楊玉光,魏鳴冬
(遼寧省觀音閣水庫管理局,遼寧117100)
混凝土是由水泥、摻合料、外加劑與水按一定比例配制而成的膠結(jié)漿體將分散的砂、石子經(jīng)攪拌而黏結(jié)在一起的氣硬性膠凝材料。其最顯著的特點是具有較高的抗壓強度和極限壓縮變形值,而抗拉強度和極限拉伸值卻相當?shù)?,抗拉強度只有抗壓強度?/8~1/20,28 d齡期的C20混凝土極限拉伸值≤1.0×10-4(大壩混凝土干縮變形一般在3.0×10-4左右)?;炷翉姸鹊燃壴礁?,其比值越小,抵抗變形的能力越差,越容易開裂產(chǎn)生裂縫。
混凝土重力壩是以混凝土作為主要材料修筑的大體積擋水建筑物。其在水壓力及其他荷載作用下,依靠壩體自重滿足穩(wěn)定和強度要求。
1.3.1 定義
混凝土裂縫是指混凝土在溫度和濕度變化的條件下,硬化并產(chǎn)生體積變形,由于各種材料變形不一致,互相約束而產(chǎn)生初始應(yīng)力,造成在骨料與水泥石黏結(jié)面或水泥石本身之間出現(xiàn)肉眼看不見的微觀裂縫。
在荷載作用下或進一步產(chǎn)生溫差、干縮的情況下,微觀裂縫開始發(fā)展,并逐漸互相串通,從而出現(xiàn)較大的、連貫的、肉眼可以看見的宏觀裂縫。
裂縫是大體積混凝土建筑物普遍存在的現(xiàn)象,尤其是高混凝土用量的重力壩。所謂大體積混凝土[1],美國混凝土協(xié)會給出的定義是:體積大、表面系數(shù)比較小、水泥水化熱釋放比較集中、內(nèi)部溫升比較快,混凝土內(nèi)外溫差比較大時,會產(chǎn)生溫度裂縫,影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用[2]。
水工混凝土多半是大體積素混凝土和少筋混凝土,所以要想避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,需要在設(shè)計、施工等方面采取積極、可靠地技術(shù)措施,不是輕而易舉能夠做到的。
1.3.2 裂縫分類
大壩裂縫按產(chǎn)生原因分類,可分為荷載裂縫和變形裂縫。荷載裂縫是指因動、靜荷載的直接作用引起的裂縫,如結(jié)構(gòu)超載。變形裂縫是指因不均勻沉降、溫度變化、濕度變異、膨脹、收縮、徐變等變形因素引起的裂縫,包括溫度裂縫、干縮裂縫、超載裂縫、堿—骨料反應(yīng)裂縫、地基不均勻沉陷裂縫等[3]。
水電工程一般將裂縫分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫3種,示意如圖1。
圖1 混凝土壩溫度裂縫分類示意圖
1.3.2.1 表面裂縫
混凝土硬化過程中,水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱,當水泥用量在350~550 kg/m3,混凝土將釋放出17 500~27 500 kJ/m3的熱量,從而使混凝土內(nèi)部溫度升達70℃左右,甚至更高。
由于混凝土的體積較大,大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部不易散發(fā),導致內(nèi)部溫度急劇上升,而混凝土表面散熱較快,這樣就形成內(nèi)外的較大溫差。較大的溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同,使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度極限時,混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。
1.3.2.2 深層裂縫
深層裂縫的表面縫寬0.2~0.4 mm,深1~5 m,2 m<長度<1/3壩塊寬度或貫穿2~3個澆筑層(層厚<3 m)。此類縫多由表面縫逐漸擴展而成。
1.3.2.3 貫穿裂縫
貫穿縫指貫穿全倉的水平、鉛直縫或壩塊縫深大于兩個澆注塊,或側(cè)面縫長>8~10 m或1/3壩塊寬度的裂縫。
其中以基礎(chǔ)混凝土貫穿縫最為嚴重,它破壞大壩的整體性,如不處理將改變大壩運用期的應(yīng)力狀況。
混凝土攪拌后是一種不定型的可塑性材料,其中水泥是混凝土增強的主要膠結(jié)材料。水泥的化學收縮與水泥的組分、標號、細度、用量及施工工藝有關(guān)。一般來說,水泥的強度越高、細度愈大、用量愈多,混凝土的收縮率也就隨之增加。混凝土在經(jīng)過收縮階段后,總的收縮率應(yīng)控制在0.05%左右?;炷潦湛s是其固有的物理特性,也是混凝土出現(xiàn)裂縫的根本原因之一[4]。
在荷載作用下,因結(jié)構(gòu)的強度、剛度或穩(wěn)定性不夠而出現(xiàn)的裂縫稱為荷載裂縫。這類裂縫主要是由于混凝土早期抗拉強度和彈性模量低,在自重、水壓、揚壓力、泥沙壓力、地震壓力、動水壓力、冰壓力等外部荷載的綜合作用下,由于截面的混凝土拉應(yīng)變超過了混凝土極限拉伸值,導致結(jié)構(gòu)變形,在抗拉能力最薄弱處產(chǎn)生裂縫。
2.2.1 溫度裂縫
水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量,而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚、表面系數(shù)相對較小的特性決定了水化產(chǎn)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失?;炷羶?nèi)部的水化熱無法及時散發(fā)出去,越積越高,使內(nèi)外溫差增大,形成了溫度應(yīng)力。
關(guān)于“溫度應(yīng)力”,同濟大學結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所李遇春教授這樣認為:“當彈性體(即混凝土結(jié)構(gòu))的溫度改變時,它的每一部分都將由于溫度的升高或降低而趨于膨脹或收縮。但是,由于彈性體受到外在約束以及彈性體自身各個部分之間的相互約束,使彈性體的膨脹或收縮不能自由地發(fā)生,于是就產(chǎn)生了應(yīng)力。這種由于溫度改變所產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為溫度應(yīng)力”。溫度應(yīng)力大小與溫差有關(guān),直接影響到混凝土的開裂及裂縫的寬度。隨著溫度的變化混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,當變形受到約束時,便產(chǎn)生了裂縫,約束的程度越大,裂縫就越寬。溫度應(yīng)力及裂縫見圖2和圖3。
圖2 基礎(chǔ)溫差應(yīng)力及裂縫示意圖
圖3 混凝土澆筑塊自身約束的溫度應(yīng)力
2.2.2 塑性收縮裂縫
塑性裂縫多在新澆筑的混凝土構(gòu)件暴露于空氣中的上表面出現(xiàn),譬如重力壩施工時的中間澆筑層面。受高溫或較大風力的影響,新澆混凝土表面水分蒸發(fā)速度大于混凝土內(nèi)部從上而下的泌水速度,表面失水過快,造成毛細管中產(chǎn)生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮,而混凝土內(nèi)部因濕度變化較小,變形也較小,較大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束,便產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力,而此時混凝土的強度無法抵抗其本身收縮,因此形成表面裂縫。
2.2.3 干燥收縮裂縫
濕脹干縮是水泥混凝土的固有特性,混凝土中約20%的水分是水泥硬化所必須的,而約80%的水分要蒸發(fā)?;炷林幸徊糠炙嬖谟诳紫吨?,一部分水存在于水泥水化產(chǎn)物 CSH凝膠體中?;炷劣不螅瑑?nèi)部游離水會由表及里逐漸蒸發(fā),首先較大孔徑的毛細孔隙中的水蒸發(fā)失去,較小孔徑毛細孔隙和凝膠體內(nèi)吸附水以及膠體層間孔隙水相繼減少,固化的水泥漿體體積因失水而變化,引起明顯的收縮,導致混凝土產(chǎn)生干燥收縮裂縫。
混凝土重力壩產(chǎn)生裂縫的因素多種多樣,仁者見仁智者見智。成因分析只是一種過程,目的是據(jù)此采取可靠的手段最大限度地避免和減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。
數(shù)據(jù)顯示:為了防止裂縫而增加的投資,約為造價的3%左右,為處理裂縫所花的費用約為5%~10%,而且修補裂縫的施工方法和工藝措施很復(fù)雜。除此之外,為修補裂縫可能推遲投入運行時間,往往造成更大的損失。因此控制裂縫應(yīng)該堅持“防裂于未然”為主,處理為輔的原則,采取主動控制,避免事后修補加固。
[1]李躍.大體積混凝土的溫控和防裂技術(shù)研究[D].武漢:武漢理工大學,2004.
[2]曹可之.大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的綜合措施[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(08):30-32.
[3]王懷智,馬震岳,王剛.混凝土重力壩壩體裂縫摩擦系數(shù)影響研究[J].大壩與安全,2010(03):10-13.
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