高性能混凝土早期开裂原因与防裂研究

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1、http://www.paper.edu.cn高性能混凝土早期开裂原因与防裂研究邵战涛河海大学水利水电工程学院，南京（210098）E-mail：shaozhantao@hhu.edu.cn摘要：根据高性混凝土的水化特性、物理力学特性及自收缩特性，分析了高性能混凝土早期开裂机理和影响早期开裂的主要因素。并结合工程实例，借助混凝土温度和应力有限元仿真计算方法分析研究了表面适度保温和水管冷却技术在高性混凝土温控防裂中的应用效果。研究结果表明，表面适度保温与水管冷却相结合能有效降低混凝土的内外温差，减小混凝土早期表面

2、拉应力与后期内部拉应力，防裂效果明显，对类似的工程具有借鉴作用。关键词：高性能混凝土，早期裂缝，温度应力，自收缩，冷却水管0前言近年来，我国高性能混凝土的研究、应用有了较快的发展，但是早期开裂问题仍然是制约高性能混凝土在工程中应用的重用因素。早期裂缝往往启裂于混凝土表面并且在模板拆除之前就已形成。研究结果表明混凝土早期开裂是诸多因素共同作用的结果，混凝土的自收缩[1-2]和温度应力对早期开裂的影响较大。本文从混凝土的自收缩和温度应力的作用时间出发，结合高性能混凝土的特性和漕河渡槽实际工程，采用混凝土温度场和徐变

3、应力场线弹性有限[3-4]单元法的数值仿真计算方法，详细的分析了高性能混凝土的早期开裂机理。1高性能混凝土早期开裂原因1.1温度应力1.1.1高性能混凝土的水化特性吴中伟院士这样定义高强高性能混凝土的特点：“高强高性能混凝土的特点是低水胶比，加入磨细矿物掺合料和高效外加剂”。高效外加剂虽然改善了混凝土的特性，但是也为高性能混凝土的早期开裂留下了隐患。文献[5]中指出了高效减水剂加速混凝土凝结后的水化反应，明显使硬化混凝土的强度提高，降低了混凝土的水灰比。虽然低水灰比明显降低总水化热，但是，较快的水化速率，使得具

4、有热惰性的混凝土内部温升速率与温升值较普通混凝土都高。-1-http://www.paper.edu.cn1.1.2温度应力随混凝土龄期的变化规律图1无防裂措施时三个特征点的温度和主应力σ历时曲线1Fig.1Durationcurvetemperatureandσofthethreetypicalnodeswithoutcrackcontrolmeasure1图1为漕河渡槽（单跨跨长20m）的主梁内部（跨中）三个特征点的温度和第一主应力σ历时曲线。1号点位于距离表面1.5cm，2号点距离表面15cm，3号点位于

5、主梁的中部，1距离表面70cm。在水化热的作用下，混凝土内部温度迅速升高，而与空气接触的混凝土表面温升值相对较低。因此混凝土内部受热膨胀的程度较外部混凝土大，外部混凝土对混凝土内部的膨胀的约束导致混凝土内部承受压应力，外部承受拉应力。在降温阶段，混凝土的膨胀变形逐渐减小，内部的压应力和表面的拉应力也相应减小。随着混凝土的温度场趋于稳定，混凝土内部降温收缩的程度要远大于外部混凝土。此时混凝土自身较大的强度会约束混凝土的降温收缩，使得混凝土内部承受较大的拉应力。此外，温度应力随混凝土深度增加将迅速减小，因此，早期开

6、裂往往启裂于混凝土表面。1.2自收缩与干燥收缩目前人们已经通过试验得出：高性能混凝土的自收缩主要发生在初凝后1d龄期内，1d[6]后的自收缩增长缓慢；初始收缩速率大于普通混凝土，后期收缩速率小于普通混凝土。在约束的作用下，自收缩势必在混凝土中产生拉应力，但是对于尚处于凝结硬化阶段的混凝土，其弹性模量较小，所以拉应力较小。干燥收缩在混凝土浇筑后持续很长时间，影响干燥收缩的因素有水灰比、外加剂、相对湿度和环境温度，所以养护条件对早期的干燥收缩影响很大。在工程实际中，养护不当也会导致混凝土早期开裂，特别是对于夏季施工

7、的混凝土更要加强混凝土的早期养护。1.3早期开裂与温度应力和自收缩的关系在混凝土开始凝结硬化后，先是自收缩增长较快，随着水化反应的进行，温度应力逐渐增加，在混凝土表面两个拉应力发生叠加。混凝土开始凝结硬化后的2-3天温度应力达到最大，之后随着温度的降低，温度应力也随之减小。因此，在温差相对较大和约束较强的部位势必产生较大的温度拉应力。由于施工条件的限制，必然造成混凝土各处的抗拉强度不均匀。当拉应力超过相应龄期混凝土的抗拉强度时，混凝土就要开裂，之后裂缝向上、向下和向内扩展。图1中的1号点区域温差较大且受到底板约

8、束的影响，该位置的拉应力较大。而与底-2-http://www.paper.edu.cn板接触的部位和主梁的底部的表面拉应力较小，所以裂缝不会延伸至底板和主梁的底部，如图2所示。图2无冷却水管龄期2.5天时中间剖面主应力σ等值线图12.早期裂缝控制措施2.1减小混凝土的自收缩工程中通常采用的措施主要有控制骨料质量、合理选择水泥、优化水灰比、掺粉煤灰、掺外加剂、采用MgO微膨胀混凝土、掺