張斌程向紅
1石家莊建工集團有限公司(050000)2石家莊萬成民用建筑設計有限公司(050000)
設計與施工
淺談混凝土溫度應力裂縫防治
張斌1程向紅2
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這里對混凝土溫度裂縫產生的原因、現場混凝土溫度的控制和預防裂縫的措施等進行闡述。
混凝土;溫度應力;裂縫控制
混凝土在現代工程建設中占有重要地位。盡管施工中采取各種措施,小心謹慎,但裂縫仍然時有出現。
混凝土產生裂縫有多種原因,主要原因是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,結構不合理,原材料不合格(如堿骨料反應),模板變形,基礎不均勻沉降。
混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或老混凝土的約束,又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時,即會出現裂縫。混凝土的內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。如果養(yǎng)護不周、時干時濕,表面干縮形變受到內部混凝土的約束,也往往導致裂縫?;炷潦且环N脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,短期加荷時的極限拉伸變形只有(0.6~1.0)×104,長期加荷時的極限拉伸變形也只有(1.2~2.0)×104。由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,運輸和澆筑過程中出現離析現象,在同一塊混凝土中抗拉強度不均勻,存在著許多抗拉能力很低,因此,容易出現裂縫。在鋼筋混凝土中,拉應力主要是由鋼筋承擔,混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝土的邊緣部位,如果結構內出現了拉應力,則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求混凝土不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到正常溫度,往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過外荷載所引起的應力。因此,掌握溫度應力的變化規(guī)律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。
溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:
1)早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約30d。這個階段有兩個特征,一是水泥放出大量的水化熱,二是混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內形成殘余應力。
2)中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止。這個時期中,溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化引起,并與早期形成的殘余應力相疊加。在此期間混凝土的彈性模量變化不大。
3)晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化引起,這些應力與前兩種的殘余應力相疊加。
溫度應力引起的原因可分為兩類:
1)自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內部溫度是非線性分布的,由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如,橋墩結構尺寸相對較大,混凝土冷卻時表面溫度低,內部溫度高,在橋墩表面出現拉應力,在中間出現壓應力。
2)約束應力:結構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力。例如,箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。
這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮引起的應力共同作用。要想根據已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作,在大多數情況下,需要依靠模型試驗或數值計算。計算溫度應力時,必須考慮徐變的影響。
為了防止裂縫,減輕溫度應力,可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。
控制溫度的措施如下:
1)采用改善骨料級配、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)拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻,以降低混凝土的澆筑溫度。
3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱。
4)在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫。
5)規(guī)定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。
為保證混凝土工程質量,防止混凝土裂縫,提高混凝土的耐久性,正確使用外加劑也是減少混凝土裂縫的措施之一。
實踐證明,混凝土常見的裂縫,大多數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,混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。
從溫度應力觀點出發(fā),保溫應達到下述要求:1)防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫。2)防止混凝土過冷,盡量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)防止老混凝土過冷,以減少新老混凝土間的約束。