基于斷裂力學(xué)的大體積混凝土施工階段裂紋研究

林海燕

(中冶建工集團有限公司勘察設(shè)計研究院)

0 引言

大體積混凝土的厚度大于或等于1.5 m，長、寬較大，施工時水化熱引起混凝土內(nèi)的最高溫度與外界溫度之差不低于25℃，其整體性要求較高，通常不允許留施工縫。一般多為建筑物、構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，如水利水電工程、港工建筑物、重型機械基礎(chǔ)等。大體積結(jié)構(gòu)對整體性要求較高。因此，必須保證混凝土攪拌、運輸、澆筑、振搗各工序協(xié)調(diào)配合。實踐表明，大體積混凝土所產(chǎn)生的裂縫，絕大多數(shù)都是表面裂縫，但其中有一部分后來會發(fā)展為深層或貫穿性裂縫，影響結(jié)構(gòu)的整體件和耐久性，危害很大。常見的大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型如圖1。

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，通常要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力(如重力壩的設(shè)計)或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，對于自重、水壓力等外荷載，一般并不困難。但在施工過程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)往往會由于周圍溫度的變化而產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，并且初期混凝土強度低，一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，則裂紋尖端將出現(xiàn)巨大的應(yīng)力集中，即出現(xiàn)應(yīng)力的奇異性。帶裂紋結(jié)構(gòu)的強度將遠遠低于相應(yīng)無裂紋結(jié)構(gòu)的強度。作為承重結(jié)構(gòu)，大體積混凝土施工期間減少微裂紋的出現(xiàn)，將極大提高結(jié)構(gòu)的強度。

圖1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型示意圖

1 大體積混凝土微裂紋控制

1.1 大體積混凝土微裂紋擴展

混凝土中微裂紋主要分為三種:第一種是砂漿與石子粘結(jié)面上的裂紋，為主要的微裂紋形式，在混凝土受荷之前即已存在，并隨著荷載的增大而擴展，使應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系偏離直線。荷載繼續(xù)增加，相繼出現(xiàn)第二種、第三種裂紋，即穿越砂漿的微裂紋及為數(shù)極少的穿越骨料的微裂紋?；炷猎嚰虞d過程中，內(nèi)部裂紋的發(fā)展可分為四個階段，如圖2所示。第一階段:原始粘結(jié)裂縫逐漸擴大;第二階段:新的粘結(jié)裂縫逐漸出現(xiàn)，并產(chǎn)生少量穿越砂漿的裂縫;第三階段:穿越砂漿裂縫較快發(fā)展，并出現(xiàn)局部穿越骨料的裂縫;第四階段:各種裂縫迅速發(fā)展并逐漸貫通。

1.2 大體積混凝土的斷裂韌度

大體積混凝土施工階段的裂紋多由拉應(yīng)力產(chǎn)生，屬于裂紋擴展類型中的第一種——張開型。坐標(biāo)系如圖3所示，根據(jù)彈性力學(xué)分析，裂紋尖端附近的應(yīng)力分量和位移分量可表示為

圖2 混凝土內(nèi)部裂縫

圖3 坐標(biāo)系

其中:(γ，θ)為以裂紋頂點為原點的極坐標(biāo);K1為Ⅰ型應(yīng)力強度因子;σ為斷裂應(yīng)力;a為裂紋長度一半;E為彈性模量;μ為泊松比。

裂紋尖端的擴展與應(yīng)力強度因子K1是否達到臨界值KIc有關(guān)，裂紋擴展的臨界條件可寫為K1=KIc。當(dāng)KI達到KIc時，裂紋將擴展;而當(dāng)KI＜KIc時，裂紋不擴展。KIc是通過材料試驗測定的，表征材料對裂紋擴展的抗力，稱為斷裂韌度。經(jīng)過大量試驗統(tǒng)計分析，于曉中等建議用下式估算混凝土的斷裂韌度

其中，對于大體積混凝土取k=1.9，混凝土劈裂抗拉強度Rt的量綱為MPa。即

由上可知裂紋尖端應(yīng)力值σ與混凝土劈裂抗拉強度Rt的關(guān)系

有

2 施工期微裂紋發(fā)展規(guī)律

2.1 溫度控制因素

混凝土的澆筑溫度和水化熱升溫是控制大體積混凝土微裂紋發(fā)展的主要因素。從溫度控制觀點來看主要涉及三個特征溫度:(1)混凝土澆筑溫度TP，混凝土建筑物的起始溫度;(2)混凝土最高溫度TP+Tr，等于澆筑溫度TP加水化熱升溫Tr;(3)最終溫度Tf。

混凝土強度是通過水泥不斷水化體現(xiàn)的，水泥水化越充分整個混凝土結(jié)構(gòu)強度越接近于設(shè)計強度值。然而，水泥水化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，過高的溫度不利于混凝土強度發(fā)展。大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面尺寸比較大，內(nèi)部水化熱不易散失，與表面環(huán)境溫度形成較大溫差，抑制混凝土強度的發(fā)展。因此，TP+Tr與外界溫度T0之差△T是控制施工期裂紋發(fā)展的關(guān)鍵，為了防止溫差過大需采取保溫隔熱措施。

保溫隔熱措施可以有效的降低△T，阻止裂紋的發(fā)生。下面以寒潮期間混凝土壩體為例，說明表面保溫λ/β對混凝土表面降溫幅度的影響:

按無限大平板計算，厚度為2R。寒潮期間氣溫變化近似用折線表示

溫度場的初始條件和邊界條件為

滿足這些條件和熱傳導(dǎo)方程的解為

在表面上溫度最低、應(yīng)力最大，在上式中令x=R，得表面溫度

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù);a為導(dǎo)溫系數(shù);μn為特征方cotμn-(λ/βR)μn=0的根;β為表面放熱系數(shù)。

由式(10)算的溫度見圖4?？梢钥闯霰砻姹卅?β對混凝土表面降溫幅度的影響十分顯著。

表面保溫系數(shù)λ/β可以有效降低混凝土表面降溫幅度。λ/β越大，降溫效果越明顯;對于相同的保溫系數(shù)λ/β，隨著養(yǎng)護時間的增長，混凝土表面降溫幅度增大。因此，澆筑大體積混凝土早期必須加強保溫措施，使內(nèi)外溫差均衡下降。

圖4 寒潮期間混凝土表面最低溫度

2.2 裂紋尖端應(yīng)力值折減

混凝土養(yǎng)護齡期內(nèi)，實際的混凝土劈裂抗拉強度R't遠比設(shè)計抗拉強度Rt低;根據(jù)公式(5)知，實際的斷裂韌度K'Ic也較小。

由公式(6)可得

由上式知，混凝土劈裂抗拉強度Rt與裂紋尖端應(yīng)力值σ成正比。施工階段由于混凝土內(nèi)外溫差，減緩了混凝土劈裂抗拉強度Rt的增長，則裂紋尖端應(yīng)力值σ也較小，出現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)力值的折減。

3 結(jié)論

大體積混凝土施工階段裂紋分析可得如下結(jié)論。

(1)提出了加載大體積混凝土裂紋發(fā)展四階段;

(2)施工階段大體積混凝土裂紋尖端臨界應(yīng)力強度因子KIc較小，實際施工中容易達到，提供了微裂紋生成的外部條件;

(3)采取保溫措施可以有效降低混凝土表面降溫幅度，抑制內(nèi)部微裂紋的生成。

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