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        關(guān)于混凝土的施工溫度與裂縫控制

        2011-12-20 03:49:24李掇
        城市建設(shè)理論研究 2011年23期
        關(guān)鍵詞:控制混凝土

        李掇

        摘 要 經(jīng)過(guò)多年現(xiàn)場(chǎng)施工觀察,結(jié)合有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的知識(shí),對(duì)混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行等進(jìn)行闡述。

        關(guān)鍵詞 混凝土 溫度應(yīng)力 裂縫 控制

        混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂縫較為普遍,盡管在施工中采取各種措施,但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)。究其原因,我們對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。

        在大體積混凝土中,溫度應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次,在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)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,因此為確保結(jié)構(gòu)砼具有耐久性、經(jīng)濟(jì)性、足夠的強(qiáng)度以及滿足施工的和易性,應(yīng)針對(duì)不同使用要求的砼采取相應(yīng)技術(shù)措施,配制滿足特定性能要求的高標(biāo)號(hào)和高性能砼。

        1 裂縫的原因

        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(如堿骨料反應(yīng)),模板變形,基礎(chǔ)不均勻沉降等。

        混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過(guò)程中,由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束,又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí),即會(huì)出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)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(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也往往導(dǎo)致裂縫。混凝土是一種脆性材料,抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右,短期加荷時(shí)的極限拉伸變形只有(0.6~1.0)×104, 長(zhǎng)期加荷時(shí)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(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的離析現(xiàn)象,在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)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(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān),混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度,往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力可超過(guò)其它外荷載所引起的應(yīng)力,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

        根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下三個(gè)階段:

        (1)早期:自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束,一般約30天。這個(gè)階段的兩個(gè)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(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

        (2)中期:自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止,這個(gè)時(shí)期中,溫度應(yīng)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(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)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(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。

        根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類:

        (1)自生應(yīng)力:邊界上沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu),如果內(nèi)部溫度是非線性分布的,由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如,橋梁墩身,結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大,混凝土冷卻時(shí)表面溫度低,內(nèi)部溫度高,在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力,在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

        (2)約束應(yīng)力:結(jié)構(gòu)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(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。

        這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

        要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下,需要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算?;炷恋男熳兪箿囟葢?yīng)力有相當(dāng)大的松馳,計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí),必須考慮徐變的影響,具體計(jì)算這里就不再細(xì)述。

        3 溫度的控制和防止裂縫的措施

        (1) 防止碳化措施

        使用對(duì)防止碳化較有利的硅酸鹽水泥;使用減水劑,改善砼的施工特性,制取密實(shí)的砼;使用密實(shí)透氣性小的骨料;采用水灰比小、單位水泥用量大的砼配合比;加強(qiáng)砼的養(yǎng)護(hù)、砼振搗密實(shí)、避免出現(xiàn)裂縫、蜂窩、氣孔等,保證鋼筋的保護(hù)層厚度;用水泥砂漿進(jìn)行砼表面處理,防止砼的碳化。

        (2) 砼配合比設(shè)計(jì)原則

        選用較普通砼略低的水灰比,以提高砼的體積穩(wěn)定性,提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。

        選用適中的漿骨比,兼顧砼拌和物的可泵性及降低砼的收縮徐變,提高砼彈性模量及抗裂能力。

        適當(dāng)提高砂率,以確保砼的可泵性及填充性,同時(shí)也兼顧大體積砼要求的低收縮徐變的體積穩(wěn)定性及高彈性模量。

        (3) 原材料的選用原則

        1) 水泥及摻和料

        為減少水泥用量,實(shí)現(xiàn)砼低收縮徐變的體積穩(wěn)定性,降低砼拌和物凝結(jié)水化熱。選用質(zhì)量穩(wěn)定、含堿量低、強(qiáng)度富余系數(shù)大的普通硅酸鹽水泥。

        2) 細(xì)骨料

        為減少拌和物用水量,降低水灰比,增強(qiáng)砼的體積穩(wěn)定性,選用機(jī)制粗砂與細(xì)度模數(shù)滿足配合比要求的河砂混合配制成細(xì)骨料,進(jìn)一步提高細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)及改善級(jí)配,從而增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力砼的體積穩(wěn)定性。

        3) 粗骨料

        針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)采石工藝及破碎工藝相對(duì)落后的現(xiàn)狀,生產(chǎn)的碎石料形不良,特別是級(jí)配差,10mm以下顆粒少。為改善粗骨料級(jí)配,減少填充骨料間空隙漿體量,從而減少水泥用量,進(jìn)而減少砼的收縮并有利于防裂。本工程粗骨料均選用粒形及級(jí)配良好的碎石,必要時(shí)可采用雙級(jí)配粗骨料,即(質(zhì)量比)30%的5-10mm級(jí)配與70%的10-20mm級(jí)配的雙級(jí)配碎石,或30%的5-16mm級(jí)配與70%的10-25mm(31.5mm)的雙級(jí)配碎石。

        4) 外加劑

        為降低水灰比,改善水泥水化條件和提高砼的體積穩(wěn)定性及抗?jié)B耐久性,實(shí)現(xiàn)砼拌和物具有較好流動(dòng)性并能延長(zhǎng)流動(dòng)性損失時(shí)間的可泵性,本工程混凝土應(yīng)摻入減水劑、緩凝劑、流變劑及引氣劑等復(fù)合而成的高效流化泵送劑,另?yè)郊游⑴蛎泟┮黄鸸餐纬伞半p摻”技術(shù),從而達(dá)到減少砼收縮,避免開(kāi)裂等質(zhì)量缺陷現(xiàn)象。

        (4) 砼的攪拌

        砂、石骨料含水量對(duì)高性能砼的性能有明顯影響,故工程施工中,應(yīng)根據(jù)天氣變化及時(shí)測(cè)定砂、石含水率,作為對(duì)當(dāng)班澆筑砼施工配合比加水量調(diào)整的依據(jù)。

        高性能砼用水量小、粘性大、不易拌合均勻,應(yīng)比普通砼延長(zhǎng)攪拌時(shí)間1-1.5分鐘。

        (5) 砼的輸送

        高性能砼雖然具有較好的可泵性,但拌合物流動(dòng)性損失較快,容易變稠,造成泵送困難,故在泵送施工時(shí)也要根據(jù)輸送距離,粗骨料粒徑選用性能合適的砼輸送泵及正確安裝輸送泵管。

        (6) 砼的澆筑

        因高性能砼流動(dòng)性較好,側(cè)壓力較大,故對(duì)模板及支撐系統(tǒng)必須認(rèn)真進(jìn)行力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)和精心施工。

        因高性能砼用水量小、粘性大、空氣不易排出,故仍應(yīng)加強(qiáng)振搗,并應(yīng)加強(qiáng)砼表面抹壓,防止表面砼形成硬殼開(kāi)裂。

        4 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

        實(shí)踐證明,混凝土常見(jiàn)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(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。

        從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā),保溫應(yīng)達(dá)到下述要求:

        1)防止混凝土內(nèi)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(yīng)該盡量設(shè)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(guò)冷,以減少新老混凝土間的約束。

        混凝土的早期養(yǎng)護(hù),主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達(dá)到兩個(gè)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(jìn)行,以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。

        適宜的溫濕度條件是相互關(guān)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。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期,在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來(lái)。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)踐上的初步探討,雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論,但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見(jiàn)還是比較統(tǒng)一,同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)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(wèn)題后多分析、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防處理措施,混凝土的裂縫是完全可以避免的。

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