(一)混凝土收缩的种类
混凝土收缩的种类主要有四种,即自生收缩、塑性收缩、碳化收缩和干缩(失水收缩)。
(1)自生收缩
混凝土硬化过程中水泥和化学结合水化学作用引起的收缩,也称为硬化收缩。这种收缩的大小由混凝土自身条件决定,不受外界环境的影响。自生收缩可以引起混凝土体积的减小,也可以引起体积的增大。研究表明:普通硅酸盐水泥拌制的混凝土自生收缩会导致体积的减小,而矿渣水泥拌制的混凝土自生收缩会导致体积的增大,同样会引起膨胀变形的还有掺用粉煤灰的混凝土。因此,混凝土内掺加矿渣或者粉煤灰有利于裂缝控制。
(2)塑性收缩
混凝土浇筑后4~15小时左右,水泥内部激烈的水化反应导致分子链逐渐形成,同时出现了泌水和水分急剧蒸发的现象,引起构件收缩;另外在混凝土终凝之前骨料与胶合料之间也发生不均匀的沉缩变形,故称之为塑性收缩。由于混凝土早期塑性收缩的量级很大,一般可以达到1%左右,所以在混凝土浇筑后4~15小时内很容易由于养护不到位引起混凝土表面龟裂,出现的裂缝多为表面裂缝,并且由于沉缩的作用导致裂缝一般沿钢筋分布。水灰比过大,水泥用量大,外掺剂保水性差,粗骨料少,用水量大,振捣不良,环境气温高,表面失水过大(主要因为养护不良)等都能导致混凝土塑性收缩开裂。
(3)碳化收缩
环境中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩,收缩量的大小受混凝土内部各种水化物碱度、结晶水及水分子数量的影响。湿度在50%左右时才会引起碳化收缩,并且碳化速度会随着环境二氧化碳浓度的增加而加快。碳化收缩与干燥收缩共同作用下容易导致表面开裂和面层碳化。干湿交替作用会使混凝土收缩更加显著,不利于裂缝控制。碳化收缩在特定环境以及进行表面裂缝分析时应当考虑,但是在一般环境中不做专门的计算。
(4)失水干缩
水泥石在干燥和水湿的环境中要产生干缩和湿胀现象,收缩和膨胀变形是部分可逆的。在第一次干燥过程后产生最大的干缩变形。环境的干燥作用使毛细孔内的水产生毛细压力从而引起水泥石产生压缩变形,这种收缩称为“毛细收缩”,是混凝土干缩变形的一部分。此外,混凝土内部吸附水的蒸发会引起水泥石的收缩,首先是混凝土内部晶格间的水分蒸发,其次是分子层间的水分蒸发,此时伴随着水分蒸发产生的是“吸附收缩”,这是混凝土干缩变形的主要部分。
混凝土干缩变形过程是非常复杂的,影响此过程的因素很多,如水泥的用量及标号、骨料的种类及大小、混凝土振捣情况、混凝土养护条件、构件截面暴露情况、混凝土养护时间、构件配筋数量等。
(二)养护条件对混凝土收缩影响分析
大部分混凝土结构出现裂缝是变形作用引起的,变形作用主要是指温度、湿度及不均匀沉降等。在这几种变形中,湿度变化引起的裂缝又占主要部分,特别对工民建结构尤为重要。
(1)湿度对混凝土收缩的影响
混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛细孔,这些孔隙中存在水分,水分的活动影响到混凝土的一系列性质,特别是产生“湿度变形”的性质对裂缝控制有重要作用。
在施工建造过程中,湿度变化引起的毛细收缩和吸附收缩是最常遇到的问题。另外,当混凝土内部的水分蒸发或者含湿量分布不均匀的时候,将会导致混凝土内部湿度的变化梯度,引起收缩应力,严重的甚至会引起表面开裂。
当环境中的湿度较小时,在干燥作用下混凝土内部细孔及微毛细孔中的水将产生毛细压力,水泥石在毛细压力作用下会产生压缩变形而收缩,即“毛细收缩”,这是组成混凝土收缩变形的重要部分。另外,在早期硬化过程中,水泥浆的水化反应是一种物理化学过程,内部化学结合水和水泥反应会产生部分收缩,即“硬化收缩”,此时水泥颗粒的吸附性对收缩的影响较大。
混凝土内部水分蒸发会引发干缩变形,水分的增加也会引发湿涨变形,即“干缩湿涨”。混凝土中水泥活性越高,水泥量越多,膨胀变形也越大,其性质与收缩相似。由于水灰比的不同,混凝土的孔隙率也不同,则在相同增水条件下,水灰比越小,孔隙率小,胶凝体由于得到充足水分,膨胀较大。
混凝土内部湿度的变化会引起混凝土体积的改变,相对湿度减小,混凝土会收缩,反之会膨胀。混凝土内部和表面的湿度差异所致的不协调变形会导致应力的产生。当拉应力达一定水平时,混凝土就会开裂。混凝土湿度越大,干缩应力越小,混凝土开裂的可能性越低。混凝土内部湿度与环境湿度差值越小,混凝土产生的干缩应力越小,对于混凝土的裂缝控制越有利。
(2)温度对混凝土收缩的影响
表面温度的突然减小,极易导致混凝土产生温度应力裂缝。混凝土表面温度突然下降,而混凝土内部的温度下降幅度较小,导致混凝土内外温差增大,温度应力相应增大。当温度变化引起的温差应力大于混凝土的抗拉强度时,就会导致混凝土产生温度应力裂缝。另外,混凝土表面温度的突降也会加快混凝土体积的收缩,当混凝土体积收缩产生的应力大于混凝土抗拉强度时,就会导致混凝土产生塑性裂缝。
混凝土温度突然增大将会导致徐变减小应力的效应降低,混凝土内部会因此产生较大的残余应力,严重了会引起混凝土构件的失稳甚至是破坏。另外,混凝土温度的急剧下降会导致混凝土内部产生拉应力,当产生的拉应力大于混凝土极限抗拉强度时,将会使混凝土出现开裂,破坏构件的使用性能。
(一)混凝土收缩的种类
混凝土收缩的种类主要有四种,即自生收缩、塑性收缩、碳化收缩和干缩(失水收缩)。
(1)自生收缩
混凝土硬化过程中水泥和化学结合水化学作用引起的收缩,也称为硬化收缩。这种收缩的大小由混凝土自身条件决定,不受外界环境的影响。自生收缩可以引起混凝土体积的减小,也可以引起体积的增大。研究表明:普通硅酸盐水泥拌制的混凝土自生收缩会导致体积的减小,而矿渣水泥拌制的混凝土自生收缩会导致体积的增大,同样会引起膨胀变形的还有掺用粉煤灰的混凝土。因此,混凝土内掺加矿渣或者粉煤灰有利于裂缝控制。
(2)塑性收缩
混凝土浇筑后4~15小时左右,水泥内部激烈的水化反应导致分子链逐渐形成,同时出现了泌水和水分急剧蒸发的现象,引起构件收缩;另外在混凝土终凝之前骨料与胶合料之间也发生不均匀的沉缩变形,故称之为塑性收缩。由于混凝土早期塑性收缩的量级很大,一般可以达到1%左右,所以在混凝土浇筑后4~15小时内很容易由于养护不到位引起混凝土表面龟裂,出现的裂缝多为表面裂缝,并且由于沉缩的作用导致裂缝一般沿钢筋分布。水灰比过大,水泥用量大,外掺剂保水性差,粗骨料少,用水量大,振捣不良,环境气温高,表面失水过大(主要因为养护不良)等都能导致混凝土塑性收缩开裂。
(3)碳化收缩
环境中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩,收缩量的大小受混凝土内部各种水化物碱度、结晶水及水分子数量的影响。湿度在50%左右时才会引起碳化收缩,并且碳化速度会随着环境二氧化碳浓度的增加而加快。碳化收缩与干燥收缩共同作用下容易导致表面开裂和面层碳化。干湿交替作用会使混凝土收缩更加显著,不利于裂缝控制。碳化收缩在特定环境以及进行表面裂缝分析时应当考虑,但是在一般环境中不做专门的计算。
(4)失水干缩
水泥石在干燥和水湿的环境中要产生干缩和湿胀现象,收缩和膨胀变形是部分可逆的。在第一次干燥过程后产生最大的干缩变形。环境的干燥作用使毛细孔内的水产生毛细压力从而引起水泥石产生压缩变形,这种收缩称为“毛细收缩”,是混凝土干缩变形的一部分。此外,混凝土内部吸附水的蒸发会引起水泥石的收缩,首先是混凝土内部晶格间的水分蒸发,其次是分子层间的水分蒸发,此时伴随着水分蒸发产生的是“吸附收缩”,这是混凝土干缩变形的主要部分。
混凝土干缩变形过程是非常复杂的,影响此过程的因素很多,如水泥的用量及标号、骨料的种类及大小、混凝土振捣情况、混凝土养护条件、构件截面暴露情况、混凝土养护时间、构件配筋数量等。
(二)养护条件对混凝土收缩影响分析
大部分混凝土结构出现裂缝是变形作用引起的,变形作用主要是指温度、湿度及不均匀沉降等。在这几种变形中,湿度变化引起的裂缝又占主要部分,特别对工民建结构尤为重要。
(1)湿度对混凝土收缩的影响
混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛细孔,这些孔隙中存在水分,水分的活动影响到混凝土的一系列性质,特别是产生“湿度变形”的性质对裂缝控制有重要作用。
在施工建造过程中,湿度变化引起的毛细收缩和吸附收缩是最常遇到的问题。另外,当混凝土内部的水分蒸发或者含湿量分布不均匀的时候,将会导致混凝土内部湿度的变化梯度,引起收缩应力,严重的甚至会引起表面开裂。
当环境中的湿度较小时,在干燥作用下混凝土内部细孔及微毛细孔中的水将产生毛细压力,水泥石在毛细压力作用下会产生压缩变形而收缩,即“毛细收缩”,这是组成混凝土收缩变形的重要部分。另外,在早期硬化过程中,水泥浆的水化反应是一种物理化学过程,内部化学结合水和水泥反应会产生部分收缩,即“硬化收缩”,此时水泥颗粒的吸附性对收缩的影响较大。
混凝土内部水分蒸发会引发干缩变形,水分的增加也会引发湿涨变形,即“干缩湿涨”。混凝土中水泥活性越高,水泥量越多,膨胀变形也越大,其性质与收缩相似。由于水灰比的不同,混凝土的孔隙率也不同,则在相同增水条件下,水灰比越小,孔隙率小,胶凝体由于得到充足水分,膨胀较大。
混凝土内部湿度的变化会引起混凝土体积的改变,相对湿度减小,混凝土会收缩,反之会膨胀。混凝土内部和表面的湿度差异所致的不协调变形会导致应力的产生。当拉应力达一定水平时,混凝土就会开裂。混凝土湿度越大,干缩应力越小,混凝土开裂的可能性越低。混凝土内部湿度与环境湿度差值越小,混凝土产生的干缩应力越小,对于混凝土的裂缝控制越有利。
(2)温度对混凝土收缩的影响
表面温度的突然减小,极易导致混凝土产生温度应力裂缝。混凝土表面温度突然下降,而混凝土内部的温度下降幅度较小,导致混凝土内外温差增大,温度应力相应增大。当温度变化引起的温差应力大于混凝土的抗拉强度时,就会导致混凝土产生温度应力裂缝。另外,混凝土表面温度的突降也会加快混凝土体积的收缩,当混凝土体积收缩产生的应力大于混凝土抗拉强度时,就会导致混凝土产生塑性裂缝。
混凝土温度突然增大将会导致徐变减小应力的效应降低,混凝土内部会因此产生较大的残余应力,严重了会引起混凝土构件的失稳甚至是破坏。另外,混凝土温度的急剧下降会导致混凝土内部产生拉应力,当产生的拉应力大于混凝土极限抗拉强度时,将会使混凝土出现开裂,破坏构件的使用性能。