初論混凝土施工中溫度及裂縫的控制

左明晨

【摘 要】混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均質(zhì)脆性材料。由于混凝土施工、本身變形和約束等一系列問題,使混凝土裂縫成了土木、水利、橋梁、隧道等工程中最常見的工程病害。在工程施工過程中,如何有效控制混凝土裂縫是技術(shù)人員必須面對(duì)的問題。

【關(guān)鍵詞】混凝土 溫度應(yīng)力 裂縫 控制

【中途分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1673-8209(2009)11-0-02

這個(gè)題目是跟本人工作緊密相關(guān),船閘及附屬設(shè)施是座體量大的水工建筑物,建設(shè)過程中難免遇到題目中談到的內(nèi)容。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)寫出下面文字,和大家作一交流。

1 產(chǎn)生裂縫的原因

水工建筑物產(chǎn)生裂縫主要有以下幾種:

(1)大體積混凝土水化時(shí)產(chǎn)生的大量水化熱得不到散發(fā),導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差較大,使混凝土的形變超過極限引起裂縫。

(2)當(dāng)有約束時(shí),混凝土熱脹冷縮所產(chǎn)生的體積脹縮,因?yàn)槭芗s束力的限制,在內(nèi)部產(chǎn)生了溫度應(yīng)力,由于混凝土抗拉強(qiáng)度低,容易被溫度引起的拉應(yīng)力拉裂,從而產(chǎn)生溫度裂縫。

(3)當(dāng)鋼筋混凝土處于不利環(huán)境中,例如:侵蝕性水,由于混凝土保護(hù)層厚度有限,特別是當(dāng)混凝土密實(shí)性不良,環(huán)境中的氯離子等和溶于水中的氧會(huì)使混凝土中的鋼筋生銹,生成氧化鐵,氧化鐵的體積比原來金屬的體積大的多,鐵銹體積膨脹,對(duì)周圍混凝土擠壓,使混凝土脹裂。

從形成原因可以將混凝土裂縫分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫主要是由于荷載原因引起的,一般可通過采用預(yù)應(yīng)力和其他構(gòu)造措施控制。但現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)中,混凝土中產(chǎn)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(jié)構(gòu)不合理,原材料不合格,模板變形,基礎(chǔ)不均勻沉降等,我們將這些裂縫稱為非結(jié)構(gòu)裂縫。因此,掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。

2 溫度應(yīng)力的分析

(1)前期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束,一般30天。這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

(2)中期:自水泥放熱基本結(jié)束至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止。由于混凝土的冷卻及外界氣溫的變化引起溫度應(yīng)力,這一應(yīng)力與早期的殘余應(yīng)力疊加,混凝土彈性模量變化不大。均勻降溫冷卻時(shí),受到基礎(chǔ)或老混凝土的限制,又會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

(3)后期:混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。進(jìn)一步加速裂縫的開展,直至應(yīng)力平衡。當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度和變形能力時(shí),混凝土就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

(1)采用改善骨料級(jí)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)拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。

(3)在混凝土中埋設(shè)水管,通入冷水降溫。

(4)規(guī)定合理的拆模時(shí)間,氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

(5)施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu),在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

在混凝土的施工中,為了提高模板的周轉(zhuǎn)率,往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間,以免引起混凝土表面的早期裂縫。在混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發(fā),表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力,此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高,此時(shí)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(yīng)力,與水化熱應(yīng)力迭加,再加上混凝土干縮,表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值,就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn),但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋輕型保溫材料,如泡沫海棉等,對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力,具有顯著的效果。

舉個(gè)建靠船墩例子?？看沼啥丈碇黧w和人行橋板梁兩部分構(gòu)成。從施工時(shí)間(見表1)

顯示下部施工周期過長(zhǎng),同時(shí)承臺(tái)施工時(shí)氣溫較低,晝夜溫差為9℃。但是由于承臺(tái)置于水面以下,周邊環(huán)境對(duì)混凝土的水化熱能起到良好的降低作用,因此承臺(tái)未發(fā)生裂縫現(xiàn)象。但由于板梁過長(zhǎng)(20.64m×10)施工周期長(zhǎng),加之在這段時(shí)問晝夜溫差較大。由于混凝土收縮和溫度的變化,導(dǎo)致混凝土臺(tái)身體積變形。而此時(shí)承臺(tái)的混凝土已完全成型,混凝土的強(qiáng)度已基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求,它的穩(wěn)定勢(shì)必對(duì)混凝土墻身的變形形成約束,并超出了混凝土本身的抗拉強(qiáng)度,從而產(chǎn)生裂縫。根據(jù)該靠船墩的施工周期說明由于承臺(tái)同樁基的作用,使這部分約束力增大,故裂縫產(chǎn)生的就多。同時(shí)承臺(tái)和基礎(chǔ)混凝土澆注在前,這類構(gòu)件置于天然地基和樁基之上,變形較為自如。實(shí)踐表明,臺(tái)身和基礎(chǔ)產(chǎn)生了一個(gè)收縮差,加速了裂縫的發(fā)展。有關(guān)資料表明,溫度應(yīng)力不僅與結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度有關(guān),還與結(jié)構(gòu)物的約束條件,環(huán)境氣溫變化以及施工等條件有關(guān),各因素對(duì)裂縫的影響程度可用下列溫度收縮應(yīng)力公式表示:

δmax=-EαT[1—1/CH (β*L/2)]H1 ,

式中:

E-水泥混凝土的彈性模量

T-約束體與被約束體的溫差

β=(CX/HE)

L-結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)度

H-結(jié)構(gòu)物的高度

α-鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)

H1-一混凝土由于蠕變帶來的應(yīng)力松弛系數(shù)(一般緩慢降溫為0.3,正常降溫為0.5,急劇降溫為0.8)

δmax-結(jié)構(gòu)中部的最大水平應(yīng)力 cx-約束系數(shù),配筋混凝土為(100～150)×0.01 (N/M3)

CH-雙曲線余弦函數(shù)

從上式可以看出長(zhǎng)大混凝土構(gòu)件由溫度產(chǎn)生的最大水平拉應(yīng)力集中在結(jié)構(gòu)的中部,從中部首先開裂,形成兩個(gè)塊體,各塊體中應(yīng)力重新分布后,再形成第2次開裂,依次類推,直至開裂完成。

裂縫的處理:

①為增加臺(tái)身混凝土抗拉力,將原設(shè)計(jì)間距為15cm的Φl0螺紋鋼改為間距為12cm 的Φ12螺紋鋼,并由綁扎改為點(diǎn)焊聯(lián)結(jié)。

②調(diào)整配合比,改變水泥品種,降低水化熱。根據(jù)試驗(yàn)確定摻入聚丙烯纖維的混凝土配合比為1:

1.63:3.8:0.45。

③澆注時(shí)間盡可能避開高溫時(shí)段,同時(shí)改善混凝土周圍的濕度。

④加強(qiáng)工藝控制,確保計(jì)量、拌和、振搗、養(yǎng)生.拆摸各工序質(zhì)量,安排專人負(fù)責(zé)。

通過落實(shí)以上措施,我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),除1#臺(tái)混凝土內(nèi)未加聚丙烯纖維外其他措施同2#臺(tái)。經(jīng)完工后3個(gè)月的觀察,兩臺(tái)均無裂縫發(fā)生。1#臺(tái)由于未加聚丙烯纖維,混凝土表面出現(xiàn)細(xì)小裂紋。

對(duì)靠船墩裂縫控制的幾點(diǎn)體會(huì),如能從設(shè)計(jì)和施工方面嚴(yán)格做到幾下幾點(diǎn),就可以控制甚至消除裂縫的發(fā)生。

①在靠船墩的拉應(yīng)力區(qū),配置抗拉鋼筋,尤其是在靠近臺(tái)底附近.要根據(jù)實(shí)際增配鋼筋,同時(shí)水平筋與豎向筋應(yīng)點(diǎn)焊成網(wǎng)格。

②選擇合適的時(shí)間段澆注混凝土,以降低混凝土的澆注和凝結(jié)溫度,減小溫差,防止溫縮裂縫。

③合理確定配合比,必須優(yōu)化水泥和水的品質(zhì)、用量,骨料的粒徑、品質(zhì),重視振搗和養(yǎng)生。

4 使用外加劑(減水劑,緩凝劑,引氣劑)也是減少開裂的措施之一

(1)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%,可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形。

(2)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(qiáng)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(bǔ)充。

(3)摻外加劑的混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發(fā),減少干燥收縮。

5 結(jié)語

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象,它的出現(xiàn)不僅會(huì)降低建筑物的抗?jié)B能力,影響建筑物的使用功能,而且會(huì)引起鋼筋的銹蝕,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影響建筑物的承載能力,因此要在施工中采取各種有效的預(yù)防措施來預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展,保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定地工作。

參考文獻(xiàn)

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[3] 清華大學(xué)等合編.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué).北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.