摘要: 文章通過多年的現(xiàn)場觀察, 并結合有關混凝土內部應力方面的專著, 對混凝土溫度裂縫產生的原因、現(xiàn)場混凝土溫度的控制和預防裂縫的措施進行等進行闡述。
關鍵詞: 混凝土; 溫度應力; 裂縫; 控制
中圖分類號: U414 文獻標識碼: B
混凝土在現(xiàn)代工程建設中占有重要地位。而在今天, 混凝土的裂縫較為普遍, 在橋梁工程中裂縫幾乎無所不在。盡管我們在施工中采取各種措施, 小心謹慎,但裂縫仍然時有出現(xiàn)。究其原因, 我們對混凝土溫度應力的變化注意不夠是其中之一。
在大體積混凝土中, 溫度應力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先, 在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫, 影響到結構的整體性和耐久性。其次, 在運轉過程中, 溫度變化對結構的應力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫, 因此本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一探討。
1 裂縫的原因
混凝土中產生裂縫有多種原因, 主要是溫度和濕度的變化, 混凝土的脆性和不均勻性, 以及結構不合理,原材料不合格( 如堿骨料反應) , 模板變形, 基礎不均勻沉降等。
混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱, 內部溫度不斷上升, 在表面引起拉應力。后期在降溫過程中, 由于受到基礎或老混凝上的約束, 又會在混凝土內部出現(xiàn)拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時, 即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內部濕度變化很小或變化較慢, 但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護不周、時干時濕, 表面干縮形變受到內部混凝土的約束, 也往往導致裂縫?；炷潦且环N脆性材料, 抗拉強度是抗壓強度的1/10 左右, 短期加荷時的極限拉伸變形只有( 0.6 ～1.0) ×104, 長期加荷時的極限位伸變形也只有( 1.2～2.0) ×104。由于原材料不均勻, 水灰比不穩(wěn)定, 及運輸和澆注過程中的離析現(xiàn)象, 在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的, 存在著許多抗拉能力很低, 易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中, 拉應力主要是由鋼筋承擔, 混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內出現(xiàn)了拉應力, 則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現(xiàn)拉應力或者只出現(xiàn)很小的拉應力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩(wěn)定溫度, 往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其他外荷載所引起的應力, 因此掌握溫度應力的變化規(guī)律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。
2 溫度應力的分析
根據(jù)溫度應力的形成過程可分為以下3 個階段:
( 1) 早期: 自澆注混凝土開始至水泥放熱基本結束, 一般約30 天。這個階段的兩個特征, 一是水泥放出大量的水化熱, 二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化, 這一時期在混凝土內形成殘余應力。
( 2) 中期: 自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止, 這個時期中, 溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起, 這些應力與早期形成的殘余應力相疊加, 在此期間混凝上的彈性模量變化不大。
( 3) 晚期: 混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起, 這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。
根據(jù)溫度應力引起的原因可分為兩類:
( 1) 自生應力: 邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構, 如果內部溫度是非線性分布的, 由于結構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力。例如, 橋梁墩身, 結構尺寸相對較大, 混凝土冷卻時表面溫度低, 內部溫度高, 在表面出現(xiàn)拉應力, 在中間出現(xiàn)壓應力。
( 2) 約束應力: 結構的全部或部分邊界受到外界的約束, 不能自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。
這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作。在大多數(shù)情況下, 需要依靠模型試驗或數(shù)值計算。混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松馳, 計算溫度應力時, 必須考慮徐變的影響,具體計算這里就不再細述。
3 溫度的控制和防止裂縫的措施
為了防止裂縫, 減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手?？刂茰囟鹊拇胧┤缦?
( 1) 采用改善骨料級配, 用干硬性混凝土, 摻混合料, 加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量;( 2) 拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆注溫度;( 3) 熱天澆注混凝土時減少澆注厚度, 利用澆注層面散熱;( 4) 在混凝土中埋設水管, 通入冷水降溫; ( 5) 規(guī)定合理的拆模時間, 氣溫驟降時進行表面保溫, 以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;( 6) 施工中長期暴露的混凝土澆注塊表面或薄壁結構, 在寒冷季節(jié)采取保溫措施。
改善約束條件的措施是:
( 1) 合理地分縫分塊;( 2) 避免基礎過大起伏;( 3) 合理的安排施工工序, 避免過大的高差和側面長期暴露。此外, 改善混凝土的性能, 提高抗裂能力, 加強養(yǎng)護, 防止表面干縮, 特別是保證混凝土的質量對防止裂縫是十分重要, 應特別注意避免產生貫穿裂縫, 出現(xiàn)后要恢復其結構的整體性是十分困難的, 因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。
在混凝土的施工中, 為了提高模板的周轉率, 往往要求新澆注的混凝土盡早拆模。當混凝土溫度高于氣溫時應適當考慮拆模時間, 以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆注早期拆模, 在表面引起很大的拉應力, 出現(xiàn)溫度沖擊現(xiàn)象。在混凝土澆注初期, 由于水化熱的散發(fā), 表面引起相當大的拉應力, 此時表面溫度亦較氣溫為高, 此時拆除模板, 表面溫度驟降, 必然引起溫度梯度, 從而在表面附加一拉應力, 與水化熱應力迭加, 再加上混凝土干縮, 表面的拉應力達到很大的數(shù)值, 就有導致裂縫的危險, 但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料, 如泡沫海棉等, 對于防止混凝土表面產生過大的拉應力, 具有顯著的效果。
加筋對大體積混凝土的溫度應力影響很小, 因為大體積混凝土的含筋率極低。只是對一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下, 鋼的各項性能是穩(wěn)定的, 而與應力狀態(tài)、時間及溫度無關。鋼的線脹系數(shù)與混凝土線脹系數(shù)相差很小, 在溫度變化時兩者間只發(fā)生很小的內應力。由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的7~15 倍, 當內混凝土應力達到抗拉強度而開裂時, 鋼筋的應力將不超過100～200kg/cm2。因此, 在混凝土中想要利用鋼筋來防止細小裂縫的出現(xiàn)很困難。但加筋后結構內的裂縫一般就變得數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小了。而且如果鋼筋的直徑細而間距密時, 對提高混凝土抗裂性的效果較好。混凝土和鋼筋混凝土結構的表面常常會發(fā)生細而淺的裂縫, 其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺, 但它對結構的強度和耐久性仍有一定的影響。
為保證混凝土工程質量, 防止開裂, 提高混凝土的耐久性, 正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑, 筆者在實踐中總結出其主要作用為:
( 1) 混凝土中存在大量毛細孔道, 水蒸發(fā)后毛細管中產生毛細管張力, 使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力, 但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在上世紀60 年代就已被國際上所確認。
( 2) 水灰比是影響混凝土收縮的重要因素, 使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。
( 3) 水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素, 摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量, 其體積用增加骨料用量來補充。
( 4) 減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度, 減少混凝土泌水, 減少沉縮變形。
( 5) 提高水泥漿與骨料的粘結力, 提高的混凝土抗裂性能。
( 6) 混凝土在收縮時受到約束產生拉應力, 當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強度, 大幅提高混凝土的抗裂性能。
( 7) 摻加外加劑可使混凝土密實性好, 可有效地提高混凝土的抗碳化性, 減少碳化收縮。
( 8) 摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當, 在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上, 避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。
( 9) 摻外加劑混凝土和易性好, 表面易摸平, 形成微膜, 減少水分蒸發(fā), 減少干燥收縮。
許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能, 我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究, 比單純的靠改善外部條件, 可能會更加簡捷、經濟。
4 混凝土的早期養(yǎng)護
踐證明, 混凝土常見的裂縫, 大多數(shù)是不同深度的表面裂縫, 其主要原因是溫度梯度造成寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。
從溫度應力觀點出發(fā), 保溫應達到下述要求:
( 1) 防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度, 防止表面裂縫。
( 2) 防止混凝土超冷, 應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。
( 3) 防止老混凝土過冷, 以減少新老混凝土間的約束。
混凝土的早期養(yǎng)護, 主要目的在于保持適宜的溫濕條件, 以達到兩個方面的效果, 一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲, 防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進行, 以期達到設計的強度和抗裂能力。
適宜的溫濕度條件是相互關聯(lián)的?；炷系谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?。
從理論上分析, 新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失, 從而推遲或防礙水泥的水化, 表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。因此混凝土澆注后的最初幾天是養(yǎng)護的關鍵時期, 在施工中應切實重視起來。
5 結語
以上對混凝土的施工溫度與裂縫之間的關系進行了理論和實踐上的初步探討, 雖然學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論, 但對于具體的預防和改善措施意見還是比較統(tǒng)一, 同時在實踐中的應用效果也是比較好的, 具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現(xiàn)問題后多分析、多總結, 結合多種預防處理措施,混凝土的裂縫是完全可以避免的。
參考文獻:
[1] 混凝土的澆注與養(yǎng)護[M].北京：中國社會科學出版社.
