一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的方法和装置与流程

1.本发明属于混凝土裂缝技术领域，尤其涉及一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的方法和装置。


背景技术：

2.19世纪50年代，混凝土作为一种工程建筑材料诞生，距今仅有短暂的160多年的时间，但随着工程建筑的快速发展与科学技术的突飞猛进，混凝土的工程技术水平取得了飞速的提高。混凝土的组成材料经历了由原来的砂、石、水泥、水四组分增加到将粉煤灰作为其第五组分，又将各种外加剂和矿物掺合料等作为其第六组分的快速发展历程；混凝土的结构形式日趋多样化和复杂化。随着经济的快速发展与科技的不断进步，人们的生产水平大为提高，对各种建筑物的要求也越来越高，这就促使混凝土本身也朝着高强((hsc)、高性能(hpc)方向发展。然而，随着使用环境的日益多样化，工业污染日益加重，由于其自身(内因)和外界环境(外因)等多方面的影响，混凝土日益暴露出它致命的弱点—裂缝的出现。混凝土是一种准脆性多相复合材料，而多相复合体材料内部存在着随时间变化的残余应力，在自发和诱发因素的作用下引起混凝土内部和外部的裂缝。裂缝的出现对混凝土结构的影响将是多方面的，不仅影响建筑物的美观，对使用者的心理造成影响，更危及建筑物的正常使用、长期强度和耐久性，因此浪费了大量的资源，不利于可持续发展。
3.随着高强、高性能混凝土的大力推广应用，混凝土的裂缝问题越来越来严重，故也备受工程界的广泛关注。混凝土处于硬化阶段的早期开裂是困扰现代混凝土工程界的一个普遍问题。早龄期混凝土结构在受约束条件下因水化硬化而导致的体积变化(一般是收缩)是混凝土结构早龄期开裂的主要原因。正如springenschmid所说：“避免混凝土早龄期裂缝是当前混凝土技术的主要问题之一，应采用现代的概念预测混凝土早龄期的应力及其影响，来代替单纯依据现场经验的方法。”目前存在没有如何对混凝土早期裂缝产生原因进行技术分析。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，提供一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的方法和装置。
5.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
6.一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的方法，包括：
7.步骤s1、获取混凝土早期体积变形信息；
8.步骤s2、根据混凝土早期体积变形信息，得到温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息；
9.步骤s3、根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，判断混凝土是否早期开裂。
10.作为优选，步骤s3包括：
11.根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，得到混凝土受到约束而产生的内部拉应力；
12.当所述内部拉应力超过预设抗拉强度时，则判断混凝土早期开裂。
13.作为优选，所述温度收缩信息包括：水化急剧温升后导致的温降收缩、以及昼夜温差或季节温差引起的温度收缩。
14.作为优选，所述湿度作用收缩信息包括：干燥收缩、自生收缩、塑性收缩、碳化收缩。
15.作为优选，所述塑性收缩包含：失水凝缩、化学减缩、沉降收缩。
16.作为优选，自生收缩由水化程度与初凝后浆体内的自由水含量或者混凝土内水泥水化产生的耗水速率与外界水分的迁移补充速率确定。
17.作为优选，干燥收缩由混凝土孔隙分布和失水速率确定。
18.作为优选，碳化收缩由与混凝土水泥水化产物的碱度、空气中二氧化碳的浓度以及周围环境湿度确定。
19.本发明还提供一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的装置，包括：
20.获取模块，用于获取混凝土早期体积变形信息；
21.处理模块，用于根据混凝土早期体积变形信息，得到温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息；
22.判断模块，用于根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，判断混凝土是否早期开裂。
23.作为优选，所述温度收缩信息包括：水化急剧温升后导致的温降收缩、以及昼夜温差或季节温差引起的温度收缩；所述湿度作用收缩信息包括：干燥收缩、自生收缩、塑性收缩、碳化收缩。
24.本发明获取混凝土早期体积变形信息；根据混凝土早期体积变形信息，得到温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息；根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，判断混凝土是否早期开裂。采用本发明的技术方案从混凝土早期收缩开裂的形成机理入手，确定了湿度的变化是产生干燥收缩和自生收缩的影响因素，进而可以分析得到混凝土早期收缩裂缝的变形因素。
附图说明
25.图1为本发明分析混凝土早期收缩裂缝形成的方法的流程图；
26.图2为混凝土表层在干燥作用下毛细孔内的气液弯月面生成过程示意图；
27.图3为毛细孔组成及气液弯月面受力示意图；
28.图4为液弯月面在毛细孔负压与表面张力作用下达到动态的受力平衡的示意图。
29.图5为弯月面垂直投影面受力示意图；
30.图6为本发明分析混凝土早期收缩裂缝形成的装置的结构示意图。
具体实施方式
31.如图1所示，本发明提供一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的方法，包括：
32.步骤s1、获取混凝土早期体积变形信息；
33.步骤s2、根据混凝土早期体积变形信息，得到温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息；
34.步骤s3、根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，得到混凝土早期的变形因素。
35.进一步，步骤s3包括：
36.根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，得到混凝土受到约束而产生的内部拉应力；
37.当所述内部拉应力超过预设抗拉强度时，则判断混凝土早期开裂。
38.进一步，所述温度收缩信息包括：水化急剧温升后导致的温降收缩、以及昼夜温差或季节温差引起的温度收缩。
39.温度收缩信息为混凝土在水泥水化放热出现温峰后的降温过程中产生的。水泥在早期水化过程中将放出大量的热，一般每克水泥可放出502j热量，在绝对条件下，每45kg水泥水化将产生5～8℃绝热温升。在没有缓凝剂的条件下，通常在开始的12～72h左右出现温度峰值。随后，由于水化放缓放热减小，在与外界环境热交换下温度开始下降。由于混凝土内、外散热条件的不一致，表层混凝土温度降低得快，沿混凝土截面出现温度梯度，使得温降过程中出现收缩的沿截面的不一致，从而将导致表层混凝土受拉。事实上，在最初水化的过程中也会因温度的升高而产生温度膨胀。但由于此时混凝土通常还是流塑性状态且温升过程迅速，因而沿截面也相对均匀，因此温升膨胀过程对混凝土的抗裂影响不大，而随后的散热降温过程由于较为缓慢、均匀性又较差，且混凝土已逐渐硬化，往往在这一过程中出现温度收缩裂缝。这在大体积混凝土中(温升可高达60℃或更高)造成的危害更显著，因为大体积混凝土中本身水化放热量很大，而散热又很慢，因此它是造成这类混凝土早期裂缝的主要因素。温度梯度的出现将在混凝土中形成温度应力，这一应力水平跟水化发热程度、混凝土热传导性能、混凝土硬化程度(弹性性能)有关，当其超过混凝土抗拉强度时将导致温度裂缝的产生。温度收缩ε是混凝土热膨胀系数α与温差δt的乘积，即ε＝αδt。
40.除了水化热引起的温度收缩外，由于昼夜温差或季节性的温度变化也会引起相应的温度变形。如对于混凝土板，在早晨太阳的照射下，表层混凝土的温度显著升高，其膨胀受到底层混凝土的限制而使表层拱起；在白天，随着全截面温度趋于相同，变形表现为自由伸长；而夜晚，随着表层温度的开始降低，又出现表层弯起的现象。季节温度变化的影响类似
41.进一步，所述湿度作用收缩信息包括：干燥收缩、自生收缩、塑性收缩、碳化收缩。所述塑性收缩包含：失水凝缩、化学减缩、沉降收缩。
42.塑性收缩发生在混凝土终凝前的塑性阶段，通常在浇筑后4～15h左右出现，绝大部分发生在初凝前的流塑性阶段。这一阶段水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水、水分急剧蒸发以及骨料与浆体的不均匀沉降等现象。因此，塑性收缩又可以细分为失水凝缩、化学减缩(或化学收缩)、沉降收缩三类。
43.⑴
、失水凝缩
44.新拌混凝土在激烈的水化过程中，出现泌水或因受外界温、湿度的作用(阳光照射、风吹)，水分从混凝土内部向外迁移，并在表面迅速蒸发，造成失水凝缩。这类收缩多发生在干热与刮风天气中。
45.⑵
、化学减缩
46.化学减缩的产生与外界湿度变化无关，主要是由于水泥熟料与水起化学反应的过程中，反应后生成物的平均密度比反应物小，从而产生了体系的体积收缩。具体的说主要是由于反应过程中，原来的自由水成为水化产物的一部分，使它的比容由原来的1cm3/g变成了约0.75cm3/g的缘故。因此，若所选用的水泥品种的水化产物中化学结合水量越大，则最终的化学减缩量也越大。
47.化学减缩为水泥和水发生水化反应所导致体积减少，反应物体积与生成物体积之差即为化学减缩，故化学减缩可通过下式进行计算：
[0048][0049]
其中，cs—化学减缩；v
ci
—拌合前水泥体积；vc—水化反应发生后水泥体积；v
wi
—拌合前水体积；vw—参与水化反应水体积；v
hy
—水化产物体积。
[0050]
硅酸盐水泥中的各个组份具有不同的化学减缩量，c3a的化学减缩量最大，是c2s的3倍，c4af的5倍左右。因此，为防止或降低由此引起的收缩裂缝，最有效的方法是从水泥的品种入手，尽可能地使用c3a含量低的水泥。同时需要指出的是水泥浆体的化学减缩不受水灰比的影响。水灰比及水泥细度只会影响化学减缩的速率，水化程度达100％时，最终的化学减缩值只受水泥化学组成的影响。
[0051]
⑶
、沉降收缩
[0052]
这类收缩形成原因是混凝土组成材料在浇筑后发生不均匀沉落，出现分层离析现象，粗骨料下沉，水泥净浆上浮，当受到钢筋或预埋件等阻挡时使混凝土相互分离而开裂。这在现浇钢筋混凝土结构中尤其在采用泵送施工的混凝土工程中经常出现。
[0053]
早期的塑性收缩裂缝通常是以上三类收缩共同作用的结果，这类裂缝发生在混凝土表面，裂缝较浅，中间宽、两端细，长短不一，即宽(1～2mm)又密(间距5～10cm)，且互不连贯。在养护不良的地方极易出现，呈龟裂状。由于受沉降收缩的作用，裂缝往往沿钢筋分布，如沿主筋通长方向分布。通常在施工中振捣充分且做好养护是可以避免这类收缩裂缝的，一旦出现，采用二次抹压或二次浇灌层加以平整即可，不会影响后期的结构耐久性能。
[0054]
干燥收缩通常是混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，随着相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大。干缩主要发生在浇筑后3～90天龄期内，事实上，若养护不好，早期(龄期3天前)的干缩相当大，不可忽视。干缩是混凝土浇筑3天以后的最主要收缩组成部分，在后期，干缩的发展往往与荷载因素共同作用，从而加速裂缝的产生。
[0055]
干缩机理与水泥浆体内部孔隙有关。水泥水化的结果是生成水化硅酸钙(c-s-h)及在内部形成大量被水填充的微细孔(》5nm的毛细孔与0.5～2.5nm的凝胶孔)，这些微细孔中储存有水化未消耗的多余水分。混凝土干燥的时候，水的蒸发速度可能超过混凝土向外泌水的速度，因此，表层的水面降低，并随着蒸发的继续，水分的失去从表层逐渐向混凝土内部不断发展，毛细孔与凝胶孔中的吸附水相继失去。这些微细孔内水分的失去将在孔中产生毛细管负压，并促使气液弯月面的形成，从而对孔壁(也即c-s-h凝胶骨架)产生拉应力，造成水泥浆体收缩。
[0056]
如图2所示，当混凝土处于干燥环境下时，泌水在混凝土表面被蒸发，当表层水分
的蒸发较快，内部水分迁移来不及补充时，或者说当泌水速率低于水分蒸发速率时，在气液界面的外表面(气相)形成毛细孔负压，即毛细孔内溶液表面蒸气压与液压(水压)的压力差δp(如图4)，由于这一压力差的存在，促使凝胶颗粒间产生一个气液弯月面。如图4所示，这一弯月面在毛细孔负压与固(凝胶颗粒)液(毛细孔水溶液)界面处的表面张力σ的共同作用下形成短暂的动态平衡。随着水分的继续蒸发，内部水分向外迁移的速度越来越慢，从而毛细孔负压越来越大，弯月面的受力平衡被打破，导致液面整体不断下降，这也使得弯月面的曲率随之增大(曲率半径即毛细孔液面处的孔半径随之减小)，固液表面的接触角θ随之减小，使得表面张力的竖向分力增大(如图3所示),于是弯月面再次受力平衡，如此反复。
[0057]
如图4所示，表面张力实际上构成了凝胶颗粒与弯月面之间的作用力与反作用力。凝胶颗粒通过对弯月面提供表面张力σ使其受力得以平衡，而弯月面则将表面张力σ'反作用于凝胶颗粒，根据力的平衡可知，这一反作用力的合力在数值上、方向上均与毛细管负压相同，从而促使凝胶颗粒向内部运动。这即所谓的收缩拉力，它是造成水泥浆体收缩的直接驱动力。在垂直向的蒸发过程中，这一收缩力还与凝胶颗粒的自重叠加，加速浆体的收缩。
[0058]
根据以上干燥机理分析，干缩拉力σs也即毛细孔负压，在数值上应该等于表面张力竖向分量的合力。假设弯月面是球冠形的，则将图3所示的弯月面向水平面垂直投影得到如图5所示的受力单元，其中表面张力取其竖向分量σcosθ，作用域为图示的阴影部分的单位宽度圆环，而毛细孔负压δp的作用域为整个弯月面的投影圆，r为毛细孔弯月面处的孔径。
[0059]
则取图中角度为dβ的微元，根据竖向的受力平衡有如下等式成立：
[0060][0061]
对上式中β角从0～π积分得到：
[0062][0063]
即：
[0064]
σcosθ
·r·
2π＝δp
·
πr2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-3)
[0065]
从而
[0066][0067]
另外，干缩拉力也可以用孔隙内的相对湿度(rh)来表征。kelvin方程给出了如下孔隙相对湿度与孔径的关系：
[0068][0069]
其中，—相对湿度；m—水的摩尔质量(18kg/kmol)；ρ—水的密度(1000kg/m3)；r—气体常数(8.214j/(kmol℃)；t—温度(℃)；
[0070]
上式也可变化为：
[0071][0072]
于是代入(2-4)即可得到毛细孔负压与相对湿度的关系：
[0073][0074]
上述理论公式的推导也证明了毛细管负压随内部相对湿度的降低而降低。当水泥浆体中内部相对湿度由100％降低到80％时，毛细孔负压将从0增加到30mpa。当降至60％以下时，毛细孔负压将错发展到100mpa以上。
[0075]
从上述机理可以看出，当混凝土内部浆体孔隙的孔径越小时，这些孔中失去水分时候形成的收缩拉应力(毛细管负压)也更大，然而，从整体看，由于浆体内部的孔隙大小不是固定的，而是不同孔径按一定比例分布的，其中毛细孔的尺寸在0.01～1μm之间，孔径小的毛细孔失水产生的收缩拉力固然大，但其占有的百分比却不大，因而对收缩来说这类细小毛细孔并不是决定性的因素，而真正能决定浆体在干缩时收缩量值的是那些孔径相对来说不很大而所占的比例却很大的毛细孔。
[0076]
从上述分析可以看出，影响干缩的3个重要因素是水灰比、水化程度、失水速率，其中前两者是决定孔隙分布的主要因素。水泥完全水化的水灰比在0.42左右，用水量直接影响孔径分布与孔隙率，水灰比越高，孔径与孔隙率也越大。因此，低水灰比混凝土的孔隙水越低，相应的干缩也越低，但当水灰比过低时(0.2《w/c《0.42)，有可能产生自干燥(self-desiccation)收缩，这将在后文详细论述。水化程度实质上也反映了龄期与养护对干缩的影响，在水化后期，由于更多的水成为化学结合水，可供迁移的自由水分就越少，因此早期养护地越好，暴露于空气中的龄期越晚，干缩越小。失水速率其实与结构的形状有关，通常结构表面积与体积的比率越大，水分的散失越快，干缩也越严重，这也是路面板、桥面板、楼面板更容易干缩开裂的原因。此外，在混凝土中，骨料的种类和含量也会间接地影响混凝土的自由收缩。骨料因为相对较为稳定将阻止浆体的收缩，因此骨料粒径越大、硬度越高，浆骨比越小，干燥时的自由收缩越小。至于其他因素如化学外加剂、矿物掺合料、水泥种类等，也会因为改变水化过程及浆体孔隙的组成而影响混凝土的干缩。
[0077]
自生收缩是混凝土在没有与周围环境发生湿度交换的情况下发生的体积变化。混凝土的自生收缩与化学减缩有联系，但两者不是同一个概念，化学减缩是指混凝土内的水泥水化反应过程中，水化产物的绝对体积同水化前水泥与水的绝对体积之和相比有所减小的现象，自生收缩虽然也于水泥的水化有关，但这两者没有直接的关系。在混凝土初凝前，由于拌和物具有良好的塑性，化学减缩以宏观体积，即外部体积收缩的形似表现出来，并不对结构产生危害；初凝后，随着塑性的减小，水泥石骨架的形成，强度也开始发展，因此化学减缩以形成内部孔隙的形式表现出来，而此时的宏观体积变化则主要是自生收缩、温度收缩、干燥收缩共同作用的结果。在无外界水供应的情况下，混凝土初凝后随着水化的进一步进行，内部孔隙水逐渐被消耗，混凝土内部将产生自干燥现象，引起体系的宏观体积收缩，即所谓的自生收缩，这与干燥收缩的产生机理类似。由此可见，化学减缩是在有足够水供应的情况下观察到的，它是由固相、液相构成的反应物绝对体积的降低，而自生收缩是固相体积形成后体系在没有足够水供应的情况下外观体积的降低，它在混凝土初凝后发生，而水化作用引起的混凝土内部的自干燥是造成自生收缩的最直接原因。自生收缩与干燥收缩的形成机理在本质上是一致的，即都与失水造成的毛细孔压力有关系。所不同的是两者的失水方式不同。此外，自生收缩更多的表现在早期(浇筑后前三天)，而干缩则相对来说要表现的晚一些，主要发生在养护结束以后，当然若早期得不到适当的养护，那早期干缩也是很大
的。事实上，自生收缩存在于任何混凝土中，只是因为水胶比的大小、掺合料的使用与否、养护条件的差异等不同而表现的程度不同而已。
[0078]
碳化收缩的是由于碳化作用所产生的游离态水蒸发引起的浆体收缩。碳化作用是指大气中的co2在有水的条件下与水泥水化产物作用生成cac03、铝胶、硅胶以及游离态水，并由此引起混凝土体积收缩变形，其实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。碳化收缩量的大小与水泥水化产物的碱度、空气中二氧化碳的浓度以及湿度有关。一般碱度、co2浓度越高且湿度适中(50％左右)，则越易发生碳化作用，碳化收缩量也越大。因此，在干湿交替环境下易出现碳化收缩裂缝，而干燥环境或水饱和情况下不易出现。碳化作用与碳化收缩一般仅发生在混凝土表面，因为碳化收缩裂缝处会析出由反应生成物(caco3、铝胶、硅胶)形成的凝胶，它将阻止co2的进入，故不再发生碳化。因此碳化收缩引起的裂缝深度通常不超过2cm，数量与龄期及周围环境有关。
[0079]
如图6所示，本发明还提供一种分析混凝土早期收缩裂缝形成的装置，包括：
[0080]
获取模块，用于获取混凝土早期体积变形信息；
[0081]
处理模块，用于根据混凝土早期体积变形信息，得到温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息；
[0082]
判断模块，用于根据所述温度作用收缩信息与湿度作用收缩信息，判断混凝土是否早期开裂。
[0083]
作为优选，所述温度收缩信息包括：水化急剧温升后导致的温降收缩、以及昼夜温差或季节温差引起的温度收缩；所述湿度作用收缩信息包括：干燥收缩、自生收缩、塑性收缩、碳化收缩。
[0084]
由于混凝土早期裂缝的产生是混凝土在自身诸多变形因素作用下受到约束条件限制的结果，采用本发明的技术方案从混凝土早期收缩开裂的形成机理入手，确定了湿度的变化是产生干燥收缩和自生收缩的影响因素，进而可以分析得到混凝土早期收缩裂缝的变形因素。
[0085]
尽管已参照优选实施例描述了本发明的方法原理，但本领域的技术人员应理解，上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，做出的各种变化、变型、修改、替换、改进等技术方案，均应属于本发明公开的范畴。