混凝机理（精选十篇）
混凝机理 篇1
1 近海混凝土中钢筋锈蚀机理
新制混凝土对其内部的钢筋具有良好的保护作用, 这是因为混凝土呈强碱性, 其pH约为12～13, 在这样的强碱性环境中, 钢筋表面形成一层致密的氧化膜, 使钢筋处于钝化状态不被腐蚀。但是, 如果由于某种原因破坏了钢筋表面的钝化膜, 则在适宜的条件下钢筋就会发生锈蚀。
混凝土中钢筋锈蚀的基本原因是电化学腐蚀, 根据金属腐蚀电化学原理和混凝土中钢筋受钝化膜保护的特点, 混凝土中钢筋锈蚀的发生必须具备三个条件:1) 钢筋表面存在电位差, 构成腐蚀电池;2) 钢筋表面钝化膜遭到破坏, 处于活化状态;3) 钢筋表面存在电化学反应和离子扩散所需的水和氧气。
由于钢筋含有杂质及钢筋成分的不均匀性、混凝土碱度或氯离子浓度在不同部位的差异、裂缝处钢筋表面的氧气剧增形成氧浓度差异或由于加工引起的钢材内部应力等, 都会使钢筋各部位的电极电位不同形成腐蚀电池, 因此, 条件1) 总是存在和满足的。空气中的氧气和水分很容易通过混凝土中贯通的孔隙与微裂缝进入到钢筋表面, 提供锈蚀反应所需的水和氧, 所以, 条件3) 也总是存在和满足的。钢筋处于活化状态的原因:1) 氯离子侵蚀或混凝土中掺入过量氯盐, 当钢筋表面氯离子浓度超过临界值, 则使钢筋脱钝;2) 混凝土碳化使保护层混凝土的pH降低, 从而破坏钢筋表面的钝化膜。对于近海环境, 钢筋脱钝基本上是由氯离子引起的, 因此氯离子的侵蚀是近海环境下混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。
2 钢筋的锈蚀过程
氯离子侵蚀下, 钢筋混凝土腐蚀破坏过程可由图1表示。0～t1段:腐蚀介质在混凝土中扩散及在混凝土与钢筋界面的积累达到临界值, 但钢筋钝化膜未被破坏;t1～t2段:腐蚀介质在局部区域超过临界值发生腐蚀, 导致混凝土局部开裂, 是由钢筋表面的钝化膜发生局部破坏至混凝土发生局部开裂的时间;t2～t3段:钢筋发生大面积腐蚀, 混凝土大面积开裂, 钢筋腐蚀速度加快, 导致钢筋截面积迅速减小, 使结构安全性能低于允许的指标。
3 钢筋锈蚀的电化学过程
混凝土中钢筋的锈蚀具有一般电化学腐蚀的特征, 当钢筋表面的钝化膜遭到破坏时, 钢筋处于活化状态, 在水和氧气得到满足的情况下, 钢筋发生电化学腐蚀, 电化学腐蚀的过程如下:
1) 阳极反应过程。阳极区铁原子离开晶格转变为表面吸附原子, 然后越过双电层放电转变为阳离子, 并释放电子, 这个过程称为阳极反应, 其反应式为:
Fe-2e=Fe2+ (1)
如果生成的Fe2+不能及时搬运走而积累于阳极表面, 则阳极反应就会受阻;如果生成的Fe2+能及时被搬运走, 阳极反应就会顺利进行乃至加速进行。
如果在钢筋表面有大面积的高浓度氯离子存在, 则氯离子引起的腐蚀是均匀腐蚀, 但是在混凝土中常见局部腐蚀。首先在很小的钢筋表面上形成局部破坏, 成为小阳极, 此时钢筋表面的大部分仍具有钝化膜, 成为大阴极。这种特定的由大阴极和小阳极组成的腐蚀电偶, 由于大阴极供氧充足, 使小阳极上铁迅速溶解产生深蚀坑, 小阳极区局部酸化;同时, 由于大阴极区的阴极反应, 生成OH-使pH增高;氯离子提高混凝土吸湿性, 使阴极和阳极之间的混凝土孔隙液欧姆电阻降低, 这三方面的自发性变化, 使得上述局部腐蚀电偶以局部深入的形式持续进行, 这种局部腐蚀又被称为点蚀和坑蚀, 如图2所示。
2) 电子传输过程。即阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送。
3) 阴极反应过程。阴极区由周围环境通过混凝土孔隙吸附、渗透、扩散作用进来并溶解于孔隙水中的O2吸收阳极区传来的电子, 发生还原反应:
4) 腐蚀产物生成过程。近海环境中的Cl-与阴极反应生成的OH-争夺阳极反应产生的Fe2+, 形成FeCl2·4H2O (绿锈) , 绿锈从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土孔隙迁徙, 分解为Fe (OH) 2 (褐锈) , 同时放出H+和Cl-。褐锈Fe (OH) 2沉积于阳极周围, 并被进一步氧化成Fe (OH) 3, Fe (OH) 3脱水后变成疏松、多孔的红锈Fe2O3;在少氧条件下, Fe (OH) 2氧化不很完全, 部分形成黑锈Fe3O4。放出H+和Cl-又回到阳极区, 使阳极区附近的孔隙液局部酸化, Cl-再带出更多的Fe2+。这样, 氯离子虽然不构成腐蚀产物, 在腐蚀中也不消耗, 但是作为腐蚀的中间产物给腐蚀起到了催化作用。
4钢筋锈蚀的防护措施简介
1) 使用钢筋阻锈剂。海工混凝土中钢筋的腐蚀, 事实上是一种电化学腐蚀, 其阴、阳极反应都在钢筋电解质界面上发生。若能阻止其中任何一种界面反应, 就能抑制腐蚀。使用钢筋阻锈剂就可有效地阻止钢筋锈蚀。
2) 环氧涂层钢筋。采用经环氧涂料处理的涂层钢筋制作的海工混凝土构件, 理论上具有良好的防腐蚀效果。
3) 涂料涂装保护。混凝土表面实施涂料涂装保护, 可阻止或减缓环境介质中氯离子的侵入。
4) 电化学保护法。电化学保护法是使金属极化到免疫区或钝化区而得到保护, 可分为阴极保护法和阳极保护法。对于混凝土中钢筋的腐蚀破坏, 阴极保护被认为是最有效的防护方法之一。
5) 掺加海水耐蚀剂。海水耐蚀剂是针对海洋环境中混凝土结构腐蚀破坏特点而设计, 具有很高的抗氯离子侵蚀的能力。
6) 提高混凝土保护层厚度。已有的试验研究和暴露试验结果表明, 保护层的厚度对于延缓钢筋腐蚀非常重要。根据已有的工程实践, 处于浪溅区构件混凝土保护层厚度不宜小于65 mm, 大气区为50 mm, 水位变动区为50 mm, 水下区为30 mm。
参考文献
[1]JTJ 275-2000, 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].
[2]吕平, 潘琳, 赵铁军, 等.海工钢筋混凝土结构的防护[J].建筑科学, 2005 (12) :78-79.
[3]黄焕谦.海港混凝土建筑中钢筋的外加电流阴极保护[J].海洋科学, 2007 (7) :86-88.
水泥混凝土路面板底脱空机理分析 篇2
首先分析了混凝土路面产生板底脱空现象的`形成机理,然后就不同脱空面积对水泥混凝土路面板的影响进行了应力分析.由应力分析结果可知,当水泥混凝土板底出现脱空时,应及时加以处理,防止脱空的进一步扩展和板体的破坏.
作 者：蒋习伟 黄刚 作者单位：蒋习伟(重庆锦程工程咨询有限公司,重庆,401174)
黄刚(重庆交通大学土木建筑学院,重庆,400074)
混凝机理 篇3
摘要：混凝土施工是房屋建筑工程中的重要部位，如房屋工程的承重构件框架梁、板、柱以及一些小型构件等。随着经济和施工技术的发展，房屋工程逐渐摆脱以砖混结构为主的格局，钢筋混凝土框架结构已占据主导地位。因此，加强混凝土工程裂缝控制至关重要，而加强混凝土施工中温度控制是防止混凝土构件出现裂缝重要环节之一。本文在此从混凝土温度裂缝的成因出发，从设计、材料、施工和养护等角度对混凝土温度裂缝施工做了详细的研究。
关键词：混凝土；温度；裂缝
一、建筑施工温度与混凝土裂缝的基本特征
在工程施工中，温度变化引起的裂缝主要产生在混合结构的房屋建筑中，一般，屋盖采用现浇钢筋混凝土板、墙体采用砖砌体，而裂缝就多发生在屋盖现浇板下的砖砌体中。如果房屋的纵向裂缝超过60m，还没有进行相对的沉降处理时，温差裂缝就会出现在房屋纵向部位的两端，中间部位通常屋裂缝或只有很轻微的裂缝，而在上述两种情况中，如果外墙门窗的开洞过大，裂缝也会更加明显。裂缝多为一条细缝的状态出现，宽度一般在0.2-1.5cm 内，严重时可能会出现 370mm 墙体裂通。
1、八字缝，通常出现在墙体顶端的两端的1-2个开间内，裂缝从两边向中间逐渐上升，呈对称八字形，纵墙出现的机率大于横墙。
2、水平缝，该裂缝主要发生在屋盖钢筋混凝土圈梁底面标高处或檐口下。
二、混凝土温度裂缝的产生的原因
1、混凝土本身的特点引起的原因
工程建设中许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、干湿变化，混凝土表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104。由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。
2、温度应力引起的原因
对于边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如：桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间过程出现压应力。这种应力成为自身应力。结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。此时的应力称为约束应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。
三、施工准备阶段控制措施
1、设计措施
1.1根据实际情况采取合理的结构形式进行分块、分层和分时段的浇筑形式，应对各分层之间混凝土浇筑的时间提出要求，保证每层表面水化热的散发，尽量降低约束作用。应根据温度裂缝的要求分块设置水平施工缝，并设置合理的连接方式。
1.2设计时应选用强度等级在C20～C35的低强度混凝土。由于高强混凝土呈现“脆性”易产生裂缝，而且工程造价较高，所以应避免采用水化热较高的高强度混凝土。
1.3进行结构设计时，应对分布钢筋进行合理设置，尽量采用小直径钢筋、采取密间距布置等对降低混凝土裂缝有较好效果的配筋方式，以减少裂缝出现的程度及概率。
2、原材料的选择措施
2.1水泥的选择
水泥的水化热，直接影响混凝土的温升。因此在保证建筑物设计强度的前提下，应选用低热或者中热的C3S及C3A等水泥，并宜对低矿碴、火山灰质等水泥优先选用。并应按照《水泥水化热试验方法（直接法）》等行业标准对所选定的水泥进行水化热测定。
2.2粗、细骨料的选择
（1）为达到设计要求，同时又能发挥水泥的有效作用，应优先选用自然连续级配的粗骨料，因其配制的混凝土所具有的较好的和易性，可有效减少水泥用量，并达到相应的强度；
（2）由于采用碎石拌制的混凝土，其强度较高，并具有良好的抗裂性能，所以选择粗骨料时，宜优先选用碎石；
（3）经验数据表明，当选用中粗砂做细骨料时，可减少混凝土水泥用量，而水泥用量的减少，有利于降低绝热温升，所以，宜采用中粗砂做细骨料；
（4）粗、细骨料均应对含泥量进行严格控制，因为含泥量一旦超标，混凝土的收缩性会大幅度提高，而抗拉强度大大下降，加剧了混凝土的温度裂缝。
2.3外加剂的选择
建筑混凝土外加剂有减水剂、引气劑、等多种类型，粉煤灰是建筑混凝土外加剂的一种，它对于防止混凝土裂缝、改善混凝土的施工性能有较好的效果。建筑用外加剂通常采用I级粉煤灰，但掺兑比例不宜过大，否则会造成混凝土早期强度低、低温泌水大等缺陷。
2.4优化配合比
在满足强度要求的情况下，尽量减少水泥用量。施工前，应反复进行配比试验，优选最合适的配合比，以提高混凝土的流动性、和易性和使混凝土具有较大的抗裂能力，有效降低混凝土的绝热温升。
四、施工阶段采取有效措施对温度裂缝进行控制
1、温度控制措施
为了减少由于温度变化而产生的裂缝，施工单位应改善骨料级配，使用硬度较强的混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂，这些措施可以有效减少混凝土中的用水量；同时，在搅拌混凝土的同时加水或用水将碎石冷却，可以降低混凝土浇筑的温度。此时，还要为混凝土的散热提供条件，夏天浇筑混凝土时可以适当减少浇筑的厚度，通过建筑层面来降温；对于体积较大的混凝土，应在混凝土结构中预埋水管，通入冷水降温；按照规定的时间拆模，当气温骤降时还要对表面进行保温，预防表面温度巨变而发生的温差裂缝；而对于长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在低温季节仍然要进行保温措施。
2、约束条件改善措施
在工程建设中，混凝土结构浇筑要合理的分块施工，以免基础起伏过大；同时要科学的安排工序。在施工过程中，为了提高模板的周转率，通常要求新浇筑的混凝土做早期拆模。而当混凝土的温度高于气温时，才应考虑拆模，这样才能预防混凝土出现温差裂缝。新浇筑早期拆模，会在表面形成较大的拉力，出现“温度冲击”现象。
3、掺入外加剂
木质素磺酸钙属阴离子表面活性剂，对于水泥颗粒的分散效果较好，还能降低水的张力，而引起加气作用。因此，如果在水泥中混入0.25%的木钙减水剂（即木质素磺酸钙），其混凝土的和易性能有明显的改善，还能较少约10%左右的拌合水，节约 l0%左右的水泥，以此而降低水化热。
五、混凝土的早期养护
实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
1、防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。
2、防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3、防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
六、结语
混凝土箱梁顶板纵向裂缝机理分析 篇4
随着交通事业的迅速发展, 我国已建成连续刚构梁桥数量节节攀升, 全国各地的交通条件得到显著改善。但是随着桥梁服役时间的增长, 连续刚构梁桥的各种病害也凸显出来。据调查, 当前一些预应力混凝土连续箱梁桥运营期间出现裂缝的病害时有发生, 而箱梁顶板纵向裂缝是箱梁常见裂缝之一[1]。随着桥面汽车荷载的反复作用, 顶板裂缝在长度、宽度和深度方向不断发展, 从而严重威胁结构的耐久性和安全性。因此国内外土木工程师对箱梁顶板裂缝产生的原因及机理进行了相关的研究。有学者认为顶板横向弯矩过大, 横向配筋不足, 箱梁横向弯曲空间效应, 顶板厚度偏小, 箱梁内外温差过大是引起箱梁顶板纵向裂缝的主要因素[2]。吴文辉等从设计、施工、运营超载等方面分析了箱梁顶板纵向裂缝产生的原因[3];张利认为箱梁横截面较宽, 横向预应力束设置不合理, 以及大吨位纵向预应力导致混凝土横向变形等因素引起了箱梁顶板纵向裂缝[4]。崔宏涛等通过有限元分析得到同一座桥梁采用不同的温度梯度模式计算得到的梁内温度应力相差很大, 设计时应充分考虑横向温度应力, 使结构具有足够的横向预应力或足够的温度钢筋, 增加其抗裂能力[5]。从现有的研究来看, 大家都认识到了顶板纵向裂缝与横向温差应力有关, 而工程设计上也都普遍“被动地”通过增加横向预应力钢筋或普通温度钢筋以通过验算, 达到设计要求。但是因为施工过程中横向预应力很难得到保证, 且桥面板长期承受动载而导致横向预应力松弛损失较大, 故使得设计上原本不会出现顶板纵向裂缝病害的情况在实际中却屡见不鲜。从机理上分析, 要解决箱梁顶板因温差横向应力导致的开裂问题, 合理的方法应该使顶板内外温度尽可能一致, 这是从源头上解决温差开裂问题的最有效的方法。从温差与温度应力的关系上看, 温差越大, 温度应力就越大, 一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉应力极限值时, 混凝土就会出现裂缝[6]。
本文通过“主动”降低温差以减小温度应力的思路, 推导了箱梁顶板横向温差应力与顶板内外温差之间的理论公式, 并分析了横向温差应力随温差的变化规律, 结果表明通过降低温差可显著降低箱梁顶板横向应力, 达到有效避免顶板纵向裂缝病害的目的。
2 箱梁横向温差应力公式推导
在日照升温、骤降温等因素作用下, 根据现场实测资料可知箱梁沿桥长方向的温度分布均匀一致, 但横截面上的温度分布复杂, 当箱梁处于顶板受日照状态时, 实测的顶底板温差T0可达23℃[7]。仅在温度梯度荷载下, 箱梁局部会产生纵向和横向温差应力, 纵向温差应力因其作用在具有很大纵向预应力的方向, 对结构影响较小, 而横向温差应力作用在原本薄弱的顶板上, 使得其与箱梁中出现的纵向裂缝密切相关。
横向温差应力由横向局部温差自约束应力和横向框架约束温差应力组成[7]。前者可按非线性温度分布下矩形板条的局部温差自约束应力计算, 后者可按横向框架计算, 先求出线形温度分布下的横向约束温差应力, 再乘以非线性温度分布的修正系数k。
2.1 横向局部温差自约束应力
假设箱梁为一均质弹性体, 且变形符合平截面假定, 混凝土线膨胀系数为α, 某一时刻顶板沿厚度方向的温度分布为ty, 则横截面内温度自由应变为αty, 截面内发生平面变形后保留的温度应变εy, 如图1所示。
据图可得到:
取混凝土弹性模量为E, 则横向自约束温差应力为:
将式 (1) 带入式 (2) 得:
在仅考虑温差作用 (无外荷载) 的情况下, 根据截面内力平衡原理, 由∑N=0, ∑M=0, 可求得截面上、下表面的应变ε1、ε2如下:
式中:
将式 (4) 和式 (5) 带入式 (3) 得到箱梁顶板横向自约束应力为:
2.2 横向框架约束应力
横向框架约束应力通过力法求出线性温度分析下的约束应力并计入非线性温度分布修正系数得到。当仅考虑顶板竖向温差荷载作用时, 对称结构可不考虑剪切变形, 力法求解赘余力的基本体系如图2所示。
其典型方程为:
为简化, 近似地将顶、腹、底板厚度取为δ=δ1=δ2, 刚度均取为EI, 求出各系数δij和自由项Δit带入典型方程求得:
顶板横向框架约束温差弯矩为:
将式 (8) 带入式 (9) 可得:
计入非线性温度分布修正系数k后, 箱梁顶板的横向框架约束应力为:
综合上述, 箱梁顶板横向温差应力为:
将式 (6) 和式 (11) 带入式 (12) 即可求得。
3 实桥算例分析
现选取某混凝土梁桥如图3所示截面进行计算分析, 各计算参数取值如表1所示。
将表1中各参数取值带入式 (6) 和式 (11) 可计算出箱梁顶板横向温差应力分布规律, 现计算得到相同温差下箱梁顶板横向自约束应力、横向框架约束应力及横向温差总应力三者之间的关系如图4所示。
由图4表明: (1) 箱梁横向自约束应力 (self-RS) 先增大后减小, 沿顶板厚度方向呈上下侧受压, 中间受拉的非线性应力分布状态; (2) 箱梁横向框架约束应力 (frame-RS) 沿顶板厚度方向呈上侧受压下侧受拉的线性分布状态; (3) 在顶板上表面, self-RS和frame-RS分别为-2.68 MPa和-2.75 MPa, 应力相当且均受压, 而在顶板下表面, self-RS和frame-RS分别为-0.47 MPa和2.75 MPa, 应力差别较大; (4) 箱梁温差横向应力使得顶板上缘受压, 下缘受拉, 且拉应力达2.28 MPa, 足以引起箱梁顶板混凝土纵向开裂。
针对工程中常见的箱梁顶板纵向开裂病害 (图5) , 现在大多数是通过设计增加横向预应力筋来“被动的”应对这一问题, 但因为施工质量问题横向预应力得不到保证, 再加之桥面板长期承受动载导致预应力松弛损失增大, 所以顶板纵向裂缝病害通过设计来解决的效果并不理想。因此本文提出“主动”降低顶板内外温差以减小引起箱梁纵向裂缝的横向温差应力, 从根源上解决箱梁纵向开裂问题。通过实桥计算分析得到温差对横向温度应力的影响规律如图6~图8所示。
由图6可得出:通过降低箱梁顶板温差T0, 可使顶板自约束应力绝对值减小, 即上下侧压应力降低, 中间拉应力也变小, 从而达到应力“削峰”的目的。由此说明降低温差对减小箱梁顶板横向温差自约束应力效果明显。
由图7表明: (1) 箱梁因横向框架约束在顶板底面引起较大拉应力, 在顶板内外温差25℃时, 顶板下缘拉应力可达2.75 MPa; (2) 通过降低箱梁顶板温差T0, 可使引起箱梁顶板底面纵向开裂的横向框架约束应力显著减小。
由图8可知: (1) 箱梁顶板在横向温差应力作用下上侧受压, 下侧受拉, 呈非线性分布; (2) 降低温差荷载, 可使箱梁顶板因横向约束产生的上侧压应力和下侧拉应力均显著减小, 且压应力较拉应力减小得快; (3) 当温差T0从25℃降到5℃时, 顶板横向温差应力中引起纵向裂缝的下缘拉应力可从2.75 MPa减小至0.55 MPa; (4) 温差减小5℃至20℃时, 该箱梁顶板横向温差应力小于混凝土抗拉设计值1.89MPa, 便可有效避免因横向温差应力而引起的开裂病害。
4 结语
(1) 通过对箱梁顶板横向温差应力的理论推导, 得到箱梁横向自约束应力沿顶板厚度呈非线性分布, 顶板上侧和下侧受压, 中间受压。
(2) 箱梁顶板横向框架约束应力沿顶板厚度呈线性分布, 上侧受压, 下侧受拉。
(3) 通过实例分析表明, 箱梁顶板底面纵向裂缝主要由其横向框架约束温差应力引起, 可通过“主动”降低温差的方式减小横向温差应力, 避免箱梁顶板底面纵向开裂病害。
参考文献
[1]李青山, 李小红, 叶见曙.混凝土箱梁顶板纵向裂缝成因分析:2008年全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议, 南京, 2008Li Qingshan, Li Xiaohong, Ye Jianshu.Concrete box girder roof longitudinal crack reason analysis.Academic Conference of Reinforcement, Reconstruction and Evaluation about the National Existing Bridge, Nanjing, 2008
[2] 李小红, 李青山, 叶见曙.连续箱梁跨中合龙段箱梁顶板纵向裂缝分析研究.现代交通技术, 2010; (3) :37—40Li Xiaohong, Li Qingshan, Ye Jianshu.the roof longitudinal cracks analysis about continuous box girder span closure segments.Modern Traffic Technology, 2010; (3) :37—40
[3] 吴文辉, 丁志凯.某变截面连续箱梁顶板纵向裂缝病害成因分析.交通科技, 2013; (3) :47—49Wu Wenhui, Ding Zhikai.Genetic analysis of roof longitudinal cracks on A variable cross-section continuous box girder.Journal of Transportation Science and Technology, 2013; (3) :47—49
[4] 张利.预应力混凝土连续刚构桥箱梁顶板纵向裂缝分析.公路, 2006; (8) :270—272Zhang Li.Analysis of Roof longitudinal fracture about prestressed concrete continuous rigid-frame box girder.Highway, 2006; (8) :270—272
[5] 崔宏涛, 贺虹.预应力混凝土连续箱梁桥纵向裂缝仿真分析.中外公路, 2006; (4) :115—118Cui Hongtao, He Hong.Simulation analysis of longitudinal cracks about prestressed concrete continuous box girder bridge.Journal of China&Foreign Highway, 2006; (4) :115—118
[6] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.北京:中国电力出版社, 1999Zhu Bofang.The mass concrete temperature stress and temperature control.Beijing:China Electric Power Press, 1999
混凝机理 篇5
关键词：混凝土结构；钢筋锈蚀；机理；因素
1混凝土中钢筋锈蚀的原因
1.1在施工方面对钢筋保护层厚度重视不够，造成钢筋保护层厚度不足
《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）在构造规定中，对设计使用年限为50年的结构受力钢筋的混凝土最小保护层厚度有明确规定；只有包裹在钢筋外边的混凝土不小于规定的厚度，50年后钢筋才开始锈蚀。如果保护层厚度不足，里面的钢筋就会提前锈蚀。
1.2施工材料的不正常使用
建国十周年的十大建筑属于特级建筑，应该使用100年以上不会有问题，但在使用了50年左右翻新时发现，其中的有些25mm的钢筋锈得只有10mm了，承载力和原来相比相差甚远。问题主要就是施工材料的使用，当时冬季施工要在混凝土中加入了很多盐，以保证混凝土不冻，这样就可以加快施工进度，这种方法非常腐蚀钢筋，因此极大的影响了建筑物的使用寿命。
1.3钢筋混凝土中裂缝的影响
一般认为混凝土只要达到设计强度等级的要求就可以了，对混凝土存在的开裂却认识不足。混凝土是非匀质材料，在空气中永远呈收缩变形。有些施工单位为保护混凝土的强度，盲目加大水泥的用量；使用水化热较大的水泥配制大体积混凝土为保证混凝土的流动性，在施工过程中随意加水或选用不合适的外加剂和掺合料；混凝土浇筑后的养护跟不上或根本不注意混凝土的养护等等,都是造成混凝土开裂的原因，混凝土裂缝的产生，就等于减小了钢筋保护层厚度，如果裂缝深度超过了保护层的厚度，就意味着钢筋从此就已经开始锈蚀了。
参考文献
[1]《混凝土结构》罗向荣主编
[2]《建筑材料》王春阳主编
混凝土结构的加固机理及方法 篇6
1混凝土结构需要加固的原因
在工程实践中,导致混凝土结构需要进行加固的原因主要有以下几个方面:1)勘察资料不准确、设计不周或者是施工管理不严造成的施工质量不佳,以及建筑材料不符合要求等原因造成的工程事故;2)建筑物改建、扩建以及改变原有结构的使用功能等;3)自然灾害与偶然事故的发生对建筑物造成的损害;4)由于建筑物环境的影响导致结构构件的裂缝、钢筋锈蚀、混凝土碳化等影响结构的耐久性;5)为防患于未然而对现有的老建筑物进行的抗震加固等。现对通用的混凝土结构选用原则及其加固方法作一分析。
2 混凝土结构加固的基本原则
1)方案制定的总体效应原则。2)荷载取值原则。3)综合考虑技术经济原则。4)与抗震设防结合的原则。
3 混凝土结构加固方法
3.1 直接加固方法
1)加大截面加固法[1]。
此法是通过用钢筋混凝土或钢筋网砂浆增大截面达到提高结构承载力的目的。它通过增大原混凝土构件横截面高度,加大构件的承载力从而达到提高构件正截面抗弯,斜截面抗剪的能力。该法施工工艺简单,适应性强,且有成熟的设计和施工经验,适用于梁、板、柱、墙等的混凝土构件加固,但现场施工的湿作业时间较长,且加固后的建筑物净空受到一定影响。加大截面加固法施工工艺简单、适应性强,并具有成熟的设计和施工经验;适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固;但现场施工的湿作业时间长,对生产和生活有一定的影响,且加固后的建筑物净空有一定的减小[2]。
2)粘钢加固法。
钢筋混凝土受弯构件外部粘钢加固是在构件承载力不足区段(正截面受拉区、正截面受压区或斜截面)表面粘贴钢板,这样可提高被加固构件的承载力和满足正常使用要求[3]。此方法设计及结构计算简单,不损伤原混凝土构件,施工方法简便,周期短,现场作业量小,对原构件外形尺寸影响小,且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响,但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平,适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固[4]。
3)置换加固法。
此法先剔除原混凝土结构受力构件中需置换部位的混凝土,直至露出坚实的结构层,然后将结合面处理干净,浇筑新的混凝土,新浇筑混凝土的水泥胶体在微膨胀剂的压力下渗入原有结构构件,从而在水泥水化过程中粘结为一体。当置换界面部分的处理和施工符合相关规范要求时,其结合面可按整体工作计算,所以此法可用于新建工程混凝土质量不合格的返工处理,也可以用于已有混凝土承重结构受侵蚀、冻害、火灾烧损以及地震、强风和人为破坏后的修复。该法也适用于承重构件受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的局部加固。
4)外包型钢加固法。
外包钢加固法是以型钢(一般为角钢)外包于构件四角(或两角)的加固方法。外包钢加固钢筋混凝土梁一般应采用湿式外包法[4],即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固构件粘结成一个整体。此方法受力可靠、施工简便、现场工作量较小,但用钢量较大,且不宜在无防护的情况下用于600 ℃以上高温场所;适用于使用上不允许增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。
3.2 间接加固方法
1)预应力加固法。
即采用外加预应力的钢拉杆(分水平拉杆、下撑式拉杆和组合拉杆3种)或撑杆,对结构进行加固的方法。预应力加固法具有加固、卸载、改变结构内力的三重效果,适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件,但不能用于温度在600 ℃以上环境中,也不宜用于混凝土收缩徐变大的结构[6,7]。
2)增加支撑加固法。
该法通过增设支点来改变结构传力途径以达到加固的目的。用增加构件、增设支承点来减小受弯构件的计算跨度,减轻被加固构件的负担,达到减少作用在被加固构件上的承载效应,提高结构承载水平的目的。此方法简单可靠,适用于梁、板、桁架、网架等水平结构的加固,但易损害建筑物的原貌和使用功能,并可能减小使用空间。
3.3 新型加固方法
1)聚合物浸渍混凝土。
此方法是一项纯粹的化学加固技术,是指以普通混凝土为基材,以有机单位为浸渍液渗入混凝土内部并且聚合而成的一种有机—无机复合材料。此方法主要用于提高混凝土强度及耐久性,极大地改善混凝土的微观力学结构,提高原混凝土基材的力学强度。施工过程完全不损伤原混凝土构件,不削弱原构件承载力,安全可靠;加固材料渗入混凝土内部,不存在应力滞后问题;不影响原构件外形尺寸。
2)玻璃钢加固法。
玻璃钢是由玻璃纤维加环氧树脂形成轻质高强度的新材料,具有自重轻,强度高,耐腐蚀,与混凝土线膨胀系数接近,使得二者能共同工作,施工方便,周期短,抗渗性好等优点。玻璃钢具有耐腐蚀的优良特性,但对其在高温和动力荷载以及在长期荷载作用下的老化问题仍然需要进行研究。
3)碳纤维加固法[8]。
1)加强对加固基础理论的研究。2)建立和完善混凝土结构加固的技术标准。3)重视加固技术的研究和交流。4)加强对新型加固材料和产品的技术研究与开发。
摘要：在阐述混凝土结构加固的原因及加固原则的基础上,对其加固方法进行逐一的分析和讨论,最后针对现阶段混凝土加固技术所存在的问题进行了总结,从而对混凝土加固技术有一个概要的了解。
水泥混凝土路面破坏的力学机理 篇7
1 有限元计算的力学模型
为了找出路面结构组合, 各结构层厚度和材料强度质量对混凝土路面各结构层的位移和应力的影响, 以现场调查中的三种主要路面结构为依据, 拟定了三种结构组合形式 (如图1) 作为有限元分析计算的路面结构, 其中各结构层施工质量用结构层的厚度变化和模量变化来模拟。
2 各路面结构的应力、位移计算成果及混凝土路面破坏的力
2.1 不同结构组合形式、选用不同的基层材料, 其板中的应力不同A1、A2、A3结构与C1、C2、C3结构相比, 在A型结构中加了15cm的二灰后 (C型结构) , 板中的应力大大降低, A1、A2、A3结构中板的拉应力分别由2.27MPa、3.47MPa、2.33MPa降低为1.562MPa (C1) 、3.16MPa (C2) 、1.57MPa (C3) , 分别降低了31%、9%和32%, 设置半刚性基层显著地减小了混凝土板的拉应力。
2.2 对相同的结构, 板的厚度变化对板中应力有显著影响。A1与A2相比, 板较薄的A2结构中板的拉应力σx增大约53%, B1与B2相比, B2的σx增大约34%, Cl与C2相比, C2的σx增大10.2%, 因此, 施工中应严格控制基层顶面标高, 保证板具有足够厚度, 达到设计厚度要求。另一方面也说明, 如果对交通量统计不准确, 板厚设计得太薄, 那么, 随着交通量的增加, 混凝土路面将会提前破坏。
2.3 混凝土板的强度和厚度是否达到设计要求对混凝土路面使用寿命具有十分重要的影响。A1B1C1模拟原设计路面结构, A2B2C2模拟板的厚度末达到设计要求的路面结构, A4B4C4模拟板的混凝土强度未达到设计要求的路面结构。比较A1B1C1、A2B2C2和A4B4C4可知, 施工中板厚降低与混凝土强度降低对板的拉应力影响明显不同。根据混凝土抗弯拉弹性模量与其抗弯拉强度之间的关系, Ec=30×103MPa时混凝土抗弯拉强度为5.0MPa左右, 而Ec=18×103MPa时, 混凝土抗弯拉强度为2.2MPa左右, 当板的厚度和混凝土强度均达到设计要求时A1B1C1结构, A1B1C1结构中板的荷载拉应力分别为混凝土弯拉强度的45.4%、43%和31.2%, 而当板的厚度达不到24cm的设计要求时A2B2C2结构, A2B2C2结构中板的荷载拉应力分别为混凝土弯拉强度的69.4%、64.8%和63.2%, 而当板的强度达不到设计要求 (用模量下降表示) 时A4B4C4结构, A4B4C4结构中板的荷载拉应力分别为混凝土弯拉强度的67.7%、85.5%和、90.5%。若再加上温度应力及其他因素在板中产生的附加应力, 那么A4B4C4结构早巳破坏, A2B2C2结构已接近破坏, 而A1B1C1尚有一定的强度储备, 这即是施工质量对混凝土路面破坏影响的机理。由此可知, 板厚达不到设计要求和混凝土强度降低都使得板中应力增加, 增加值与板厚减少和混凝土强度降低的数量有关, 在本次模拟计算条件下, 混凝土强度低的板中产生的荷载拉应力比板厚达不到设计要求的板中产生的荷载拉应力更接近其混凝土的抗拉强度, 即混凝土强度不满足要求的路面更容易破坏。因此, 施工中, 在控制板厚满足设计厚度的前提下, 混凝土的质量还必须严格满足设计强度要求, 以减少混凝土路面提前破坏病害, 延长路面使用寿命。
2.4 基层强度对混凝土板拉应力的影响因结构组合的不同而不同。比较A1A3、BlB3、C1C3以及AlB1、A2B2、A3B3、A4B4可知, 在两层结构中, 基层强度降低, 板的应力明显增大, 而三层结构中板的应力随基层强度的变化却很小。这就是只设片石基层或板直接放置在泥结碎石路面上, 由于基层的强度较低, 导致混凝土路面提前破坏的力学机理。因此, 在设计和施工中, 对于只设单层基层的混凝土路面, 应选择强度较高的材料作基层, 且充分重视其施工质量, 使其达到设计强度要求。
2.5 混凝土路面结构中, 由上至下约在2/3板厚度范围内板处于受压状态。σxσ2均小于0, 下部1/3板厚范围为受拉状态, 在板底处拉应力达到最大, 并传递给基层使其受拉, 然后随着深度的增加逐渐减小为0。在板与基层的应力传递过程中, 板底的应力与基层和板之间的联结状况密切相关, 若板与基层紧密连接 (连续接触) , 板底应力将变小;若为光滑接触, 板底应力增大, 传递给基层的应力减小;若基层为粒料, 在板底处形成一天然的裂缝, 该裂缝使板底悬空成为简支结构受力状态, 在板底处产生较大拉应力, 当板底拉应力大于混凝土的抗拉强度时, 板将断裂;若基层为半刚性基层, 则板与基层间完全接触而不致使板底部形成简支受力状态, 因而半刚性基层强度大于粒料基层, 半刚性基层上的板的变形小于粒料基层上板的变形, 亦使得半刚性基层上板的拉应力减小, 从而使没有半刚性基层的混凝土板的应力小于粒料基层的混凝土板的应力。这就是直接在粒料基层上铺筑混凝土板的路面结构比设半刚性基层的混凝土路面结构容易产生提前破坏病害的机理。
2.6 混凝土板的厚度、强度变化, 基层的强度和材料性质变化, 以及不同结构组合变化对混凝土板底的应力和竖向位移的影响计算说明, 为保证混凝土路面达到设计使用寿命, 减少其破坏病害, 必须进行合理的结构组合设计, 施工中使各结构层厚度和材料质量达到设计要求。
参考文献
建筑混凝土裂缝机理及防治措施 篇8
一、关于混凝土及混凝土裂缝
混凝土由骨料、水泥、水及留在其中的气体组成, 它是一种非匀质非连续的弹塑材料。引起混凝土自身变形的主要因素为温度变化和混凝土凝固过程中由于体积变化而产生的收缩。在温度变化及硬化产生的体积变形影响下, 由于混凝土组成材料的变形不一致, 在混凝土内部产生不规则的不可见的微细裂缝。微细裂缝通常是一种无害裂缝, 对混凝土的承重、防渗及其他一些使用功能不产生危害。但是由于荷载作用、温差、干缩等应力的作用使初始的微细裂缝扩展贯通而引起较大的可见裂缝, 最终形成肉眼可见的宏观裂缝, 也就是混凝土工程中常说的裂缝。混凝土建筑和构件通常都是带缝工作的, 由于裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀, 降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力, 影响建筑物的外观、使用寿命, 严重时还会威胁到人们的生命和财产安全。但是在施工中必须采取有效的措施预防和控制裂缝产生, 使混凝土尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度, 尤其要尽量避免有害裂缝的出现, 从而确保房屋建筑工程的质量。
二、混凝土裂缝类型以及产生原因
(一) 沉缩型收缩裂缝。
混凝土在硬化之前如果没有沉实, 或者是沉实没有均匀, 沉缩型的裂缝就会出现。这种裂缝上口比较大, 一般呈规则性分布, 深度较小, 发生这种现象一般在混凝土完成浇筑以后的1到3小时之间。出现这种问题的原因主要在于混凝土进行振捣的时候不密实, 没有达到一定的沉实度, 亦或者是进行搅拌的骨料沉下去, 而过多的浮浆在表面, 混凝土在浇筑之后, 没有及时地去压实。
(二) 干燥收缩裂缝。
混凝土内部一般都会存在有空隙以及粗细不等的毛孔, 水分就存在于这空隙中, 湿度变形就是因为这些水分子活动而形成的, 其表现为干缩湿胀, 出现毛细收缩和吸附收缩现象。一旦来自外部或者内部的约束对涨缩产生作用, 在混凝土内部就会产生拉应力, 拉应力一旦超过一定的限度就会导致裂缝的产生, 用的水泥越多, 水灰比例越大, 其发生的变形程度也越大。
(三) 温度差异裂缝。
混凝土外部和内部的温差太大也会产生裂缝, 这个被称为温差裂缝。产生温差裂缝的主要原因是由水泥水化热而引起的混凝土表面和混凝土内部的温差过大。尤其是大体积的混凝土更容易发生此类裂缝。产生温差主要有两种情况:一种是在混凝土的浇注之初, 这一时期会产生大量水化热, 使内外形成较大的温差从而导致混凝土出现裂缝, 这种裂缝大多出现在混凝土浇注之后的第三天。第二种是在拆模前后的时期, 这时候混凝土的表面温度下降很快, 内外温差一大, 就出现裂缝。
(四) 塑性收缩裂缝。
塑性收缩是指混凝土未凝结硬化前, 还处于塑性状态时发生的收缩。塑性收缩产生的原因主要是失水, 即由于水分从混凝土表面蒸发损失, 导致的混凝土体积收缩。塑性收缩导致的裂缝就称作塑性收缩裂缝, 主要发生在混凝土暴露表面, 裂缝深度一般不大。防止塑性收缩和裂缝的方法就是对混凝土进行养护, 最好保持混凝土表面潮湿, 至少也要防止水分从混凝土表面蒸发损失。
三、解决建筑施工中混凝土裂缝的控制措施
(一) 合理的构造设计。
一是增配构钢筋, 增强其抗裂性能。应该采用小间距、小直径的配筋方式。全截面配筋率应该控制在0.3%~0.5%之间。二是避免结构突变产生的应力集中, 在容易产生应力集中的环节采取一些加强措施。三是在容易裂缝的边缘位置设置暗梁, 以提高这个部位的配筋率, 增强混凝土极限抗拉的强度。四是在结构设计中应合理设置后浇带, 后浇带的保留时间不应少于60天。五是当基础设置于岩石类地基上时, 宜在混凝土垫层上设置滑动层, 可采用一毡二油等, 来减少基础的约束。
(二) 原材料的控制措施。
1. 对混凝土的配合比精心设计。
要在保证混凝土有良好工作性的前提下, 要尽可能减少每单位混凝土的用水量, 采用“一高 (高粉煤灰掺量) 、二掺 (掺高性能引气剂和高效能减水剂) 、三低 (低水胶比、低坍落度、低砂率) ”的设计准则, 产出“高韧性、高强、高抗拉直、低热和中弹”的抗裂混凝土。
2. 选择合适的水泥。
优先采用525R普通水泥, 425R普通水泥等高标号水泥, 以减少水泥用量。选用低热水泥, 减少水化热, 降低混凝土的温升值。并尽量选用后期强度 (90或120天) , 降低水泥量, 并延缓峰值。
3. 适当掺加粉煤灰。
在混凝土中掺加上粉煤灰之后, 可以提高混凝土的持久性和抗渗性, 减少混凝土的收缩, 从而降低胶凝材料的水化热, 增强混凝土抗拉强度, 减少混凝土的泌水等等。
4. 选择级配较好的骨料。
骨料选那些岩石弹模低、膨胀系数小、表面清洁没有弱包裹层的级配较好的骨料。砂、石含泥量控制在1%以内, 并不得混有有机质等杂物, 杜绝使用海砂。
(三) 施工控制措施。
施工前编制混凝土的浇筑方案, 混凝土浇筑时根据实际情况采用全面分层、分段分层、斜面分层的浇筑方式。严格控制混凝土入模温度, 夏季施工时降低入模温度, 采取对碎石洒水降温、水泥库通风良好、采用地下水等措施。施工过程中应加强插筋位置的振捣、抹压、养护, 同时加强初凝前的抹压, 以消除初期裂缝。合理地安排施工工序, 避免过大的高差和侧面长期暴露。从控制温度着手, 采用改善骨料级配, 用干硬性混凝土, 掺混合料, 加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;拌合混凝土时兑水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度, 利用浇筑层面散热;在混凝土中埋设水管, 通入冷水降温;规定合理的拆模时间, 气温骤降时进行表面保温, 以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;针对施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构, 在寒冷季节采取保温措施。
此外, 改善混凝土的性能, 提高抗裂能力, 加强养护, 防止表面干缩, 特别是保证混凝土的质量对防止裂缝十分重要, 应特别注意避免产生贯穿裂缝, 出现后要恢复其结构的整体性十分困难, 因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。减轻温度应力。
加强早期混凝土的养护工作, 提高混凝土的抗拉强度, 混凝土养护常采用保温法和内部降温法。保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料 (如草袋、锯木、湿砂等) , 在缓慢的散热过程中, 使混凝土获得必要的强度, 以控制混凝土的内外温差小于20℃。内部降温法是在混凝土内部预埋水管, 通入冷却水, 降低混凝土内部最高温度。
四、结语
钢筋与混凝土的粘结锚固及机理 篇9
1.1 基本方程
粘结应力通常是指钢筋与混凝土接触界面上所产生的沿钢筋纵向分布的剪应力, 实际上钢筋外围混凝土应力及应变情况要复杂得多。粘结力使钢筋应力沿钢筋长度而变化;反之, 没有钢筋应力的变化, 就不存在粘结应力。钢筋与混凝土之间还会产生沿界面的相对移动——滑移, 这是由两者的变形差引起的。
粘结锚固作用在握裹层混凝土中引起的应力状态是十分复杂的。但是, 如果主要考虑钢筋的锚固问题, 则可以先分析沿锚固长度方向钢筋和混凝土的纵向应力、应变以及界面上的相互作用, 而握裹层混凝土中引起的应力 (应变) 场的问题可在沿纵向 (锚固长度方向) 变化的规律解决后求得。因此, 锚固问题通常可简化为一维问题考虑。
从工程结构中截取受力钢筋及其周围的握裹层混凝土, 可得粘结锚固状态, 如图1所示。直径为d, 长度为la的钢筋埋置于截面积为Ac的混凝土中, 两端加力Fl和Ff, 在锚固深度为x处引起钢筋应力σs (x) 、应变εs (x) 。由于界面上粘结锚固应力τ (x) 的作用, 混凝土中产生应力σc (x) 和应变εc (x) , 两者的变形差引起了相对滑移s (x) 。基本未知量共6个, 见图1a) , 它们都随x而变化。取x处微段dx分析其受力和变形情况, 可得两个平衡条件和一个变形条件, 见图1b) , 再加上三个物理条件, 就建立了粘结锚固的基本方程, 如式 (1) ～式 (6) 所示。
平衡方程:
变形方程:
ds= (εs-εc) ×dx (3)
物理方程:
σs=f1 (εs) (4)
σc=f2 (εc) (5)
τ=f3 (s) (6)
式 (4) ～式 (6) 分别为钢筋、混凝土及粘结锚固的本构关系, 其中式 (6) 即τ—s本构关系, 是几乎所有粘结锚固试验研究都致力探索的核心问题。
对钢筋应力和局部滑移进行积分, 还可以求得x处钢筋内力N (x) 和相对滑移s (x) 。
钢筋内力:
N (x) =Fl+∫
相对滑移:
s (x) =sl+∫
其中, Fl, sl和Ff, sf分别为受拉端和自由端的钢筋拉力和相对滑移, 它们都可以通过量测得到, 作为粘结锚固的边界条件。
1.2 基本类型
粘结应力按其在钢筋混凝土结构构件中的作用性质可分为如图2, 图3所示的两种类型。
1) 钢筋端部锚固粘结应力:
如图2所示, 钢筋必须有足够的锚固长度, 通过这段长度上粘结应力的积累, 钢筋被“锚固”在混凝土中, 这样可使钢筋在未充分发挥其作用前不被拔出, 以保证钢筋强度的充分发挥。
2) 裂缝间的局部粘结应力:
如图3所示, 开裂截面处的钢筋应力通过裂缝两侧的粘结应力向混凝土传递。
筋端锚固问题主要考虑结构的承载能力, 如工程中受力钢筋的锚固、搭接, 受力筋切断以后的延伸, 预埋件和吊环等锚筋的强度等。缝间粘结问题主要考虑结构的使用状态, 如构件的裂缝和刚度 (裂缝分布、裂缝宽度等) 。当然, 这两类问题的受力机理和基本规律完全相同, 均为服从基本方程的钢筋与混凝土间的相互作用问题, 只是因边界条件不同而各具特点, 一般来说缝间粘结问题由于钢筋沿长度应力差较小, 故粘结应力τ和滑移s都比较小, 而筋端锚固问题τ和s都很大。
从化学植筋法的角度出发, 本文研究和解决的是筋端锚固问题。
2 粘结机理
2.1 粘结力的组成
钢筋与混凝土之间的粘结强度主要由以下三部分组成:1) 混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力, 也称胶结力;2) 混凝土收缩将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力;3) 钢筋表面粗糙、凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力, 也称咬合力。咬合力又包括表面咬合力 (光圆钢筋, 螺纹钢筋) 和齿肋咬合力 (螺纹钢筋) 。
加载初期, 由胶着力承担界面上的剪应力。随着荷载增大, 胶着力破坏后, 钢筋开始滑移, 此时粘结强度主要由钢筋表面肋对混凝土的斜向挤压力和钢筋与周围混凝土之间摩擦力所组成。
2.2 影响粘结力的因素
1) 混凝土强度。
粘结锚固强度随混凝土立方体强度fcu增大, 但呈非线性, 与混凝土抗拉强度ft成正比。这是由于胶结、劈裂、挤碎和摩阻都与混凝土的质量 (特别是抗裂性能) 有关。
2) 保护层厚度。
试验观察得出保护层相对厚度c/d越大, 劈裂强度τcr也越大, 基本呈线性增长, 但有一上限, 这里c为混凝土保护层厚度, d为钢筋直径。在达到临界保护层厚度 (c/d=4.5) 后趋于停滞, 此即混凝土握裹层的有效范围。保护层厚度影响的实质是因肋前堆积的锥楔斜向挤压混凝土, 引起了环向拉应力并最终导致劈裂, 而保护层厚度恰为劈裂面的宽度。
3) 配箍率——侧向约束之一。
无箍试件劈裂即破坏 (τcr=τu) 。配箍试件则因箍筋的环箍作用维持了侧向约束, 故强度增长至τu。强度增量Δτ=τu-τcr取决于箍筋截面面积ASV、间距SSV、劈裂面混凝土厚度c等, 并与劈裂面上的配箍率ρSV成正比。
4) 钢筋的种类、外形和表面状况。
由于钢筋表面形状 (光圆或变形钢筋) 的不同, 在粘结受力过程中所发生的物理现象也不同。光圆钢筋的粘结强度, 在滑移前主要取决于化学胶结力, 发生滑移后则取决于摩擦力和咬合力。对于变形钢筋的粘结强度, 虽然胶着力和摩擦力仍然存在, 但其粘结强度主要依靠钢筋表面凸出的肋与混凝土的机械咬合力。另外, Kemp等人曾发现在钢筋放入混凝土之前, 它的表面并不需要清刷或擦净。只要一根干净的变形钢筋的单位长度重量符合标准规格的最低要求, 其表面锈蚀程度或原有轧制铁鳞的多少则对它的粘结性能没有什么不利影响。
5) 锚固长度。
随着锚固长度的增加, 承载能力增大, 但平均粘结强度减小, 锚长较短时, 这种变化尤为明显, 锚长较长时 (la/d>20) , 变化渐趋平缓。
6) 钢筋在浇筑周围混凝土时所处的位置。
变形钢筋的荷载—粘结滑移关系主要是受直接位于肋条前面的混凝土性能所影响。这个部位混凝土的质量取决于它在浇筑时的相对位置。浇筑位置对粘结的影响对光圆钢筋来说甚至更为严重。可以预料, 梁的顶部钢筋将比底部钢筋的粘结质量差, 因为在顶部钢筋下面水和空气增加得较多, 而且由新鲜混凝土拌合物的沉陷所引起的周围混凝土的相对位移也会比较大。ACI规范考虑到这一现象, 对浇筑在顶部的变形钢筋要求锚固长度增大40%。
7) 加载方式的影响。
单调拔出试验与重复加载及循环交变加载试验相比, 后者的粘结强度随着反复次数的增加而降低。布瑞斯勒 (Bresler) 和贝尔特罗 (Bertero) 曾用精心设置的试验仪器来观察重复加载粘结性能的衰减情况。当钢筋拉力增大而且钢筋与混凝土之间的附着粘结受到破坏时, 在肋条处的承压能力充分发挥之前就会发生一些摩擦滑移。这时若从钢筋上卸去荷载, 就会产生反向摩擦阻力, 并在钢筋中引起一些残余拉力, 同时在周围混凝土中引起相应的压力。而肋条附近的非弹性变形、混凝土中的微裂缝以及收缩应变的释放会导致一些永久性滑移, 其数值主要取决于先前作用的荷载大小。基于这一原因, 钢筋受拉时形成的裂缝在荷载移去之后就不能完全闭合。在重复加载的情况下, 摩擦阻力逐步减小, 导致粘结机构刚度的退化。
3 结语
1) 粘结锚固作用在握裹层混凝土中引起的应力状态是十分复杂的, 但是锚固问题通常可简化为一维问题考虑。2) 粘结应力按其在钢筋混凝土结构构件中的作用性质可分为两种类型:a.钢筋端部锚固粘结应力;b.裂缝间的局部粘结应力。3) 钢筋与混凝土之间的粘结强度主要由三部分组成:胶结力;摩擦力;机械咬合力。4) 影响粘结性能的因素有以下几个方面:混凝土强度;保护层厚度;配箍率——侧向约束之一;钢筋的种类、外形和表面状况;锚固长度;钢筋在浇筑周围混凝土时所处的位置;加载方式的影响。
摘要：研究了钢筋与混凝土粘结锚固的基本方程与基本类型, 探讨了钢筋与混凝土之间粘结力的组成, 分析了影响粘结力的因素, 得出了具体的规律和结论, 以促进钢筋混凝土结构的研究。
关键词：钢筋,混凝土,粘结锚固,机理
参考文献
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[5]丁大钧.混凝土结构学[M].北京:中国铁道出版社, 1992.
混凝土结构的腐蚀机理及防腐措施 篇10
1 影响混凝土结构的腐蚀性介质
为了确定建筑物不同部位的防护措施, 将腐蚀性介质按其形态并结合不同的作用部位分为5种:气态介质、腐蚀性水、酸碱盐溶液、固态介质和污染土。各种介质对不同材料的腐蚀程度, 可按介质类别、环境相对湿度和作用条件等因素分为强腐蚀性、中等腐蚀性、弱腐蚀性和无腐蚀性共四个等级。
(1) 气态介质包括腐蚀性气体和以液体为分散相的气溶胶 (酸雾、碱雾等) , 其作用的部位主要是室内外上部建筑结构的构配件。
(2) 腐蚀性水系指在工业生产过程中受到各种介质污染的工业水 (生产水和废水) 或地下水, 介质在腐蚀性水中的含量较低。腐蚀性水作用的部位主要是地基、基础、污水池、地面和墙面等。
(3) 酸碱盐溶液:含有不同浓度介质的酸碱盐液体 (包括完全潮解或溶解的腐蚀性固体) , 其作用的部位主要是地面、水沟、墙面、设备基础的地上部位、储槽和污水池等。
(4) 固态介质包括腐蚀性碱、盐的颗粒、粉尘和以固体为分散相的气溶胶, 主要作用于地面、墙面和有上部建筑结构的构配件。
(5) 污染土系指建筑场地由于生产或自然环境等综合因素造成地基土的污染, 主要作用于地下水部位的地下混凝土构筑物。
2 混凝土腐蚀机理
与混凝土相接触的周围介质, 如空气、水和土壤中含有不同浓度的酸、盐、碱类侵蚀性物质时, 当其进入混凝土内部, 与之相关成分发生物理化学反应后, 混凝土遭受腐蚀, 逐渐发生绽裂剥落, 进而引起钢筋腐蚀导致结构失效。混凝土腐蚀的原因和机理随侵蚀介质和环境条件而异, 一般分为两类:
(1) 溶蚀性腐蚀。水泥的水化生成物中, Ca (OH) 2最容易被渗入的水溶解, 又促使水化硅酸钙等多碱性化合物发生水解, 随后破坏低碱性水化产物 (Ca O、Si O2) 等, 最终完全破坏水泥石结构, 某些酸盐溶液渗入混凝土, 生成无凝胶型的松软物质, 易被水溶蚀。水泥石的溶蚀程度随渗流速度增大而增大, 溶蚀后胶结能力减弱, 混凝土材料的整体性被破。
(2) 结晶膨胀性腐蚀。含有硫酸盐的水渗入混凝土中, 与水泥水化产物Ca (OH) 2的化学作用生成石膏 (Ca SO4·2H2O) 以溶液形式存在, 石膏再和水化物铝硫酸盐起作用, 形成多个结晶水的水化铝硫酸钙, 体积膨胀, 导致混凝土开裂破坏。
3 混凝土抗腐蚀性的影响因素
混凝土是一种多孔结构, 在存在内外压力差的情况下, 必然存在液体或气体从高压处向低压处渗透的现象, 这种现象称为混凝土的渗透性。混凝土的抗渗性和混凝土的抗碳化能力对抵抗外界有害物质的耐腐蚀性及抗冻融性都有着密切的关系。一般来说, 抗渗性、抗碳化能力好的混凝土耐腐蚀也就好。通常情况下, 威胁混凝土结构和耐久性的最主要形式是氯化物渗入结构内部导致的钢筋腐蚀, 通过对配合比进行优化, 减小水灰比降低用水量, 提高混凝土自身的密实度, 切断带有侵蚀性的物质进入混凝土内部的通道, 降低渗透性, 都将显著改善混凝土抗腐蚀性。
4 提高混凝土抗腐蚀性能的措施
4.1 混凝土原材料的选择
(1) 水泥。水泥是水泥砂浆和混凝土的胶结材料。水泥类材料的强度和工程性能, 是通过水泥砂浆的凝结、硬化而形成。水泥石一旦遭受腐蚀, 水泥砂浆和混凝土的性能将不复存在。由于各种水泥的矿物质组份不同, 因而它们对各种腐蚀性介质的耐蚀性就有差异。正确选用水泥品种, 对保证工程的耐久性与节约投资有重要意义。
(2) 粗、细集料。发生碱—集料反应的必要条件是碱、活性集料和水。粗、细集料的耐蚀性和表面性能对混凝土的耐蚀性能具有很大影响。集料与水泥石接触的界面状态对混凝土的耐蚀性有一定影响。
混凝土中所采用粗细集料, 应保证致密, 同时控制材料的吸水率以及其它杂质的含量, 确保材质状况。我国幅员辽阔, 集料种类千差万别, 在不少地域均发现过活性集料。这些活性集料共分两类, 一类为碱—硅酸反应 (ASR) , 一类为碱—碳酸盐反应 (ACR) 。施工中要严格加强对活性集料的控制。
(3) 拌合及养护用水。混凝土拌合及养护用水, 应考虑其对混凝土强度的影响。水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌合水应检查其杂质情况, 防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性。
海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物, 除了对水泥石有腐蚀作用外, 对钢筋的腐蚀也有影响, 因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。
4.2 优化配合比
在试验室出具的配合比的基础上, 对配合比进行优化, 在保证混凝土满足强度和泵送施工要求下减小水灰比, 使拌合用水最少, 并通过掺入膨胀剂、粉煤灰、高炉矿渣、微硅粉等多种掺料, 来提高混凝土性能, 如高密实度、低渗透性以及抵抗腐蚀的能力。
4.3 外加剂
在混凝土中掺入了对混凝土有防腐效果、对钢筋有防锈作用的防腐阻锈剂。防腐阻锈剂应用了多掺复合技术, 即采用高效阻锈材料、对混凝土有耐硫酸盐侵蚀作用的材料、磨细材料及减水剂四种材料复合而成。该外加剂主要的化学成分为Si O2和Al2O3及细磨材料, 这些化学物质在混凝土中的水化产物主要是硫铝酸钙、水化硅酸钙凝胶和氢氧化铝凝胶, 水泥中没有游离氧化钙存在, 因此水泥石在硫酸盐溶液中很难形成引起膨胀的石膏 (Ca SO4·2H2O) 结晶。再者水泥石中的钙矾石是在水泥水化硬化过程中形成的, 不会引起水泥石体积的破坏。在Mg SO3溶液中, 既有Mg2+和SO42-离子存在, Mg2+就不易和氧化铝凝胶反应, 阻碍了Mg2+腐蚀。
4.4 加强混凝土养护
为了进一步减小混凝土的水灰比, 还应在混凝土中掺入高效减水剂。同时还加强了混凝土养护, 避免产生混凝土收缩裂缝使含硫酸盐水渗入混凝土体中。同时要求具有侵蚀性的环境水, 不得用作混凝土的拌和水和养护水, 所有的拌合水样都经过检测才允许使用。混凝土养护时间不得少于21d, 从而达到提高混凝土耐硫酸盐侵蚀能力的目的。
结束语