大體積混凝土溫度裂縫成因機(jī)理研究

李俊

摘 要：大體積混凝土由于水化熱引起的溫度應(yīng)力容易產(chǎn)生溫度裂縫，溫度裂縫對(duì)混凝土整體性以及耐久性等影響很大，嚴(yán)重的裂縫直接決定了混凝土能否正常使用。混凝土溫度裂縫一般形成于混凝土早期，研究混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理具有一定實(shí)際意義。論文從大體積混凝土斷裂損壞機(jī)理、應(yīng)力作用下溫度裂縫成因機(jī)理、大體積混凝土溫度裂縫擴(kuò)展規(guī)律三個(gè)層面對(duì)大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入探討。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度裂縫；水化熱；斷裂損壞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.095

1 基本概念

1.1 大體積混凝土概念

何為大體積混凝土，各學(xué)術(shù)界定義尚無統(tǒng)一。日本建筑學(xué)會(huì)是這樣定義的：結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80cm以上，水化熱引起的混凝土內(nèi)的最高溫度與外界氣溫之差，預(yù)計(jì)超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土[1]。

體積的大小不是衡量大體積混凝土的最主要指標(biāo)，主要衡量指標(biāo)是水化熱的多少以及水化熱的散發(fā)難易。大體積混凝土最主要的特征就是容易形成溫度應(yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫。所以，僅僅用混凝土的尺寸大小來定義大體積是不夠科學(xué)的，畢竟大體積混凝土研究意義是采取施工等措施降低溫度收縮裂縫。當(dāng)然，用混凝土構(gòu)件水化熱的最高溫度與環(huán)境溫度之間的溫差來對(duì)大體積混凝土做定義也是不夠準(zhǔn)確的，因?yàn)闇夭町a(chǎn)生溫度應(yīng)力能夠?qū)е聹囟攘芽p還取決于混凝土的外界約束作用?；炷潦芡饨绲募s束很大時(shí)，混凝土的允許溫差就越小，反之就越大。

1.2 裂縫的概念

裂縫指的是固體材料中的某種不連續(xù)的狀態(tài)，學(xué)術(shù)上把它歸為結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度理論領(lǐng)域。大量的混凝土微觀研究以及工程實(shí)踐都表明，裂縫是一種不可避免的材料特征。現(xiàn)在各國規(guī)范對(duì)對(duì)裂縫的控制范圍和要求不盡相同，混凝土構(gòu)建絕對(duì)無裂縫是做不到的。我國規(guī)范對(duì)不同介質(zhì)情況下，不同環(huán)境下的混凝土構(gòu)件裂縫的規(guī)定也是不同的。從這個(gè)角度來說，對(duì)于一定程度的裂縫在我國的規(guī)范設(shè)計(jì)上是允許的。對(duì)于裂縫各國針對(duì)本國的特點(diǎn)要求也不一樣，這表明了混凝土的裂縫是絕對(duì)的，無裂縫則是相對(duì)的。只要把裂縫程度控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，就基本保證了混凝土構(gòu)件的無裂縫狀態(tài)[2]。

2 大體積混凝土斷裂損壞機(jī)理分析

2.1 大體積混凝土水化溫度變化過程

大體積混凝土原材料水泥在水化過程產(chǎn)生大量的水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度激增，引起熱脹效應(yīng)，但是由于受到模板等外界的約束而形成壓應(yīng)力。相反，在混凝土的冷卻中引起混凝土的收縮，就會(huì)導(dǎo)致混凝土表面拉應(yīng)力的出現(xiàn)?；炷恋呐蛎浥c收縮是雖然是兩個(gè)相反的過程，但是混凝土的后期彈性模量大于早期的彈性模量，所以這兩個(gè)過程產(chǎn)生相反效應(yīng)并不會(huì)抵消，這就形成了大體積混凝土的溫度裂縫。

大量的實(shí)驗(yàn)表明，混凝土澆筑完成后溫度變化大致可分為三個(gè)明顯階段，見圖1所示[3]。

如圖1可知，混凝土澆筑完成，溫度有三個(gè)明顯變化階段，A、B、C。熱源期為階段A，此時(shí)混凝土不斷放熱，內(nèi)部溫度不斷增加；到B階段為熱源結(jié)束期，熱量逐漸散去，混凝土內(nèi)部溫度不斷降低；當(dāng)溫度下降到一定程度，基本趨于穩(wěn)定，也就到達(dá)C階段穩(wěn)定期。

2.2 大體積混凝土斷裂損壞

目前，國內(nèi)外這方面的科研人員普遍認(rèn)同：混凝土出現(xiàn)斷裂損壞是因?yàn)榛炷猎跐仓^程、養(yǎng)護(hù)過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)氣孔，混凝土原材料也或多或少存在一定的缺陷，在內(nèi)外部的影響因素下，這些共同的缺陷的聯(lián)合作用勢(shì)必導(dǎo)致混凝土的斷裂損壞。此外，混凝土不同骨料結(jié)合的邊界處是斷裂的薄弱點(diǎn)，在溫度的作用下很容易相互斷開形成表面縫隙，這些縫隙逐漸發(fā)展成微觀裂縫。如果不采取有效措施，在溫度不斷的影響下這些微觀裂縫逐步變大，發(fā)展為宏觀裂縫。如果繼續(xù)下去，由于宏觀裂縫的存在降低了混凝土的抗拉性能，在原來沒有開裂的部位又會(huì)產(chǎn)生新的微觀裂縫，這些下裂縫又形成新的宏觀裂縫[4]。如此下去，最終將導(dǎo)致構(gòu)件的斷裂損壞?？梢赃@樣認(rèn)為，混凝土的開裂就是一個(gè)逐步斷裂損壞的過程，由于缺陷導(dǎo)致混凝土損傷，損傷導(dǎo)致裂縫，裂紋導(dǎo)致斷裂。

混凝土的斷裂損壞原理跟混凝土所受荷載形式關(guān)系不大，不管構(gòu)件是受壓、受拉還是剪扭，引起混凝土的斷裂機(jī)理是類似的。舉例說明下，如果混凝土在拉力作用下則斷裂方向一般與拉應(yīng)力方向垂直；反之，若構(gòu)件為壓應(yīng)力下斷裂方向一般與壓應(yīng)力方向平行；在剪切應(yīng)力或者彎扭應(yīng)力作用下，斷裂方向一般沿著剪切應(yīng)力方向?；炷亮鸭y的出現(xiàn)首先會(huì)在受力最大處，甚至有時(shí)候只會(huì)在受力最大處出現(xiàn)裂紋，因?yàn)槭芰ψ畲筇幍拈_裂可能會(huì)對(duì)相鄰處受力較小處產(chǎn)生卸載作用，從而抑制混凝土的發(fā)展。

混凝土是由水泥與粗細(xì)骨料等組成的膠合物，水泥在水化過程中要產(chǎn)生大量的水化熱，這就必然導(dǎo)致了混凝土在施工、養(yǎng)護(hù)過程中要經(jīng)過升溫和冷卻兩個(gè)過程。水泥石和骨料的膨脹系數(shù)不同，在升溫的過程中不均勻的膨脹勢(shì)必會(huì)在水泥與骨料邊界處產(chǎn)生損傷，在溫度的不斷作用下，這種損傷外在化，表現(xiàn)為裂紋，達(dá)到一定程度后邊界裂紋會(huì)想骨料或者水泥石中擴(kuò)展。在冷卻的過程中，原來的邊界裂縫在冷卻應(yīng)力下繼續(xù)擴(kuò)展，由裂紋或者微觀裂縫變成宏觀裂縫，這就很大程度上造成了混凝土構(gòu)件的斷裂損壞。要知道，這種斷裂損壞事不可逆的，不僅在冷卻過程中原有的裂紋不會(huì)恢復(fù)，甚至?xí)a(chǎn)生新的裂紋。

3 應(yīng)力作用下的溫度裂縫成因機(jī)理分析

大體積混凝土水化過程中產(chǎn)生大量的水化熱是引起其溫度裂縫的主要原因。查閱相關(guān)資料可以得知，石子等骨料的熱膨脹系數(shù)大約為0.70×10-5/℃，而水泥石的熱膨脹系數(shù)約為骨料膨脹系數(shù)的兩倍。正是因?yàn)閮烧叩臒崤蛎浵禂?shù)差別很大，所以在兩者接觸面產(chǎn)生了溫度的作用，這種作用大于兩者的粘結(jié)力時(shí)，便會(huì)把兩者拉開，即產(chǎn)生裂縫。

研究混凝土的溫度作用在骨料、水泥漿間的應(yīng)力作用，不妨假定水泥在外面包裹了石子等骨料?？梢杂闷矫鎽?yīng)力來簡化研究，簡化的模型如圖2。

這里假設(shè)骨料及外圍的水泥漿都為圓形，且骨料的半徑為R，用代表骨料的膨脹系數(shù)，代表骨料的彈性模量。用代水泥石的膨脹系數(shù)，代表水泥石的彈性模量。則在溫度變化的過程中，骨料與水泥石產(chǎn)生應(yīng)力，根據(jù)徑向變形協(xié)調(diào)可以得到： 其中：為水泥石溫度作用下的徑向位移；

為水泥石溫度作用下的界面徑向位移；

為骨料溫度作用下的徑向位移

為骨料溫度作用下的界面徑向位移

用彈性厚壁薄筒熱力學(xué)模型解答可得到：

其中：界面溫度作用的法向應(yīng)力；

為骨料、水泥石的泊松比。

將方程（2）、（3）、（4）、（5）代入方程（1）中可得到：

從方程（6）不難看出，骨料與水泥石界面形成的法向應(yīng)力大小與混凝土的齡期和溫差正相關(guān)，由彈性力學(xué)可以得到下面方程：

其中：為骨料中心到水泥石中任一點(diǎn)的距離。

從以上三個(gè)方程可以得出，骨料與水泥石的界面處應(yīng)力最大。在混凝土放熱時(shí)，骨料中會(huì)形成徑向壓力；在混凝土降溫過程中，水泥石中形成徑向和環(huán)向拉力。骨料與水泥石的交接面處最薄弱，所以在放熱與降溫的過程中形成的拉應(yīng)力大于界面的粘結(jié)力，就這導(dǎo)致界面裂縫的產(chǎn)生[5]。

4 大體積混凝土溫度裂縫擴(kuò)展規(guī)律

4.1 混凝土水化放熱時(shí)裂紋擴(kuò)展規(guī)律

前文已經(jīng)介紹溫度變化引起骨料和水泥石的膨脹不均勻變化，便會(huì)在其交界面形成裂縫。為了研究裂縫在溫度不斷升高的過程中擴(kuò)展規(guī)律，可采用斷裂力學(xué)來對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行分析。簡化的裂縫終端應(yīng)力強(qiáng)度可以用以下方程表示：

其中：

為裂縫尖端處的斜率且

對(duì)于簡化的裂縫，可以得知：

可得到的表達(dá)式：

將方程（12）、（14）代入可得：

根據(jù)輕度因子與能量釋放之間的相互關(guān)系可以得到能量釋放率的表達(dá)式：

裂縫斷裂穩(wěn)定機(jī)理是：

這里的K為裂縫阻力曲線，根據(jù)相關(guān)研究資料K的表達(dá)式為：

其中：為初始縫隙的長度

為斷裂常數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定。

將方程（18）、（19）代入方程（17）進(jìn)行整理得到：

從以上的表達(dá)式可以看出，在水泥水化放熱的過程中會(huì)導(dǎo)致骨料和水泥石界面的開裂，隨著水化放熱溫度不斷升高裂縫不斷發(fā)展，就引起在溫度升高過程中的累計(jì)損傷效應(yīng)。

4.2 混凝土冷卻時(shí)裂紋擴(kuò)展規(guī)律

在混凝土降溫冷卻中也會(huì)在骨料與水泥石界面產(chǎn)生最大的拉力作用，此時(shí)的最大壓應(yīng)力表達(dá)式為：

根據(jù)簡化的模型圖，可得到裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度表達(dá)式：

應(yīng)力強(qiáng)度與應(yīng)變能釋放關(guān)系可以得到能量釋放率的表達(dá)式：

裂縫斷裂穩(wěn)定機(jī)理是：

為實(shí)驗(yàn)得到的阻力曲線，水泥石裂縫阻力曲線表達(dá)式為：

其中：為開始的微觀裂紋長度

為斷裂常數(shù)

將方程（23）、（25）代入方程（24）進(jìn)行整理得到：

以上的表達(dá)式可以看出，水泥水化熱是導(dǎo)致骨料和水泥石界面的根本原因，裂縫的大小與溫度成正比。

5 結(jié)論

大體積混凝土溫度裂縫的形成和擴(kuò)展受溫差和混凝土的齡期制約；在水泥水化放熱的過程中會(huì)導(dǎo)致骨料和水泥石界面的開裂，隨著水化放熱溫度不斷升高裂縫不斷發(fā)展，就引起在溫度升高過程中的累計(jì)損傷效應(yīng)；大體積混凝土水化熱導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，在升溫的過程中裂縫不斷的出現(xiàn)與擴(kuò)大，這就必然會(huì)引起大體積混凝土構(gòu)件的損傷，當(dāng)損傷達(dá)到一定程度后裂縫的寬度不斷變大，由微觀變?yōu)楹暧^，將造成構(gòu)件的失穩(wěn)擴(kuò)展。

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