试验数据 可以看 出 要想减 少混凝土的早 期裂缝 ， 同时又不影响混凝土 的其他性能 最佳 的掺量 在1 5 4 0 之间 ， 在这个 范 围内 ， 粉 煤灰 掺量越大 早 期裂 缝越少 越 小。 图4 ( a ) 一 4 ( c ) 分别给出了不同掺量粉煤灰在初始开裂时间、 2 4 h 内的最大 裂缝 宽度 以及裂缝 总面积 三个方 面对 高强 混凝 土的影响。图中R 表示没有掺加粉煤灰 、 F A 1 0 、 F A 3 0 和F A 5 0 分 别表示粉煤 灰掺量为 1 0 、 3 0 和5 0 。 从中可以看 出随着粉煤 啪 啪 瑚 枷 伽 瑚 瑚啪 。 高 强 混 凝 土 结 构 裂 缝 防 治 技 术研 究 灰 掺量的增加 2 4 h 内的最大裂缝宽度 以及裂缝总 面积呈下降 趋 势 ： 当粉煤灰掺量小于3 0 时 粉煤灰掺量越高 ， 高强混凝土 初 始开裂时 间越长 当粉煤灰掺 量达到5 0 时 。 初始 开裂时 间 反而变短 试验表 明 掺加粉煤灰对减 小高强混凝 土收缩 开裂 有明显作用 ， 但当粉煤灰过 多时 ， 也会 造成初始 开裂时间提早 的可能 ， 因此 ， 建议粉煤灰 掺量 不要超过3 0 。 厦 富 碟 暴 E ( 倒 懈 ( 捌 碟( 嘣l E 陶 趱 爨 l 碟 以 膨胀剂能有效地补偿高强混凝土的收缩 。 图5膨胀剂对高强混凝土收缩性能影响 图6膨胀剂对高强混凝土收缩开裂影响 2 5其他措施 弹性模量 较大的骨料 与纤 维对高强混凝土 自收缩 有抑制 作用 。增加骨料掺量 、 适 当添加低弹性模量 的聚合物纤维和高 弹性模量 的钢钎维或碳纤维也可有效抑制高强混凝土收缩。 R F A1 0 F A 3 0 F A 5 0 ( c ) 裂 缝总 面 积 3结语 图4粉煤灰掺量对高强混凝土开裂的影响 2 4掺加膨胀剂补偿收缩 目前市场上 出售 的混凝土膨胀剂主要是U E A 膨胀剂 但是 这种 膨胀剂主要适用 于补偿 普通混凝 土的收缩 由中国建筑 材 料科学 研究 总院研 制的 高性能混 凝土膨 胀剂HC S A 更适 用 于补偿高强混凝土 的收缩 。具有膨胀 能高 、 膨胀 快 、 绝 湿膨胀 大 、 膨胀性能稳定 的特点。 该膨胀剂 的主要矿物成分是C a S O 和 C a O。 其膨胀率是市售U E A 膨胀剂的3 倍 。 绝湿情况下 限制膨胀 率值 约是水 中的8 2 很多工程 中已经使用 过HC S A 高性能混 凝 土膨胀剂 ， 效果 良好 。主要 有天津杨柳青 购物广场工程 、 天 津春和仁居地下工程 、 天津梅 江畅水 园、 天津市津 滨水厂 以及 天津君临大厦等 图5 和 图6 为通 过试验 得 出的H C S A 膨 胀剂 对高强 混凝 土 收缩率及开裂的影响。从 中可 以看 出 混凝土早期 自由收缩基 本不 受膨胀剂 影 响 ， 而在2 1 d 、 2 8 d 的后 期龄期 段 ， 收缩 比不掺 膨胀剂 的混凝 土略小 ； 而掺 加膨胀剂后 。 初始 开裂时间从2 d 推 迟到3 d 最大裂缝宽度也要 明显低 于不 掺膨胀剂 的混 凝土 ， 所 高强 混凝土的收缩 裂缝问题是 长期困扰工程 界的 问题 本文通过研究收缩裂缝 的产生机理 提 出了高强混凝土收缩 裂缝的几点防治措施 对 减小高强混凝 土收缩 裂缝有重要意 义 。 参考文献 ： 1 1 张君 ， 侯东伟 ， 高原 混凝 土 自收缩 与干燥收缩 的统一 内因 J 清华 大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 1 0 ， 5 0 ( 9 ) ： 1 3 2 1 1 3 2 4 f 2 杨华全 ， 肖开涛 ， 董芸 ， 等 混凝土化学收缩的试验方法 及影响 因素探讨 J 人 民长江 ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 3 ) ： 4 5 3 】 朱耀 台， 詹 树林 混凝土裂缝成因与防治措施研究 J 材 料科学与工程学报 。 2 0 0 3 。 2 1 ( 5 ) ： 7 2 7 7 3 0 4 1 杨 红霞 ， 郑光 明 混凝土温度收缩裂缝的产生机理及对 策 J 延安大学学报( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 2 ) ： 4 3 4 4 5 1 谢春磊 ， 谢曼娜 ， 姜兆兴 ， 等 混凝土碳化破 坏 的研究 与 进展 J 建材世界 ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 1 - 1 3 责任编辑 ： 孙苏 。 李红 重 庆 建 筑 2 。 14 N 。 8 第 13 卷 总 第 1 3 0 J _ 啪咖珈咖姗伽姗姗啪。 一 挺一 褂撩替 。 们 叭。 一 EE一 豫鼎i匿 略