(一)原材料与早期裂缝机理的研究
(1)原材料对开裂影响的研究
影响混凝土开裂的因素很多,其中原材料性能与原材料的组合是最根本也是最基础的的原因。以下是从混凝土的水胶比、水泥用量、水泥碱含量、水泥细度、养护以及矿物掺合料等方面总结的研究成果:水胶比:Bissonnete和Pigeon的研究结果表明,混凝土的徐变和混凝土收缩随着水胶比的降低而减小,但随着水胶比的降低,混凝土强度变大,弹性模量也增大,应力松弛变小,这样水泥浆和混凝土出现裂缝的可能性增大。
(1)水泥用量
Carlson采用圆环试验,其研究成果显示,水泥用量增大,混凝土中水泥浆的变形能力增强。后面的实验研究显示水泥用量增大并不能改善其抗开裂的性能,在水泥用量增大时,混凝土的干燥收缩、温度收缩和自收缩也会增大,以上三种收缩的共同作用比混凝土应变能力的增大作用更明显。1995年Bloom和Bentur的研究结果也证明了这一点:当混凝土中水泥用量增大时,混凝土更容易出现裂缝。
(2)水泥碱含量
Vivian的研究结果显示,水泥中的碱含量超过某个数值时其所拌混凝土的水化物趋向于凝胶化而不是低含碱量所成的晶体化,这样使得混凝土干燥收缩变大,增加了混凝土出现裂缝的可能。Blaine等人从定量的角度研究显示,水泥中的碱含量由0%增加到0.6%,所拌水泥浆的开裂能力明显增大,然而在混凝土试验中其对开裂的影响不明显,原因是由于混凝土中影响混凝土裂缝的因素很多且相互影响更加复杂。
(3)水泥细度
Brewer的研究结果显示,水泥越细,水泥的比表面积越大,所拌混凝土的抗裂能力越弱,这是由于水泥颗粒的比表面积增大,水泥水化的速度增快,水化过程中前期的放热量也增高,这样水泥浆和混凝土将产生较大的温度收缩和自收缩,因此所拌混凝土很容易出现裂缝。
(4)养护
Nevill研究显示混凝土的养护加强,混凝土的徐变性能降低,从而混凝土内部应力松弛的作用变小,并且研究发现应力松弛变小的作用比混凝土抗拉强度提高的作用更加显著,这样将会提高混凝土的裂缝开裂;Bryant研究显示,混凝土必须要采取良好的养护,然而混凝土长时间高湿度的养护会让混凝土更容易开裂。
(5)矿物掺和料
对混凝中的矿物掺合料进行研究,当硅灰掺入混凝土时,虽然这样增加了混凝土前期的强度,细化了混凝土中的孔结构,改良了混凝土的界面,很好地优化了混凝土的力学性能与耐久性,但同时,混凝土中掺加硅灰增大了前期混凝土的弹性模量与自干燥的能力,减小了混凝土徐变,增大了混凝土裂缝出现的可能性。到目前为止矿粉和粉煤灰对混凝土收缩的影响学术界存在着很大争议。
文献研究了外加剂和矿物掺合料对水泥砂浆干缩与开裂的影响。作者进行大量的试验研究,研究认为在保持单位体积用水量和细集料用量一样(砂浆体体积含量也一样)的前提下,实验所用砂浆的干缩值与实验所用的减水剂种类和砂浆的水灰比有关;加入减水剂后,砂浆将较早的开裂,并且产生的裂缝宽度较大,裂缝也较多,加入减水剂的砂浆开裂时所对应的干缩值通常较不加减水剂的低,并且开裂以后每单位干缩值所产生的裂纹其宽度更大;当用矿物掺合料等体积代替水泥时,不同种类的矿物掺合料对砂浆干缩值的影响也有很大的差别,这其中使用粉煤灰时可以减小砂浆的干缩值,矿渣粉对砂浆干缩值的影响相对较小。
有文献针对早期开裂的高强混凝土中的矿物掺和料种类进行了研究,得出了以下重要结论:磨细矿渣提高了混凝土的开裂趋势,并且磨细矿渣细度越大,比表面积越大,则高强混凝土开裂趋势越显著;粉煤灰能够很好地降低高强混凝土的收缩开裂趋势;硅灰却明显的提高了高强混凝土的收缩开裂趋势。
杨华全高工在其研究中将粉煤灰掺入到混凝土中,可以有效的降低混凝土的水化热,减小混凝土的水化升温,从而有效的控制混凝土的裂缝产生。
(二)预拌混凝土开裂机理的研究
美国的Altoubat等对混凝土早期收缩与徐变之间的关系开展了专门的研究,在进行这个研究时,他们同时进行了混凝土的单轴约束和自由变形研究的对照试验,通过研究混凝土早期同应力条件下的干燥、混凝土的覆盖、潮湿养护等几种不同条件收缩实验的比较,合理的将混凝土早期干缩与徐变、基本徐变和干缩徐变几种不同的收缩区分开来,同时还采用Bazant的研究徐变固化理论成果确定了混凝土早期的徐变模型,采用这个模型并利用有限元法对不同混凝土结构的前期收缩应力进行计算,采用此模型计算的结果与实验结果相一致。
瑞典科学家Mats Emborg认为影响混凝土裂缝的重要原因有混凝土结构早龄期的内部温度分布、与混凝土接触物体的温度、早期混凝土自身的力学性质和构件的约束条件。作者选择采用应力水平σ(t)/fct(t)=0.7作为裂缝开裂的限制标准。Steen Lykke等也认为给实际工程中的早期混凝土,设定这个基本拉应力控制混凝土的早期开裂,研究只显示这个最大基本拉应力要小于混凝土的直接抗拉强度,并没有提出该量的量化数值。
针对高强混凝土塑性收缩开裂的影响因素,J.Branch等开展了大量的试验研究,进行测量的关键参数有混凝土浇筑后前5个小时的受拉应力应变关系,毛细孔负压力在混凝土中的发展和混凝土浇筑后前1d的自由收缩。试验研究表明:混凝土的塑性开裂是由多种因素共同作用的结果,并且这些因素随着时间的变化对混凝土开裂的影响也在变化,这当中有两个因素比较重要,它们相互影响引起混凝土产生裂缝,这两个因素就是硅粉和风速。研究结果表明,在掺有硅粉的高强混凝土中要避免裂缝的产生,要求混凝土的表面不能干燥,要在混凝土浇筑后1d内保持养护,使其表面一直处于湿润状态。
有文献就工程环境中的混凝土的收缩进行了试验研究,研究结果表明:自然环境中变化的和在混凝土内部变化的湿度和温度对混凝土干缩变形的影响不显著,
掺加钢纤维对低强度混凝土的收缩开裂几乎没有影响,但掺加钢纤维对高强度混凝土收缩的抵抗作用明显增强,这表明对于高强度混凝土,采取钢纤维防裂是有必要的。
王铁梦教授对建设工程中大体积混凝土的裂缝控制进行了详细的研究。系统地研究了建筑物的裂缝发展以及变化的规律,其团队提出了合理的裂缝控制设计和具体的施工措施。该文献在总结国内重大工程裂缝产生经验的基础上,采用系统的研究方法,创造性的提出了“抗”与“放”相结合的设计原则,结合实际工程总结出了伸缩缝之间的间距以及裂缝控制的计算公式,这些研究成果在建设工程中得到了检验。
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