混凝土裂縫分析的論文
摘要:本文以大體積混凝土施工中經(jīng)常出現(xiàn)的裂縫為研究對象,探討大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的機理以及主要的影響因素,為工程施工提供切實可行的實踐經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞:磚混房屋;墻體;裂縫
1大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機理
大體積混凝土裂縫在建筑中經(jīng)�？梢砸姷�,而且隨著科學技術(shù)的發(fā)展和實驗技術(shù)的完善,特別是有關(guān)大體積混凝土的現(xiàn)代實驗設備的出現(xiàn)(如各種實驗顯微鏡、X光照相設備、超聲儀器、滲透觀測儀等),已經(jīng)證實了大體積混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中也存在著肉眼不可見的裂縫。
常見裂縫主要有以下三種類型:
�、僬持芽p:指鋼筋與水泥石粘接面上的裂縫,主要沿鋼筋周圍出現(xiàn);
�、谒嗍芽p:指水泥漿中的裂縫,主要出現(xiàn)在鋼筋與鋼筋之間;
③鋼筋骨料裂縫:指鋼筋或者骨料等本身的裂縫。
這三種裂縫比較,前兩種較多,大體積混凝土的裂縫主要指前兩種,他們的存在對于大體積混凝土的基本物理力學性質(zhì)如彈塑性、各種強度、變形、泊松比、結(jié)構(gòu)剛度、化學反應等有著重要的影響。
大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因可按其構(gòu)造理論加以解釋,即把混凝土看做是由鋼筋、水泥石、氣體、水份等組成的非均質(zhì)材料,在溫度、濕度和其他條件變化下,混凝土逐步硬化,同時產(chǎn)生體積變形,這種變形是不均勻的,水泥石收縮較大,鋼筋收縮很小,水泥石熱膨脹系數(shù)較大,鋼筋熱膨脹系數(shù)較小,他們之間的相互變形引起約束應力。在構(gòu)造理論中提出了一種簡單的計算模型,即假定圓形鋼筋不變形且均勻分布于均質(zhì)彈性水泥石中,當水泥石產(chǎn)生收縮時引起內(nèi)應力,這種應力可引起粘著微裂縫和水泥石裂縫,混凝土的裂縫肉眼是看不見的,肉眼可見裂縫范圍一般以0.05mm為界。大于等于0.05mm的裂縫稱為宏觀裂縫,它是裂縫擴展的結(jié)果。觀測證實,結(jié)構(gòu)物的裂縫是時刻不停的運動著,這種運動包含兩種意思:一是裂縫寬度的擴展與縮小;二是裂縫長度的延伸及裂縫數(shù)量的增加。裂縫穩(wěn)定的運動是正常的,工程中要防止的是不穩(wěn)定的裂縫運動。
下面就通過不同的理論基礎來分析大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機理。
大體積混凝土的破壞機理,現(xiàn)在國內(nèi)外學者普遍認為是混凝土在澆筑、形成過程中不可避免存在著毛細孔、空隙及材料的裂隙缺陷,在外界因素作用下,這些缺陷部位將產(chǎn)生高度的應力集中,并逐漸擴展發(fā)展,形成大體積混凝土體中的微裂紋。另一方面,大體積混凝土體中各相的結(jié)合界面是最薄弱的環(huán)節(jié),在外界因素作用下,將脫開而形成截面裂隙,并發(fā)展成微裂紋。若外界因素繼續(xù)作用,混凝土體中的.微裂紋經(jīng)過匯集、貫通的過程而形成宏觀裂縫。同時,宏觀裂紋的端部又因應力集中而出現(xiàn)新的微裂紋,甚至出現(xiàn)微裂紋區(qū),這又將發(fā)展成新的宏觀裂縫或體現(xiàn)為原有宏觀裂紋的延伸。如此反復交替,宏觀裂縫必將沿著一條最薄弱的路徑逐漸擴展,最后使混凝土完全斷開而破壞。因此,大體積混凝土材料的破壞過程實際上是損傷、損傷積累、宏觀裂紋出現(xiàn)、損傷繼續(xù)積累、宏觀裂縫擴展交織發(fā)生的過程。
不論外界因素作用引起的效應是拉、壓、剪或扭,大體積混凝土體破壞的過程都是相類似的。如果引起的效應是拉,則微裂紋或微裂縫將沿與之正交的方向擴展;如為壓,則沿與之平行的方向擴展;如為剪或扭,則將沿剪應力的方向滑動擴展。顯然,在非均勻應力場的大體積混凝土體中上述微裂紋的萌生與擴展以及宏觀裂紋的出現(xiàn)和擴展,都將首先在高應力區(qū)中發(fā)生,甚至只集中發(fā)生在高應力區(qū),因為當高應力區(qū)中裂紋或裂縫擴展時,對相鄰的低應力區(qū)產(chǎn)生卸載效應,因此,該區(qū)域內(nèi)的裂紋和裂縫不可能再繼續(xù)發(fā)育和發(fā)展,甚至會引起逆效應,如原來已張開的裂縫可能重新閉合。
大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期經(jīng)歷了升溫和降溫兩個過程。由于水泥砂漿與鋼筋熱膨脹系數(shù)的不同,在升溫過程中溫度荷載作用下水泥砂漿與鋼筋所形成的界面首先產(chǎn)生損傷,并隨溫度增加而發(fā)展,因此形成界面裂紋,當繼續(xù)增加的溫差達到某一數(shù)值后,界面裂紋便向水泥砂漿中延伸。在以后的降溫過程中界面裂紋與水泥砂漿中的微裂紋繼續(xù)發(fā)展,以致發(fā)展成宏觀裂縫,并可能導致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞,由于損傷是不可恢復的,故在以后的降溫過程中,所形成的界面裂縫不會消失,而且降溫過程中不僅原有的微裂紋會發(fā)展,同時也會產(chǎn)生新的微裂紋。
2大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要影響因素
大體積混凝土由于截面大,水泥用量大,水泥水化釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化,由此形成的溫度應力是導致產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫分為兩種:
�、俅篌w積混凝土澆筑初期,水泥水化產(chǎn)生大量水化熱,使大體積混凝土的溫度很快上升。但由于大體積混凝土表面散熱條件較好,熱量可以向大氣中散發(fā),因而溫度上升較少;而大體積混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差,熱量散發(fā)少,因而溫度上升較多,內(nèi)外形成溫度梯度,形成內(nèi)外約束。結(jié)果大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力,面層產(chǎn)生拉應力,當該拉應力超過大體積混凝土的抗拉強度時,大體積混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。
�、诖篌w積混凝土澆筑后數(shù)日,水泥水化熱基本上已釋放,大體積混凝土從最高溫逐漸降溫,降溫的結(jié)果引起大體積混凝土收縮,再加上由于大體積混凝土中多余水份蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形,受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束(外約束),不能自由變形,導致產(chǎn)生溫度應力(拉應力),當該溫度應力超過大體積混凝土抗拉強度時,則從約束面開始向上開裂形成溫度裂縫。如果該溫度應力足夠大,嚴重時可能產(chǎn)生貫穿裂縫。
大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫,是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是大體積混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應力和應變,另一方面是結(jié)構(gòu)的外約束和大體積混凝土各質(zhì)點間的約束(內(nèi)約束)阻止這種應變。一旦溫度應力超過大體積混凝土能承受的抗拉強度,就會產(chǎn)生裂縫。上述大體積混凝土溫度應力的大小取決于水泥、水化熱、拌合澆筑溫度、大氣溫度、收縮變形及當量溫度等因素,同時它與大體積混凝土的降溫散熱條件和硅升降溫速密切相關(guān)的,而大體積混凝土抗拉強度的提高與大體積混凝土本身材料性能有關(guān),此外還與施工方案及配筋等因素有關(guān)。
2.1水泥水化熱
水泥在水化過程中要產(chǎn)生一定的熱量,是大體積混凝土內(nèi)部熱量的主要來源。
由于大體積混凝土截面厚度大,水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失,所以會引起急驟升溫。水泥水化熱引起的絕熱溫升,與混凝土單位體積內(nèi)的水泥用量和水泥品種有關(guān),并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系增長,一般在10d左右達到最終絕熱溫升,但由于結(jié)構(gòu)自然散熱,實際上混凝土內(nèi)部的最高溫度,大多發(fā)生在混凝土澆筑后的3~5d。
2.2大體積混凝土的導熱性能
熱量在大體積混凝土內(nèi)傳遞的能力反映在其導熱性能上。大體積混凝土的導熱系數(shù)越大,熱量傳遞率就越大,則其與外界熱交換的效率也越高,從而使大體積混凝土內(nèi)最高溫升降低。同時也減小了大體積混凝土的內(nèi)外溫差�？梢灶A計,導熱性能越好,熱峰值出現(xiàn)的時間也相應提前。中部最高溫度的熱峰值及熱峰值出現(xiàn)的時間與板厚密切有關(guān)。
顯見,板越厚,中部點散熱較少,熱峰值也越高,中部受外界溫降影響所需時間就越長,峰值出現(xiàn)的時間也要晚一些。
大體積混凝土的導熱性能較差,澆筑初期,混凝土的彈性模量和強度都很低,對水化熱急劇溫升引起的變形約束不大,溫度應力較小。隨著混凝土齡期的增長,彈性模量和強度相應提高,對混凝土降溫收縮變形的約束愈來愈強,即產(chǎn)生很大的溫度應力,當大體積混凝土的抗拉強度不足以抵抗該溫度應力時,便開始產(chǎn)生溫度裂縫。
2.3外界氣溫變化
大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工期間,外界氣溫的變化對大體積混凝土開裂有重大影響。大體積混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度(既大體積混凝土的入模溫度,它是大體積混凝土水化熱溫升的基礎,可以預見,大體積混凝土的入模溫度越高,它的熱峰值也必然越高。工程實踐中在高溫季節(jié)澆筑常采用鋼筋預冷,加冰拌和等措施來降低澆筑溫度,控制大體積混凝土最高溫升,原因在此)。水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和。外界氣溫愈高,大體積混凝土的澆筑溫度也愈高;若外界溫度下降,會增加大體積混凝土的降溫幅度,特別在外界氣溫驟降時,會增加外層大體積混凝土與內(nèi)部大體積混凝土的溫度梯度,這對大體積混凝土極為不利。
3工程實例
3.1工程概況
中遠大廈28層主體塔樓采用筏形基礎。筏基面積為2060m2,板厚2.2m。混凝土為泵送商品混凝土,強度等級為C35,抗?jié)B等級S8,筏板混凝土澆筑量超過3000m3。
3.2混凝土溫度計算及表面裂縫控制
3.2.1混凝土內(nèi)部最高絕熱升溫值
由公式
3.2.2混凝土中心最高溫
由公式
3.2.3混凝土內(nèi)部與表面最大溫差
混凝土內(nèi)表最大溫差超過規(guī)定要求值,若不采取有效措施,將必然產(chǎn)生表面裂縫。
3.2.4保溫養(yǎng)護措施分析
根據(jù)公式,分別求取在養(yǎng)護措施下大體積混凝土的表面溫度和混凝土內(nèi)表最大溫差,計算結(jié)果表明,大體積混凝土內(nèi)表溫差控制在規(guī)定值范圍內(nèi),不會產(chǎn)生裂縫,保溫措施的方案可行。
3.3筏基整澆長度計算
3.3.1筏基結(jié)構(gòu)計算溫差
水化熱最高溫度只發(fā)生在筏基截面的中下部,全截面的平均溫度略低于水化熱最高溫度,控制貫穿性裂縫的溫差應該是平均最高溫度與穩(wěn)定溫度之差。
按澆筑混凝土30d的總降溫差,結(jié)構(gòu)計算溫差T=Tm+TY
3.4施工技術(shù)綜合措施
通過采取合理研配混凝土配合比、斜面分層一次澆筑施工方法、澆筑混凝土后的收頭處理措施、混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護等措施以及測溫控制,施工實踐表明:選擇大體積混凝土表面貯水熱保溫保濕養(yǎng)護方式、同時采用綜合的施工技術(shù)措施,非常成功。
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