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非荷载作用下的变形:建筑材料第2版

时间:2023-10-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:发生减缩作用的原因是由于水化前后反应物和生成物的平均密度不同。因此,铝酸三钙或铁铝酸四钙含量较高的水泥化学减缩作用较大,而硅酸盐含量较高的水泥减缩作用较小。干缩是部分不可逆的。受干燥的混凝土的体积变化并不等于失去的水的体积。骨料对干缩起抑制作用。骨料的弹性模量影响混凝土的弹性模量,而干缩与弹性模量密切相关。养护条件对干缩有显著影响。显然,水分的失去是随着相对湿度的下降而增大的。

非荷载作用下的变形:建筑材料第2版

1)化学收缩

水泥在水化过程中,无水的熟料矿物转变为水化物,水化后的固相体积比水化前要大得多。但是,对于水泥-水体系的总体积来说却要缩小,这一体积变化称为化学收缩,又称化学减缩。发生减缩作用的原因是由于水化前后反应物和生成物的平均密度不同。研究结果表明,水泥熟料中四种矿物的减缩作用,无论是绝对值或相对值,铝酸三钙的减缩作用最大,其次是铁铝酸四钙,再其次是硅酸三钙,硅酸二钙减缩作用最小。因此,铝酸三钙或铁铝酸四钙含量较高的水泥化学减缩作用较大,而硅酸盐含量较高的水泥减缩作用较小。

2)塑性收缩

塑性收缩是混凝土在硬化前处于塑性状态时,由于水分从混凝土表面蒸发而产生的体积收缩。

塑性收缩一般发生在混凝土路面或板状结构。这些结构暴露面较大,当表面失水的速率超过了混凝土泌水的上升速率时,会在混凝土中产生毛细管负压,新拌混凝土表面会迅速干燥而产生塑性收缩。此时,若混凝土不足以抵抗因收缩而产生的应力时,混凝土表面就会开裂。这种情况往往在混凝土浇注成型以后的几小时之内就会发生。

当新拌混凝土被底基或模板材料吸水后,也会在其接触面上产生塑性收缩和开裂,也可能会加剧混凝土表面失水所引起的塑性收缩而开裂。

引起混凝土塑性收缩的主要原因是混凝土中水分蒸发速率过大,混凝土因水化温度升高、环境温度高、相对湿度低、风速快都会增加塑性收缩和开裂。3)自收缩

混凝土自收缩是指混凝土硬化阶段(终凝后几天到几十天),在恒温并且与外界无水分交换的条件下混凝土宏观体积的减小。

一般认为,混凝土自收缩是混凝土中水泥水化引起毛细管张力造成的。具体过程如下:混凝土初凝后,随着水泥不断水化,混凝土内部水量逐渐减少,孔隙和毛细管中的水也逐步吸收减少,在处于水分难以蒸发、同时也难以渗滤的封闭状态粘弹性固态胶凝材料系统中,由于混凝土内部相对湿度的降低而使孔隙中存在一定的气相,随着水泥水化反应的愈演愈烈,孔内水饱和蒸汽压随之降低,导致毛细管中液面形成弯月面,使毛细管压升高而产生毛细管应力,造成混凝土受负压作用,引起混凝土自收缩。在水灰比较高的情况下,混凝土内部形成的毛细管较粗,产生的毛细管张力小,混凝土的自缩值也很小;但在水灰比较低的情况下,混凝土内形成的毛细管很细,产生的毛细管张力很大,混凝土自收缩值也将很大。同时,在混凝土早期强度较低时,混凝土自收缩的发展速度很快。

自收缩发生于混凝土拌和后的初龄期,一般发生在混凝土初凝后,尤其以初凝到1d龄期时最显著。常在模板拆除之前,大部分混凝土自收缩已经产生甚至完成。

影响自收缩的因素很多,水灰比,胶凝材料的品种、细度和活性,温度等环境条件,都会影响自收缩。实际工作中,可以通过选择水泥品种、外加剂种类、矿物掺和料类型及掺量、水灰比等来控制混凝土自收缩。4)干燥收缩

干燥收缩简称干缩。置于不饱和空气中的混凝土,水从其中蒸发而产生干缩。干缩是部分不可逆的。

受干燥的混凝土的体积变化并不等于失去的水的体积。蒸发的水分,很少引起甚至于不引起收缩。

干缩变形产生的原因是,当饱和水泥浆暴露在低湿度的环境中,水泥浆体中的C—S—H凝胶因毛细孔和胶孔中的水分蒸发失去物理吸附水而产生体积收缩。

影响混凝土收缩的因素很多,比较大的有骨料的特性、混凝土的配合比、养护条件与龄期等。骨料对干缩起抑制作用。骨料的弹性模量影响混凝土的弹性模量,而干缩与弹性模量密切相关。用低弹模的骨料配制的混凝土,收缩值比高弹模骨料配制的混凝土大得多。

混凝土配合比中,骨料的体积含量越高,在相同水灰比的情况下收缩降低。混凝土中发生收缩的主要组分是水泥浆体,水泥用量和水化程度都会对混凝土的干缩产生影响。干缩还受水灰比的影响,水灰比越大,干缩也越大。(www.xing528.com)

养护条件对干缩有显著影响。养护环境湿度越高,干缩越小;延长养护时间,可以推迟干缩的发生和发展,但对最终的干缩率没有显著的影响。

水泥的种类、组成和性能等对水泥浆体的收缩有影响,但因骨料的限制,对混凝土干缩影响不大。

在混凝土中掺入外加剂或外掺料,会影响收缩。如掺入CaCl2会增大混凝土收缩;掺入矿渣、火山灰等能使混凝土孔细化的外掺料也会增加混凝土的干缩。

混凝土干缩和自收缩是有区别的。干缩与自收缩一样,都是由于水的迁移引起的。干缩是由于水向外蒸发散失引起的,当混凝土在不饱和空气中失去毛细孔和凝胶孔的吸附水时就会产生干缩。自收缩是混凝土内部水泥水化消耗水分引起毛细管负压产生张力造成的混凝土收缩。干缩通常发生在混凝土表面,而自收缩在混凝土体内相当均匀地发生,而不仅仅在混凝土表面发生。

混凝土干缩值可达1 000~4 000×10-6,干缩是引起混凝土体积收缩的主要原因。

5)碳化收缩

尽管空气中CO2浓度不高,但已硬化的水泥浆体长期暴露在空气中,会与CO2发生化学反应,此反应伴有不可逆收缩,称为碳化收缩。产生碳化收缩的原因是由于空气中的CO2与水泥石中的水化物,特别是与Ca(OH)2的不断作用,引起水泥石结构的解体所致。

影响混凝土碳化收缩的两个最基本因素是CO2的浓度和湿度。CO2浓度越高,碳化反应越迅速,因而碳化收缩也越大。湿度的影响有一最大值,在相对湿度大约为50%时,碳化收缩达最大值。从化学反应角度来说,碳化反应并非是CO2气体与水化产物直接反应,而是首先CO2溶于水中形成碳酸,真正的反应是碳酸与水化产物的反应。只有在较高的湿度条件下才能形成较多的碳酸,有利于加速反应。因此,湿度越高,碳化反应越快。但是,碳化反应快并不意味着碳化收缩大。碳化反应会释放出水分子,而只有当这些水分子失去时才能造成水泥体积的变化。显然,水分的失去是随着相对湿度的下降而增大的。也就是说,湿度越大,失水越不容易,因此收缩越小。碳化收缩的这两个过程对湿度的要求是相反的,在较低的湿度条件下,碳化反应难以进行,没有水分子形成,当然也就谈不上失水收缩;在较高的相对湿度下,虽然碳化反应较迅速,但生成的水难以失去,因而也不会产生明显的收缩。只有在某一适合的湿度条件下,碳化反应能以较快的速率进行,而且所释放出的水也能迅速失去时,碳化收缩最显著。

碳化通常发生在混凝土表面处,而这里干燥收缩也最大,碳化收缩与干缩叠加后,可能引起严重的收缩裂缝。

6)温度变形

混凝土温度变形是由热胀冷缩引起的。混凝土的温度变形系数为0.01mm/℃。

温度变形过大,对大体积混凝土和纵长的混凝土结构不利。混凝土是热的不良导体,散热慢,浇注后内外部可能产生很大的温差,造成内胀外缩。内外温差为50℃时,大约产生500个微应变。如混凝土弹模为20GPa,在约束条件下,产生拉应力10MPa,混凝土外表会产生很大的拉应力而开裂。在计算钢筋混凝土伸缩缝和大体积混凝土的温度应力分布时,需要用到混凝土的温度变形系数。

混凝土中,水泥浆体的热膨胀系数大于骨料,因而骨料含量多时,混凝土的温度变形小。而混凝土所采用的骨料种类不同其热膨胀系数也不一样,通常,石英岩最小,依次为砂岩玄武岩、花岗岩和石灰岩

一般纵长的钢筋混凝土结构物,每隔一段长度设置伸缩缝,在内部配置温度钢筋,防止因温度变形而带来对结构的危害。

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