混凝土早期收縮裂縫形成機(jī)理和控制探究

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1、混凝土早期收縮裂縫形成機(jī)理和控制探究　　摘要：裂縫是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命降低的主要因素?；炷撂幱谟不A段的早期開裂是困擾現(xiàn)代混凝土工程界的一個(gè)普遍問題。本文主要研究由濕度變化所引起的收縮裂縫，此處主要考慮干燥收縮和自收縮，借助于大型有限元分析軟件ANSYS模擬一塊混凝土板內(nèi)部的濕度場(chǎng)與干縮應(yīng)力場(chǎng)，得出了混凝土內(nèi)部濕度的擴(kuò)散規(guī)律及應(yīng)力的分布、發(fā)展規(guī)律。關(guān)鍵詞：混凝土早期收縮裂縫形成機(jī)理控制方法1.引言混凝土是一種準(zhǔn)脆性多相復(fù)合材料，而多相復(fù)合體材料內(nèi)部潛伏著隨時(shí)間變化的殘余應(yīng)力，在自發(fā)和誘發(fā)因素的作用下引起混凝土內(nèi)部和外部的裂縫[1]。裂縫是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命

2、降低的主要因素[2]。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土早期收縮的研究非常熱門，一直是一個(gè)重要課題，受到了各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的極大重視與關(guān)注，對(duì)這一問題的研究在上世紀(jì)90年代中期迎來了一個(gè)學(xué)術(shù)研究的高峰[3]。2.對(duì)干燥收縮和自收縮的認(rèn)識(shí)6引起混凝土發(fā)生收縮的直接驅(qū)動(dòng)力可分為兩類：溫度作用和濕度作用。其中，濕度收縮包括因混凝土內(nèi)外濕度變化所引起的各類收縮，如干燥收縮、自生收縮、塑性收縮、碳化收縮等，但干燥收縮、自生收縮是最主要的。處于低濕環(huán)境下的混凝土因水分散失而導(dǎo)致的體積收縮現(xiàn)象稱為干燥收縮，簡(jiǎn)稱為干縮。它一般是由塑性階段結(jié)束后由于水分的遷移和散失所引起的。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)失水和干縮之間存在線性關(guān)

3、系[4]。干縮持續(xù)發(fā)生于混凝土水化的早期和后期。自生收縮是指混凝土在恒溫絕濕條件下，由于膠凝材料的水化反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)收縮表現(xiàn)在宏觀體積上的收縮現(xiàn)象?；炷羶?nèi)部膠凝材料的水化作用，消耗了毛細(xì)管孔隙中的水分，即使混凝土不向外界損失水分，內(nèi)部的相對(duì)濕度也會(huì)有一定的降低，由此產(chǎn)生的干燥收縮稱為自生收縮（即自干燥收縮）。自收縮不包括混凝土與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換、溫度變化、外部作用力和外來約束導(dǎo)致的體積變化[5]。它由化學(xué)反應(yīng)引起，因此也是化學(xué)收縮的一種。3.混凝土結(jié)構(gòu)濕度及干縮應(yīng)力非線性有限元分析本文利用大型有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行混凝土的濕度場(chǎng)與干縮應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析。3.1理論模型的建立3

4、.1.1模型的建立此處模擬一素混凝土路面板濕養(yǎng)護(hù)28d后至360d的濕度場(chǎng)及干縮應(yīng)力的變化，旨在分析混凝土板不同厚度處在不同時(shí)刻的濕度分布、變化規(guī)律及干縮應(yīng)力的變化發(fā)展過程?；炷谅访姘宓膸缀纬叽鐬?000mm×3000mm×200mm。63.1.2參數(shù)的確定此處采用C20素混凝土，澆筑結(jié)束后濕養(yǎng)護(hù)28d。當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速為1.8m/s，年平均相對(duì)濕度為60%左右。經(jīng)分析選取后，濕度場(chǎng)及干縮應(yīng)力計(jì)算參數(shù)的最終選取結(jié)果如表1所示。3.1.3單元選取與邊界條件選取solid65單元，混凝土底部采用絕濕邊界，不考慮底部的濕度損失，其他部分與空氣接觸進(jìn)行濕度交換，屬于第三類邊界條件。3.2理論

5、結(jié)果分析3.2.1有限元模型的建立為了分析方便，這里選取了5個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行濕度場(chǎng)與干縮應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析，其中1號(hào)節(jié)點(diǎn)位于混凝土的表面，5號(hào)節(jié)點(diǎn)位于混凝土板的中心處。各節(jié)點(diǎn)間的豎向間距為25mm。3.2.2濕度場(chǎng)模擬結(jié)果分析分別提取距離混凝土板表面0mm（板表面）、25mm、50mm、75mm、100mm（板中心）處1d、2d、3d、7d、30d、180d、360d時(shí)混凝土板內(nèi)部的濕度分布，如下圖所示：6由上圖可以看出，經(jīng)過7d后濕度有20%變化的區(qū)域只限于距板表面28mm，30d后約為48mm，180d后約為55mm。深度為75mm的混凝土一年的相對(duì)濕度減小量?jī)H為8%左右，板中心

6、處濕度一年的減少量甚至僅為5%。故可得出如下結(jié)論：（1）混凝土的濕度傳導(dǎo)過程非常緩慢，混凝土是一種典型的弱導(dǎo)濕復(fù)合材料。（2）濕度的變化速率呈現(xiàn)出越靠近內(nèi)部變化速率越小的趨勢(shì)，混凝土板的表面由于與空氣直接接觸，濕度損失較大，越靠近內(nèi)部濕度損失越小。（3）雖然混凝土濕度傳導(dǎo)很慢，但經(jīng)過一段時(shí)間后，表面區(qū)域的濕度場(chǎng)的變化還是很明顯的，混凝土板內(nèi)外出現(xiàn)較大的濕度梯度，正是這種內(nèi)外濕差的不均勻性導(dǎo)致表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生而引起表面首先開裂。3.2.3干縮應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析為了明晰地分析混凝土內(nèi)部應(yīng)力的變化發(fā)展情況，此處將ANSYS分析得到的數(shù)據(jù)以圖表的形式給出，壓應(yīng)力取負(fù)值，拉應(yīng)力取正值。分別提

7、取距離混凝土板表面25mm、50mm、75mm處各節(jié)點(diǎn)，得出應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律如下圖所示：分析圖2，可得出以下結(jié)論：6（1）距混凝土板表面25mm以內(nèi)混凝土的干縮應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，在濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后第32d達(dá)到拉應(yīng)力最大值1.13MPa，之后隨著外界環(huán)境濕度的影響及混凝土內(nèi)部濕度擴(kuò)散的不斷進(jìn)行，此拉應(yīng)力會(huì)保持一段時(shí)間但略有降低。75d后由于濕度擴(kuò)散的降低，混凝土的內(nèi)外濕度差降低，表面拉應(yīng)力開始有較大幅度的降低并逐漸向結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴(kuò)散，隨著拉應(yīng)力的擴(kuò)展，在50mm處混凝土內(nèi)部