商品混凝土所用的外加剂应包括：引气减水剂、高效缓凝引气减水剂、缓凝减水剂、高效缓凝减水剂、泵送剂、高效泵送剂等。选择外加剂的原则：

(1) 根据所配制的混凝土类型选择相应的外加剂品种;

(2) 根据混凝土的原材料、配合比和标号确定对外加剂的减水率和掺量的要求;

(3) 根据工程类型、气侯条件、运输距离，泵送高度等因素，确定对坍落度损失程度、凝结时间和早期强度的要求;

(4)其它特殊要求(如抗渗性、抗冻性、抗浸蚀性、耐磨性等)。

最后、通过混凝土试配，经济性评估后才能应用外加剂。

三. 混凝土配合比设计和优化

商品混凝土的工艺不同于现场搅拌的混凝土，运输距离和时间的存在必须控制坍落度损失。因此在设计混凝土配合比时应考虑如下因素：

(1) 根据运距和运输时间确定初始坍落度：近距离(<10km)或1h时，初始坍落度为18cm～20cm；远距距离(>10 km)或2h时，为20cm～22cm。

(2) 控制坍落度损失，即控制入泵前的坍落度应大于15cm。因为坍落度<15cm时可泵性差。而坍落度>20cm时，浇筑后混凝土长时间保持大流动性状态、其稳定性差容易产生离析，凝结慢。

(3) 初凝时间的控制：梁板柱浇筑时初凝时间8 h～12h，大体积混凝土为12h～15h。

(4) 商品混凝土作为一种建材产品参与市场竞争必须考虑经济性，在保证技术性能的前提下售价最低。对商品混凝土总的要求是：稳定、可靠、适用和经济。

传统的混凝土配合比设计方法(即假定容重法和绝对体积法)是以强度为基础的，即根据“水灰比定则”设计配合比。而我们提出的全计算配合比设计方法是以工作性、强度和耐 久性为基础，通过混凝土体集模型推导出用水量和砂率计算公式，并且将此二式与水灰比定则相结合实现FLC和HPC的组成和配合比的全计算。全计算法与传统设计方法相比较，全计算法使混凝土配合比设计由半定量走向全定量，由经验走向科学。与传统配合比设计相比，全计算法更方便快捷地得到优化的混凝土配合比。
参考文献

[1] 陈建奎、王栋民、"高性能混凝土(HPC)配合比设计新法－全计算法", 硅酸盐学报,第28卷第2期(2000年)。

[2] 陈建奎、高性能混凝土(HPC)及复合超塑化剂[M]，2000年。

[3] 陈建奎、混凝土外加剂的原理及应用[M]，中国计划出版社(1997年)。

[4] 陈建奎、混凝土外加剂原理及应用(第二版)

但商品混凝土塌拉度较大，板的裂缝问题已成为建筑界最为头痛的一个问题，
还没有什么好的解决办法！

找了点相关的论文，大家可以看看

stephen1 美国土木工程师协会（asce）准会员，p.balaguru2 asce会员


翻译：成正华3， 审核：林文修4




摘要：对用于碳纤维外包加固钢筋混凝土梁的有机粘结胶和无机粘结胶的性能作了比较研究。试验内容是测定用无机粘结胶粘结碳纤维加固钢筋混凝土梁的各项性能。试验是模仿一个早先的试验，在那个试验中，钢筋混凝土梁以同样的方式用有机粘结胶加固。对两种粘结胶加固后梁的强度、刚度、延性、破坏特征和裂缝开展状况等作了比较。结果表明，用无机粘结胶加固后梁强度和刚度的提高与用有机粘结胶加固后的情形同样有效，只是在延性上降低一点。破坏机理也从有机粘结胶加固情形的片材剥离破坏变为无机粘结胶加固情形的片材破裂破坏。破坏机理的改变是由于无机粘结胶的脆性导致了聚合物中裂缝的形成和聚合物与混凝土交界面上变形积累最小。




引言




众所周知，对内部结构的修补和修复存在着广泛的需求。许多的修补和修复技术正在被应用。20世纪60年代发展起来的外包粘钢法加固钢筋混凝土梁就是其中之一。最近，高强度的碳纤维、玻璃纤维等聚合物材料作为钢板的替代物正在被发展和应用 [aci440-r-57（“美国”1996）]。这些被称作纤维增强聚合物（frps）的系列具有许多重要的优点：自重轻、耐腐蚀和应用便捷等。自重轻可以减少施工时间和工程造价，因为不需要重型机械。应用时， frps不仅可以一层一层的粘贴使用，还可以以薄板的形式使用。


有机粘结胶聚合物的一个缺点是耐火性差。一些聚合物还容易在紫外线下变性老化，导致长期的耐久性问题。由于碳纤维、 玻璃纤维不但能够坚持于正常地暴露于火中，而且能够忍受紫外线的照射。因此，将这些纤维织物与混凝土粘结在一起的有机粘结胶就成了一个薄弱环节。本文论述的无机粘结胶不易燃，而且在紫外线下不会发生变性老化。用无机粘结胶粘结碳纤维聚合物做的温度暴露试验表明：暴露于80℃中1小时后，仅仅37%的碳纤维聚合物开始丧失抗弯承载力（foden et al 1996）。


无机粘结胶是一种低粘性树脂，适用于粘结碳纤维、玻璃纤维等片材或织物。它的预先配制是混合一种铝矽酸盐粉末和一种以水为基础的催化剂。在室温情况下，大约可以存放3个小时。


无机粘结胶已经被应用于粘结碳纤维片材加固钢筋混凝土梁中。下面的部分分别讲述了这些内容：有关无机粘结胶聚合物的背景资料；有机粘结胶加固钢筋混凝土梁性能的综述；无机粘结胶和碳纤维加固钢筋混凝土梁的性能；用两种粘结胶加固后，梁在强度、刚度、延性、破坏特征和裂缝开展状况等方面的比较。


无机粘结胶的特性—高强度纤维聚合物




由无机粘结胶混合碳纤维、玻璃纤维和钢筋纤维或片材制成的聚合板的力学性能在下面这些参考文献中已经有了论述（国际专利应用文摘 pct/fr91/00177 wo91/13830；foden et al 1996；lyon et al 1997；hammell et al 1998；foden 1999）。聚合板的耐久性以及外包连续或不连续纤维织物加固的混凝土棱柱的耐久性也已有研究。主要的结论如下：




l 无机粘结胶系列应用非常方便，所有用于有机粘结胶的技术也适用于它。


l 无机粘结胶和碳纤维、玻璃纤维能很好的协调工作。以单向纤维的方式，碳纤维聚合物能承受650mpa的拉应力、550mp的受弯应力和30mpa的剪应力。相比而言，有机粘结胶粘结的碳纤维聚合物的这些值在一定程度上要低一些，这是由于无机粘结胶的脆性。


l 无机粘结胶能很好地与木材、混凝土或钢材粘结。在外包钢板之间的受剪承载力为15mpa。


l 在无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系中，疲劳性能相当。




迄今为止，所有的研究成果表明，在内部结构修补方面，无机粘结胶有着非常巨大的应用潜力。






有机粘结胶和碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的综述




在世界范围内，已经有许多研究者对用frps板或片材加固的钢筋混凝土梁进行了广泛的研究。梁可以用预先制作的frps板（ritchie et al 1991；saadatmanesh and ehsani 1991a；sharif et al 1994；ross et al 1999）加固，也可以柔软的片材或织物（m’’baszaa et al 196；nakamura et al 1996；arduini and nanni 1997）加固。在所有的这些实验中，一种二组份的环氧树脂被作为粘结胶使用。


在最先的研究报告（saadatmanesh and ehsani 1990）中，玻璃纤维增强聚合物（gfrp）板被粘在4根不同的钢筋混凝土梁上，并且用不同的环氧树脂粘结，这些环氧树脂有着从1%到170%的变形能力。由此得出的结论是，这项加固技术中最适用的粘结胶是它必须具有足够的粘性。因此，在后来的研究（saadatmanesh and ehsani 1991a）中，使用的是一种橡胶粘性的环氧树脂，它具有超过40%的变形能力。然而，在gfrp板中，记录的最大变形仅仅只有0.8%。在那次研究（saadatmanesh and ehsani 1991a）中，最常见的破坏特征是frp板的剥离破坏。


ritchie et al（1991）也得出同样的结论：最适用于结构修补的粘结胶是它具有足够的粘性。他们评价了14根钢筋混凝土梁的性能，这些梁用一种二组份橡胶粘性的环氧树脂粘结碳纤维、玻璃纤维等聚合物板。在这次研究当中，最常见的破坏特征是在钢筋水平位置发生混凝土保护层的受剪破坏。


从这些研究中得出的主要结论如下：




l 外包聚合物板的钢筋混凝土梁的抗弯承载力有明显提高，并且低配筋率梁的效果更加显著。


l 裂缝的数量增多但平均裂缝宽度减小。


l 由于板材的剥离破坏或钢筋螺纹水平位置上的混凝土保护层受剪破坏所引起的失效行为需要进一步的试验和分析研究。这些破坏模式的破坏准则需要建立，以便正确地推测梁的极限承载力。




其它一些论文的作者也得出同样的结论。所有这些研究的一个共同特点是，由于聚合物破裂而引起破坏的情形几乎没有。

研究程序




这次研究的焦点是比较粘结纤维片材加固钢筋混凝土梁时脆性的无机粘结胶和柔软的有机粘结胶的性能。要做的主要比较有：




l 两种破坏模式的区别。


l 相对各自的基准梁，承载力增加的大小。


l 相对各自的基准梁，刚度增加的大小。


l 挠度和延性。


l 裂缝开展特征。




设计的试验程序是模仿sherbrooke大学，quebec，canada（m’’bazaa et al 1996）的试验。因此，在比较无机粘结胶和有机粘结胶的性能时减少了试验梁的数量，仅仅浇灌了4根与sherbrooke相似的钢筋混凝土梁并且养护28天。然后，其中三根梁用碳纤维片材和无机粘结胶加固。所有4根梁都是简支梁。


在sherbrooke大学的研究中，有机粘结胶的拉伸强度是这次研究中无机粘结胶的13倍。另外，变形能力是65倍，粘性是1000倍。尽管有这些力学性能上的重要差异，无机粘结胶和有机粘结胶加固的梁仍然具有相当的承载力提高和刚度增加，只是延性要低一些。






试验步骤




如上面提到的，这次试验是模仿m’’bazaa et al（1996）的试验。在那次试验中，一共浇注了8根梁，跨度为3000mm，并在三分点进行加载。基本的变量是碳纤维的长度、端部锚固长度和加固量。梁在受拉区表面粘贴了三层单向的碳纤维片材，片材宽为166.7mm，长为2900mm（图1），这根梁对这次试验来说特别重要，因为碳纤维的面积是相当的。面积为0.826cm2。


这次浇注的梁与它具有相同的长度、宽度、高度（3000×200×300mm）和保护层厚度，见图1。梁分别用2层、3层和5层单向碳纤维片材加固，面积分别为0.285cm2、0.427cm2和0.711cm2。


混凝土强度通过实验室配合比控制，组成原料有astm i 水泥、自然砂、最大粒径为19mm的碎石骨料和自来水。通过直径为150mm的圆柱体进行试验得到抗压强度为47.3mpa。而sherbrooke大学试验中的混凝土抗压强度为44.3mpa。


sherbrooke大学试验中，受弯钢筋是2根no 10m 的钢筋，总面积为200mm2，而这次试验中，受弯钢筋是2根no 4 的钢筋，总面积为258mm2。取3根钢筋试件进行轴向拉伸试验，平均屈服强度为447mpa，极限强度为693mpa。sherbrooke大学试验中相应的强度分别为439mpa和703mpa。




图1 试验梁尺寸详图




在两次试验中，梁的抗剪承载力都是设计富余的，因为，试验的目标是使梁发生受弯破坏。sherbrooke大学试验中，no 10m 的箍筋，间距为100mm，受剪承载力为281kn；这次试验中，no 3 的箍筋，间距为95mm，受剪承载力为226kn。在一次试验中可能遇到的最大剪力为55.0kn。因此，受剪性能不是影响因素。


梁的配筋和碳纤维加固情况详见表1。




表1 试验梁汇总






梁的编号



受弯钢筋



碳纤维面积（cm2）



粘结胶类型





oc



2 #10m



无



无





ic



2 #4



无



无





os



2 #10m



0.826



有机粘结胶（环氧树脂）





is1



2 #4



0.285



无机粘结胶





is2



2 #4



0.427



无机粘结胶





is3



2 #4



0.711



无机粘结胶








加固步骤




现在的研究程序




贴碳纤维之前，先用磨轮将表面的浮浆皮去掉和将粗糙突出的骨料磨平。然后，对表面喷砂和用热水洗，最后晾干。


表面用无机粘结胶找平，并自然干燥直到它具有粘性（大约1小时）。同时，碳纤维用树脂浸渍，并自然干燥直到具有粘性。再将作为粘结层的粘结胶刷在找平层上，然后，立即将浸渍好的碳纤维贴上。碳纤维必须滚压以去掉多余的粘结胶。其余各层碳纤维都以同样的步骤粘贴。


碳纤维粘贴好后，修补部位必须包扎以去掉空气和使树脂均匀饱满。修补部位先用teflon 薄膜包裹，在用致密织物，然后用尼龙薄膜包扎。包裹要密封，并用真空泵抽成大约740mmhg的气压。最后，将梁加热到80℃养护24小时。




比较研究（m’’bazaa et al 1996）




m’’bazaa et al（1996）的试验中，梁的表面处理大致相同。接着用一种低粘性的二组份环氧树脂找平，并在室温下养护24小时。然后，将作为粘结层的二组份环氧树脂刷在找平层上，再立即贴碳纤维片材。然后，用衬纸包裹保护，接着滚压碳纤维片材以使粘结胶浸入碳纤维。然后，去掉衬纸，并用橡胶抹刀将额外的环氧树脂抹进碳纤维片材中。然后，以同样的步骤粘贴其余各层碳纤维。最后，置于室温养护。






仪器布置




试验梁是简支梁，跨度为3000 mm。端部支撑为钢轴，钢轴置于混凝土墩上，混凝土墩固定于实验室反力地板上。实验时，通过手控液压千斤顶加载，千斤顶垂直地安装于梁顶，并固定于实验室反力板上。荷载通过一根置于梁上的钢制分配梁三分点加载（距离每边支座1000mm）。荷载以每次2.24kn的方式典型施加。荷载通过置于千斤顶和分配梁之间的荷载传感器测量。


4个电子电阻应变片置于跨中。2个12mm标距长度的应变片贴于受弯钢筋上。1个应变片贴于梁的上表面，1个应变片贴于碳纤维上，标距长度都为50mm。


将一个机械表（百分表）置于跨中并固定于实验室反力地板上以测量挠度，它必须垂直地安装在梁底。每加一次荷载都读取一个读数。






结果和讨论




在后面部分讨论的主要内容是：破坏模式、裂缝特征、荷载挠度关系、承载力提高和变形。表2列出了结果的汇总。


注意到试验中使用的碳纤维片材具有差异这一点很重要。对有机粘结胶加固体系做的试验，用来加固结构构件的碳纤维经过了完善的发展。碳纤维排列很好，并且有一种特别的衬纸和有机胶料保护。有机粘结胶也经过特别的处理，在粘结碳纤维时能够达到最佳的效果。这个体系发展了很多年，碳纤维排列很好，并且具有尽可能高的强度和刚度。


对无机粘结胶加固体系，使用的是商业上提供的一般纹路的碳纤维。不象有机粘结胶加固体系中的碳纤维有一种特别的衬纸保护，而且，这个体系使用的碳纤维是从生产交叉纹路玻璃纤维的地方生产的。与有机粘结胶体系相比，这种生产程序只能提供劣等排列的碳纤维。另外，在操作时更容易损坏，因为只有较少的有机胶料保护碳纤维。

表2 试验结果汇总






梁的编号



荷 载（kn）



挠 度（mm）



最大变形



破坏模式





钢筋屈服



极限状态



钢筋屈服



极限状态



延 性



混凝土



碳纤维





oc



45.06



63.61



10.77



88.90



8.25



0.00145



—



适筋破坏





ic



57.83



74.51



11.00



93.98



8.55



0.00182



—



适筋破坏





os



67.30



99.64



12.27



28.19



2.30



0.00129



0.00693



剥离破坏





is1



73.40



80.51



12.95



20.14



1.55



0.00075



0.00553



碳纤维破裂





is2



75.62



91.90



12.90



23.32



1.81



0.00131



0.00581



碳纤维破裂





is3



84.52



110.09



13.97



24.05



1.72



0.00142



0.00641



碳纤维破裂






据作者的所知，这是第一次无机粘结胶加固体系的使用。经过特别预先处理进一步提纯的碳纤维一定能提高其性能。






破坏模式和裂缝特征




sherbrooke大学的试验和这次试验中的基准梁（设计编号分别为oc和ic）都是标准的适筋梁破坏：钢筋先屈服，然后混凝土被压碎。ic梁比oc梁有更高的开裂刚度、屈服荷载和极限荷载。两根梁的荷载—挠度关系见图2。



图2 基准梁的荷载—挠度曲线




sherbrooke大学试验中的加固梁编号为os，这次试验中的加固梁编号为is1，is2，is3。os梁是碳纤维片材的剥离破坏，而is1，is2，is3梁是碳纤维的破裂破坏。这是一个重要的结论，因为聚合物板材的破裂在文献中几乎没有报道，而片材的分层破坏已经有比较普遍的报道了。


已经有了论述的是：os梁的裂缝特征是它的裂缝间距比基准梁的要小，而且裂缝分两个阶段开展。在第一阶段出现的是垂直的受弯裂缝，而在钢筋屈服后的第二阶段出现的是斜裂缝；并且斜裂缝延伸不及梁高的1/6。


为了作裂缝特征的对比，采用了ritchie et al（1991）的结果。因为梁的跨度、高度和配筋量是相同的，并且ritchie et al提供了更加详细的描述。使用的粘结胶是一种橡胶粘性的环氧树脂。典型的ritchie et al（1991）的裂缝特征见图3。


对两根基准梁，裂缝特征是典型的适筋梁破坏，见图3。基准梁底部ritchie et al（1991）有21条裂缝，见图3(a)，而这次研究的ic梁底部有19条裂缝, 见图3(c)。


加固后的os梁底部有52条裂缝, 见图3(b)；而is3梁底部仅仅有25条裂缝，见图3(d)。因此，裂缝数量的增加对有机粘结胶加固体系和无机粘结胶加固体系分别为148%和32%。裂缝的这些参数表明，有机粘结胶体系比无机粘结胶体系产生了更多的裂缝。作者认为，这是因为无机粘结胶在裂缝的位置没有足够的粘性保持碳纤维和混凝土的粘结，抑制了应力向邻近的混凝土传递，而这一点是产生更多裂缝的必要条件。另外，混凝土中的裂缝贯穿了碳纤维聚合物，这又促使应力向碳纤维传递。相比而言，粘性的有机粘结胶能保持碳纤维和混凝土在每条裂缝附近的粘结，致使应力向邻近的混凝土传递，这样就产生了更多的裂缝。






图3 极限荷载时裂缝的比较：


（a）有机粘结胶基准梁（ritchie et al 1991）；（b）有机粘结胶加固梁（ritchie et al 1991）；


（c）无机粘结胶基准梁（ic）；（d）无机粘结胶加固梁（is3）。






延性和荷载—挠度关系




有机粘结胶加固梁的荷载—挠度曲线见图4。正如所料，增加碳纤维面积导致了开裂刚度、屈服刚度和极限荷载的提高。为了和以前研究的荷载—挠度曲线作比较，并考虑到基准梁的差异，将荷载—挠度曲线作标准化。标准化即是将ic、is1、is2、is3梁的荷载乘以一个系数：


oc梁的屈服荷载 / ic梁的屈服荷载


大量的挠度点进行了调整以保证曲线的连续。所有梁的标准化荷载—挠度曲线见图5。从图5中可以看出，无机粘结胶加固的梁和有机粘结胶加固的梁的荷载—挠度曲线的特征相似。用大致相同的碳纤维面积加固的is3梁和os梁具有相当的强度、刚度和延性。




图4 有机粘结胶加固梁的荷载挠度曲线 图5 所有梁的标准化荷载挠度曲线




对有机粘结胶加固体系和无机粘结胶加固体系，加固梁与基准梁相比，延性都有降低。对前者，挠度延性从8.25减到2.30；对后者，挠度延性从8.55减到1.55和1.81之间。比较用相同碳纤维面积加固的is3梁和os梁，is3梁的延性仅有os梁的75%。






承载力提高的比较




承载力的提高通过加固梁和基准梁最大弯矩的差值来量化。为了考虑碳纤维用量的差异，用单位碳纤维面积上弯矩的增加来计算，如下方程：


单位碳纤维面积上弯矩的增加 = △m / acar （1）


其中 △m表示相对基准梁弯矩的增加（kn-m）； acar 表示碳纤维的面积（m2）。




表3 承载力提高的比较






梁的编号



极限弯矩（kn-m）



弯矩的增加（kn-m）



单位碳纤维面积上


弯矩的增加





oc



31.805



—



—





ic



37.255



—



—





os



49.820



18.015



218.2





is1



40.225



3.000



105.4





is2



45.950



8.695



203.9





is3



55.045



17.790



250.2

承载力提高的比较见表3。对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：




l 无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系提供了相当的加固效果。单位碳纤维面积上弯矩的增加，is2梁和os梁非常接近，is3梁比os梁高，而is1梁比os梁低。


l 无机粘结胶加固体系，单位碳纤维面积上弯矩的增加随着碳纤维面积的增加而增加，这意味着使用更厚的碳纤维板将达到更佳的加固效率。在以前，这种趋势还没有被观察到，这一定程度上是因为加固面积引起的效率问题还没有被系统的研究。






刚度提高的比较




每根梁在开裂阶段和屈服阶段的抗弯刚度（ei）都用下式计算：


（2）


其中 p=总荷载（kn），等于两点荷载的和；


△=跨中挠度（m），用荷载p和跨度 （m）表示。


方程（2）是基于所有的材料是弹性，并且ei是常量的假设。由于挠度随位置的改变而改变，抗弯刚度应该考虑为有效刚度的平均值。


对于开裂刚度，先在荷载—挠度曲线上找出开裂点和屈服点，然后在它们之间拟合一条二次退化曲线，这样来确定（p/△）项。对于屈服刚度，先在荷载—挠度曲线上的屈服段找出直线部分，然后在这些点之间拟合一条最佳的曲线，这样来确定（p/△）项。


刚度的提高通过加固梁的抗弯刚度减去基准梁的抗弯刚度来量化。与承载力的提高一样，考虑碳纤维面积的影响，用单位碳纤维面积上刚度的增加来计算：


单位碳纤维面积上刚度的增加 = △ei / acar （3）


其中 △ei 表示相对基准梁刚度的增加（kn-m2）；


acar 表示碳纤维的面积（m2）。


刚度提高的比较见表4。







表4 刚度提高的比较






梁的编号



开裂阶段



屈服阶段





抗弯刚度（kn-m2）



抗弯刚度的增加（kn-m2）



单位碳纤维面积抗弯刚度的增加



抗弯刚度（kn-m2）



抗弯刚度的增加（kn-m2）



单位碳纤维面积抗弯刚度的增加





oc



2310



—



—



276



—



—





ic



3544



—



—



261



—



—





os



3889



1579



19121



2015



1739



21058





is1



3972



428



15044



1093



832



29244





is2



4379



835



19578



1449



1188



27855





is3



4864



1320



18565



2322



2061



28987






对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：




l is梁和os梁开裂刚度的增加相当。在单位碳纤维面积上开裂刚度的增加，无机粘结胶加固的3根梁中有1根梁的比os梁大，但是，所有的差异都非常小。


l 至于单位碳纤维面积上屈服刚度的增加，is梁都比os梁的大。这一点特别有意义，因为无机粘结胶聚合物本身的刚度比有机粘结胶聚合物小。无机粘结胶聚合物只有200gpa的拉伸模量（foden 1999），而有机粘结胶聚合物有240gpa的拉伸模量（厂家提供的资料，作者注）。有机粘结胶加固梁屈服刚度较小可以这样解释，在高变形下混凝土和粘结胶之间有较软的交接面。这一点可以由os梁的挠度—荷载曲线比is梁的更具有非线性而得到进一步的证实。






应力和应变的比较




试验中，梁os、is1、is2和is3的碳纤维的极限应变分别为0.00693、0.00553、0.00581和0.00641。假定os梁中聚合物的拉伸模量为240gpa（forca 1996，作者注），is梁中聚合物的拉伸模量为200gpa（foden 1996）。碳纤维的极限应力计算见表5。在此，os梁在碳纤维应力大约为1663mpa时发生剥离破坏；而is梁在碳纤维平均应力大约为1184mpa时发生破裂破坏。注意到下面这一点：在无机粘结胶加固体系中，当粘结胶出现裂缝时关键的应力出现在碳纤维中，而在无机粘结胶加固体系中，碳纤维板和粘结胶像一块聚合物板一样工作；这是因为粘性的有机粘结胶有比无机粘结胶更高的变形能力。


表5 碳纤维和交接面中最大的应力

梁的编号



碳纤维



交接面





极限应力（mpa）



承载力提高百分比（%）



极限荷载（kn）



极限平均剪应力（mpa）





os



1663



39



137.33



867.2*





is1



1107*



79



31.49



217.5





is2



1161*



83



49.52



342.0





is3



1283*



92



91.22



630.1



注：* 表示破坏




表5计算出了在极限荷载时碳纤维和混凝土交接面上的平均剪应力。计算方法是用碳纤维承受的最大力除以剪跨范围内的粘结面积。根据这个计算，os梁中平均极限剪应力为867mpa。作为比较，ritchie et al（1991）推测平均极限剪应力在758mpa和827mpa之间。但是，is梁的平均极限剪应力却不能估计出，因为碳纤维没有发生剥离破坏。然而，is3梁承受了630mpa的平均剪应力还没有发生分层破坏，意味着平均极限剪应力至少为630mpa。


对于给出的力学性能的差异，无机粘结胶的平均极限剪应力至少是有机粘结胶的70%这一点非常有意义。无机粘结胶的剪力承载力足够使碳纤维破裂这一点也很重要。








其它的结果




所有的is梁都是因为碳纤维的破裂而失效。 从is3梁上剥下的碳纤维片材的图片见图6。多数的碳纤维片材都粘有混凝土碎片。在恒弯区段，碳纤维片材不能被剥下。




图6 无机粘结胶体系—碳纤维破裂 图7 有机粘结胶体系—碳纤维剥离




作为比较，图7显示了用一种粘性的环氧树脂和碳纤维加固钢筋混凝土梁时碳纤维发生剥离破坏的情况（作者在一个相关研究中做的试验）。这个加固体系与os梁很相似，都包括环氧树脂找平层、环氧树脂粘结胶和碳纤维片材。其中的碳纤维和sherbrooke大学试验用的一样；环氧树脂也一样，变形能力为2.0%，拉伸强度为45mpa，拉伸模量为3gpa。图6中的剥离是断断续续，而图7中是连续均匀的。图7中，粘在粘结胶上的砂粒也具有一致的现象，没有局部失效的迹象，而局部失效的迹象意味着有粘结滑移。图7中也没有裸露的碳纤维，这表明碳纤维和混凝土之间的粘结没有破坏。拍摄图片之前，碳纤维上也有一层疏松的骨料，这意味着剥离破坏是由于集合体从混凝土浆中脱出。






传力机理的比较




如前面叙述的，有机粘结胶的粘性比无机粘结胶大1000倍；变形能力大65倍；尽管存在这些力学性能上的差异，无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系的性能仍然是相当。这些令人惊讶的结果意味着在传力机理上存在着重要的差异。


为了阐明传力机理上的差异， 一个关于混凝土块粘结碳纤维片材然后受拉的示意图见图8。最初，混凝土和碳纤维片材粘在一起没有受拉，见图8（a）。为了比较无机粘结胶和有机粘结胶，对粘在一起的混凝土和碳纤维片材施加拉力，分别见图8（b）和图8（c）。


图8（b）部分地基于作者在另一个相关试验研究上得出的结论，那个试验是使用同样的有机粘结胶。当有机粘结胶加固体系受拉，可以观察到极细的裂缝出现在交接面上，但基本上不连续延伸。这些极细的裂缝出现的原因有下面几点 ：




l 有机粘结胶的粘性要比波特兰水泥浆大得多。因此，混凝土破裂所需的能量比粘结胶和骨料交接面之间破裂所需的能量要少。所以，尽管在高应变下粘结胶和骨料之间的粘结也不会破坏。


l 典型水泥浆的受拉变形能力大约是0.0003mm/mm，在os梁中，碳纤维的这个值要超过它20倍以上。




因此，为了变形的协调，在很强的粘结胶—骨料交接面和较低变形能力的水泥浆之间必须产生交接裂缝。假如将骨料看作刚性体并且粘结是完好的，那么交接裂缝达到骨料尺寸的大小将导致水泥浆和骨料粘结的瓦解。


从图8（c）中可以发现，当使用无机粘结胶时没有产生微小的交接裂缝。原因有下面几点 ：




l 有机粘结胶的粘性和水泥浆的相当。它不足以保持和骨料的粘结，而这一点是水泥浆和骨料之间产生交接裂缝的必要条件。因此，在高应变下是粘结胶失效而不是水泥浆。


l 在粘结胶裂缝变形为0.0007 mm/mm时，混凝土出现裂缝并且贯穿粘结胶聚合物，这导致了碳纤维应力的增加和聚合物刚度的减少。




在传力机理上的主要差异是，粘性的有机粘结胶使水泥浆和骨料的粘结瓦解，而脆性的无机粘结胶导致不连续的粘结失效和碳纤维上应力的局部集中。



图8 荷载传力机制的比较：（a）碳纤维粘在混凝土上；


（b）粘性粘结胶粘结的碳纤维受拉；（c）脆性粘结胶粘结的碳纤维受拉；




脆性无机粘结胶的性能与混凝土中钢筋的粘结行为相似。图9中阐明了众所周知的混凝土中的钢筋螺纹的粘结行为。图9（b）中表明了在钢筋上施加拉力和达到平衡的裂缝间距后环带的滑移是它的粘结特征。在高应变的情况下，钢筋在裂缝附近的粘结实际上已经失效。




图9 钢筋：（a）钢筋在混凝土中；(b) 受拉后荷载的传递




总之，作者认为无机粘结胶在高应变的情形下通过局部剥离来保持和碳纤维的粘结。碳纤维仅仅在不连续的间隔上保持和混凝土的粘结。这个机理使混凝土交接面没有承受很高的拉伸应变。因此，混凝土保持着较高的受剪承载力，能够承担所受的剪应力而不发生失效。而粘性的粘结胶不允许有局部的粘结失效。为了保持碳纤维和交接面上变形的协调，混凝土承受了很高的拉伸变形，而很高的拉伸变形使骨料和水泥浆之间的粘结变得松散，从而降低交接面的受剪承载力。






结论




基于本文提供的试验结果和与其它文献中试验结果的比较，得出下面的结论：




l 无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系在提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力方面相当。


l 对无机粘结胶加固体系，单位碳纤维面积上梁承载力的提高随碳纤维层数的增多而更加显著。


l 在无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系中，梁开裂刚度的增加相等。而且发现，单位碳纤维面积上梁开裂刚度的增加也大致相等。


l 无机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加要比有机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加要显著。而且发现，单位碳纤维面积上无机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加也要多一些。


l 无机粘结胶加固体系中梁破坏时的挠度比有机粘结胶加固体系中梁破坏时的挠度要少25%。


l 无机粘结胶加固体系中梁都以碳纤维的破裂破坏而失效。相比而言，有机粘结胶加固体系中梁都以碳纤维的剥离破坏而失效。这一点是由于聚合物和混凝土母体之间的传力机理不同而引起的。


l 作者认为无机粘结胶加固体系中粘结胶的粘结行为和混凝土中的粘结行为相似。裂缝附近的粘结失效使碳纤维中的粘结发生局部滑移，从而粘结是间断的。这个机理降低了在混凝土中交接面的拉伸变形。当应变不是很高时，完全的剥离是不会出现的，这是因为交接面上的受剪承载力很强。这个观念值得进一步的观察研究，因为它对外包加固混凝土梁中粘结失效行为的进一步研究具有重要的意义。




致谢


作者非常感谢国家科学基金（cms 9909830；vijaya gopu，program manager）的大力支持。还要感谢熟练的施工人员和geopolymer的dr, joseph davidovits与the ffa技术中心的dr. richard lyon of提供的技术建议。




附录 i 参考文献 （略）


附录 ii 注释


本文应用的符号如下：


acar = 碳纤维面积 fy = 钢筋的屈服强度


e = 弹性模量 mn = 极限弯矩


ei = 抗弯刚度 △y = 挠度延性，极限挠度 / 屈服挠度

再介绍一种裂缝灌浆机





工程师自动低压灌浆器:是一种袖珍式可对混凝土微细裂缝进行自动灌浆注入的新型工具，长度仅为26cm，不需使用空压机，手压泵等配套设备，不用电、无噪音、操作简便、快捷，可在水平、垂直等任何方向安设使用，并可直接观察和确认注入情况，质量易于保证。


使用参数

·本灌浆器适合修补0.05mm以上的裂缝；

·灌浆器内弹簧压力为6kg，注入起始压力为60kpa；

·软管可装树脂量为50g，有效注入量为40g，一次注入不足时可继续补充

　

　 　 　 采用工程师&reg;自动低压灌浆技术修复裂缝过程

1.仔细测量裂缝宽度、长度和基层状况，确定施工顺序和所使用的材料。
2.确定入口位置，距离约20cm贴上胶带、预留。

3.揭去注入口上胶带，采用-封缝胶将底座粘于注入口上。
4.封闭裂缝，采用-封缝胶沿裂缝涂刮，宽度30mm，厚度1-2mm。 　


5.把装有AB-灌浆树脂的灌浆器旋紧于底座上，进行低压注入。
6.注入完毕，可拆除灌浆器，待树脂固化后敲掉底座，用角磨器磨去表面封缝胶，恢复基层原状。 　

　

　
AB-树脂为灌浆专用胶：有无溶剂环氧型、水乳型不同类型数种系列产品。对于微细裂缝(>0.05mm)、较宽裂缝(>0.5mm)以及砂浆、混凝土、砖板空鼓缝隙等各种状况都可进行灌浆处理。

AB树脂性能
型号 类型
粘度
(cps/20℃) 抗压强度
（MPa） 拉伸强度
（MPa） 粘接强度
（MPa）
延伸率
（%）
可灌裂缝宽度
（mm）
特点、使用性
AB-1 环氧型 60-100 ≥35 >15 >3.0 8 >0.05 优先用于混凝土裂缝，低粘度，高强度，干燥环境用
AB-2 环氧型 350-500 ≥50 >20 >3.0 8 >0.5 用于较宽混凝土裂缝粘度较AB-1大，可干燥或略湿环境用
AB-3 环氧型 1000-1300 ≥70 >20 >3.0 8 >1.0 粘度大于AB-2，高强度，干燥或潮湿环境用
AB-4 可绕性环氧 250-400 ≥70 >5.0 >3.0 40-50 >0.3 用于活缝，高韧性低收缩，防裂补强
AB-5 高弹性环氧 400-800 压扁后可复原 / >2.5 100-300 >0.5 可绕性树脂，延伸率高，用于活缝
AB-6 水乳型 ≥5500 可绕性 >0.5 >1.0 70-100 >1.5 用于空鼓，砖墙等大缝、活缝，韧性好


　
　
工程师-快干型封缝胶:是一种与自动低压灌浆器配套使用的裂缝表面封闭和底座粘贴胶，它固化快捷，粘接牢固。10分钟初凝，1小时终凝即可进行灌浆。

还有一篇相关的论文


混凝土裂缝的防治

混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土的

裂缝较为普遍，在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在

施工中采取各种措施，小心谨慎，但裂缝仍然时有出现。究其

原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。
在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主

要是由于两方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出现温度

裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，

温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们

遇到的主要是施工中的温度裂缝，因此本文仅对施工中混凝土

裂缝的成因和处理措施做一探讨。

1 裂缝的原因

混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混

凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如

碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。
混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在

表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝

上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在

混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗

裂能力时，即会出现裂缝。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、时干时湿，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。在钢筋混凝土中，

拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝

土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须

依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只

出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运

转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。

有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度

应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

2 温度应力的分析

根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：
（1）早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30

天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是

混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期

在混凝土内形成残余应力。
（2）中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定

温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及

外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加

，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。
（3）晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是

外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。
根据温度应力引起的原因可分为两类：
（1）自生应力：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，在中间出现压

应力。
（2）约束应力：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。
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。
要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项

比较复杂的工作。在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值

计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰，计算温度应

力时，必须考虑徐变的影响，具体计算这里就不再细述。

3 温度的控制和防止裂缝的措施

为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件

两个方面着手。
控制温度的措施如下：
（1）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；
（2）拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑

温度；
（3）热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；
（4）在混凝土中埋设水管，通入冷水降温；
（5）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；
（6）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；
改善约束条件的措施是：
（1）合理地分缝分块；
（2）避免基础过大起伏；
（3）合理的安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露；
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是十分重要，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是

十分困难的，因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑

的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模

时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模，在

表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在混凝土浇

筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时

表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然

引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加

，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就有导

致裂缝的危险，但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保

温材料，如泡沫海棉等，对于防止混凝土表面产生过大的拉应

力，具有显著的效果。
加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小，因为大体积混凝土

的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高

及应力低于屈服极限的条件下，钢的各项性能是稳定的，而与

应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数

相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢

的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍，当内混凝土应力达到

抗拉强度而开裂时，钢筋的应力将不超过100~200kg／cm2..因

此，在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。

但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深

度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土

抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发

生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一

般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。
为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，正

确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂

，笔者在实践中总结出其主要作用为：
（1）混凝土中存在大量毛细孔道，水蒸发后毛细管中产生毛细

管张力，使混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面

张力，但会使混凝土强度降低。这个表面张力理论早在六十年

代就已被国际上所确认。
（2）水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可

使混凝土用水量减少25％。
（3）水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素，掺加减水防裂剂

的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15％的水泥用量，

其体积用增加骨料用量来补充。
（4）减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水，减

少沉缩变形。
（5）提高水泥浆与骨料的粘结力，提高的混凝土抗裂性能。
（6）混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝

土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高的混凝

土抗拉强度，大幅提高混凝土的抗裂性能。
（7）掺加外加剂可使混凝土密实性好，可有效地提高混凝土的

抗碳化性，减少碳化收缩。
（8）掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当，在有效防止水泥迅

速水化放热基础上，避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增

加。
（9）掺外加剂混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，减少

水分蒸发，减少干燥收缩.
许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能，我们在

工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究，比单纯的靠改

善外部条件，可能会更加简捷、经济。

4 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。
从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：
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。
从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化

的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟

或防碍水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到这种不利

影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期，在施

工中应切实重视起来。

5 结束语
以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践

上的初步探讨，虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法

有不同的理论，但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统

一，同时在实践中的应用效果也是比较好的，具体施工中要靠

我们多观察、多比较，出现问题后多分析、多总结，结合多种

预防处理措施，混凝土的裂缝是完全可以避免的。






消除裂缝还有一条是:再混凝土打完后,终凝之前在压一变,对消除裂缝是个不错的方法