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【摘 要】混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料。由于混凝土施工、本身变形和约束等一系列问题,使混凝土裂缝成了土木、水利、桥梁、隧道等工程中最常见的工程病害。在工程施工过程中,如何有效控制混凝土裂缝是技术人员必须面对的问题。
【关键词】混凝土 温度应力 裂缝 控制
【中途分类号】G64 【文献标识码】A【文章编号】1673-8209(2009)11-0-02
这个题目是跟本人工作紧密相关,船闸及附属设施是座体量大的水工建筑物,建设过程中难免遇到题目中谈到的内容。结合工作经验写出下面文字,和大家作一交流。
1 产生裂缝的原因
水工建筑物产生裂缝主要有以下几种:
(1)大体积混凝土水化时产生的大量水化热得不到散发,导致混凝土内外温差较大,使混凝土的形变超过极限引起裂缝。
(2)当有约束时,混凝土热胀冷缩所产生的体积胀缩,因为受约束力的限制,在内部产生了温度应力,由于混凝土抗拉强度低,容易被温度引起的拉应力拉裂,从而产生温度裂缝。
(3)当钢筋混凝土处于不利环境中,例如:侵蚀性水,由于混凝土保护层厚度有限,特别是当混凝土密实性不良,环境中的氯离子等和溶于水中的氧会使混凝土中的钢筋生锈,生成氧化铁,氧化铁的体积比原来金属的体积大的多,铁锈体积膨胀,对周围混凝土挤压,使混凝土胀裂。
从形成原因可以将混凝土裂缝分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂缝主要是由于荷载原因引起的,一般可通过采用预应力和其他构造措施控制。但现在混凝土结构中,混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格,模板变形,基础不均匀沉降等,我们将这些裂缝称为非结构裂缝。因此,掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
2 温度应力的分析
(1)前期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般30天。这一时期在混凝土内形成残余应力。
(2)中期:自水泥放热基本结束至混凝土冷却到稳定温度时止。由于混凝土的冷却及外界气温的变化引起温度应力,这一应力与早期的残余应力叠加,混凝土弹性模量变化不大。均匀降温冷却时,受到基础或老混凝土的限制,又会在混凝土内部产生拉应力。
(3)后期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。进一步加速裂缝的开展,直至应力平衡。当温度应力大于混凝土的抗拉强度和变形能力时,混凝土就会产生温度应力裂缝。
3 温度的控制和防止裂缝的措施
(1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。
(2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度。
(3)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温。
(4)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。
(5)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施。
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖轻型保温材料,如泡沫海棉等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
举个建靠船墩例子。靠船墩由墩身主体和人行桥板梁两部分构成。从施工时间(见表1)
显示下部施工周期过长,同时承台施工时气温较低,昼夜温差为9℃。但是由于承台置于水面以下,周边环境对混凝土的水化热能起到良好的降低作用,因此承台未发生裂缝现象。但由于板梁过长(20.64m×10)施工周期长,加之在这段时问昼夜温差较大。由于混凝土收缩和温度的变化,导致混凝土台身体积变形。而此时承台的混凝土已完全成型,混凝土的强度已基本达到设计要求,它的稳定势必对混凝土墙身的变形形成约束,并超出了混凝土本身的抗拉强度,从而产生裂缝。根据该靠船墩的施工周期说明由于承台同桩基的作用,使这部分约束力增大,故裂缝产生的就多。同时承台和基础混凝土浇注在前,这类构件置于天然地基和桩基之上,变形较为自如。实践表明,台身和基础产生了一个收缩差,加速了裂缝的发展。有关资料表明,温度应力不仅与结构物的长度有关,还与结构物的约束条件,环境气温变化以及施工等条件有关,各因素对裂缝的影响程度可用下列温度收缩应力公式表示:
δmax=-EαT[1—1/CH (β*L/2)]H1 ,
式中:
E-水泥混凝土的弹性模量
T-约束体与被约束体的温差
β=(CX/HE)
L-结构物长度
H-结构物的高度
α-钢筋混凝土的线膨胀系数
H1-一混凝土由于蠕变带来的应力松弛系数(一般缓慢降温为0.3,正常降温为0.5,急剧降温为0.8)
δmax-结构中部的最大水平应力 cx-约束系数,配筋混凝土为(100～150)×0.01 (N/M3)
CH-双曲线余弦函数
从上式可以看出长大混凝土构件由温度产生的最大水平拉应力集中在结构的中部,从中部首先开裂,形成两个块体,各块体中应力重新分布后,再形成第2次开裂,依次类推,直至开裂完成。
裂缝的处理:
①为增加台身混凝土抗拉力,将原设计间距为15cm的Φl0螺纹钢改为间距为12cm 的Φ12螺纹钢,并由绑扎改为点焊联结。
②调整配合比,改变水泥品种,降低水化热。根据试验确定掺入聚丙烯纤维的混凝土配合比为1:
1.63:3.8:0.45。
③浇注时间尽可能避开高温时段,同时改善混凝土周围的湿度。
④加强工艺控制,确保计量、拌和、振捣、养生.拆摸各工序质量,安排专人负责。
通过落实以上措施,我们进行了对比试验,除1#台混凝土内未加聚丙烯纤维外其他措施同2#台。经完工后3个月的观察,两台均无裂缝发生。1#台由于未加聚丙烯纤维,混凝土表面出现细小裂纹。
对靠船墩裂缝控制的几点体会,如能从设计和施工方面严格做到几下几点,就可以控制甚至消除裂缝的发生。
①在靠船墩的拉应力区,配置抗拉钢筋,尤其是在靠近台底附近.要根据实际增配钢筋,同时水平筋与竖向筋应点焊成网格。
②选择合适的时间段浇注混凝土,以降低混凝土的浇注和凝结温度,减小温差,防止温缩裂缝。
③合理确定配合比,必须优化水泥和水的品质、用量,骨料的粒径、品质,重视振捣和养生。
4 使用外加剂(减水剂,缓凝剂,引气剂)也是减少开裂的措施之一
(1)水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%,可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形。
(2)水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。
(3)掺外加剂的混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。
5 结语
裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此要在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。
参考文献
[1] 冯乃谦著.高性能混凝土.北京:中国建筑工业出版社,1996.
[2] 李亚杰主编.建筑材料.北京:中国水利水电出版社,2002.
[3] 清华大学等合编.水工钢筋混凝土结构学.北京:中国水利水电出版社,2002.
【关键词】混凝土 温度应力 裂缝 控制
【中途分类号】G64 【文献标识码】A【文章编号】1673-8209(2009)11-0-02
这个题目是跟本人工作紧密相关,船闸及附属设施是座体量大的水工建筑物,建设过程中难免遇到题目中谈到的内容。结合工作经验写出下面文字,和大家作一交流。
1 产生裂缝的原因
水工建筑物产生裂缝主要有以下几种:
(1)大体积混凝土水化时产生的大量水化热得不到散发,导致混凝土内外温差较大,使混凝土的形变超过极限引起裂缝。
(2)当有约束时,混凝土热胀冷缩所产生的体积胀缩,因为受约束力的限制,在内部产生了温度应力,由于混凝土抗拉强度低,容易被温度引起的拉应力拉裂,从而产生温度裂缝。
(3)当钢筋混凝土处于不利环境中,例如:侵蚀性水,由于混凝土保护层厚度有限,特别是当混凝土密实性不良,环境中的氯离子等和溶于水中的氧会使混凝土中的钢筋生锈,生成氧化铁,氧化铁的体积比原来金属的体积大的多,铁锈体积膨胀,对周围混凝土挤压,使混凝土胀裂。
从形成原因可以将混凝土裂缝分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂缝主要是由于荷载原因引起的,一般可通过采用预应力和其他构造措施控制。但现在混凝土结构中,混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格,模板变形,基础不均匀沉降等,我们将这些裂缝称为非结构裂缝。因此,掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
2 温度应力的分析
(1)前期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般30天。这一时期在混凝土内形成残余应力。
(2)中期:自水泥放热基本结束至混凝土冷却到稳定温度时止。由于混凝土的冷却及外界气温的变化引起温度应力,这一应力与早期的残余应力叠加,混凝土弹性模量变化不大。均匀降温冷却时,受到基础或老混凝土的限制,又会在混凝土内部产生拉应力。
(3)后期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。进一步加速裂缝的开展,直至应力平衡。当温度应力大于混凝土的抗拉强度和变形能力时,混凝土就会产生温度应力裂缝。
3 温度的控制和防止裂缝的措施
(1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。
(2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度。
(3)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温。
(4)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。
(5)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施。
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖轻型保温材料,如泡沫海棉等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
举个建靠船墩例子。靠船墩由墩身主体和人行桥板梁两部分构成。从施工时间(见表1)
显示下部施工周期过长,同时承台施工时气温较低,昼夜温差为9℃。但是由于承台置于水面以下,周边环境对混凝土的水化热能起到良好的降低作用,因此承台未发生裂缝现象。但由于板梁过长(20.64m×10)施工周期长,加之在这段时问昼夜温差较大。由于混凝土收缩和温度的变化,导致混凝土台身体积变形。而此时承台的混凝土已完全成型,混凝土的强度已基本达到设计要求,它的稳定势必对混凝土墙身的变形形成约束,并超出了混凝土本身的抗拉强度,从而产生裂缝。根据该靠船墩的施工周期说明由于承台同桩基的作用,使这部分约束力增大,故裂缝产生的就多。同时承台和基础混凝土浇注在前,这类构件置于天然地基和桩基之上,变形较为自如。实践表明,台身和基础产生了一个收缩差,加速了裂缝的发展。有关资料表明,温度应力不仅与结构物的长度有关,还与结构物的约束条件,环境气温变化以及施工等条件有关,各因素对裂缝的影响程度可用下列温度收缩应力公式表示:
δmax=-EαT[1—1/CH (β*L/2)]H1 ,
式中:
E-水泥混凝土的弹性模量
T-约束体与被约束体的温差
β=(CX/HE)
L-结构物长度
H-结构物的高度
α-钢筋混凝土的线膨胀系数
H1-一混凝土由于蠕变带来的应力松弛系数(一般缓慢降温为0.3,正常降温为0.5,急剧降温为0.8)
δmax-结构中部的最大水平应力 cx-约束系数,配筋混凝土为(100～150)×0.01 (N/M3)
CH-双曲线余弦函数
从上式可以看出长大混凝土构件由温度产生的最大水平拉应力集中在结构的中部,从中部首先开裂,形成两个块体,各块体中应力重新分布后,再形成第2次开裂,依次类推,直至开裂完成。
裂缝的处理:
①为增加台身混凝土抗拉力,将原设计间距为15cm的Φl0螺纹钢改为间距为12cm 的Φ12螺纹钢,并由绑扎改为点焊联结。
②调整配合比,改变水泥品种,降低水化热。根据试验确定掺入聚丙烯纤维的混凝土配合比为1:
1.63:3.8:0.45。
③浇注时间尽可能避开高温时段,同时改善混凝土周围的湿度。
④加强工艺控制,确保计量、拌和、振捣、养生.拆摸各工序质量,安排专人负责。
通过落实以上措施,我们进行了对比试验,除1#台混凝土内未加聚丙烯纤维外其他措施同2#台。经完工后3个月的观察,两台均无裂缝发生。1#台由于未加聚丙烯纤维,混凝土表面出现细小裂纹。
对靠船墩裂缝控制的几点体会,如能从设计和施工方面严格做到几下几点,就可以控制甚至消除裂缝的发生。
①在靠船墩的拉应力区,配置抗拉钢筋,尤其是在靠近台底附近.要根据实际增配钢筋,同时水平筋与竖向筋应点焊成网格。
②选择合适的时间段浇注混凝土,以降低混凝土的浇注和凝结温度,减小温差,防止温缩裂缝。
③合理确定配合比,必须优化水泥和水的品质、用量,骨料的粒径、品质,重视振捣和养生。
4 使用外加剂(减水剂,缓凝剂,引气剂)也是减少开裂的措施之一
(1)水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%,可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形。
(2)水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。
(3)掺外加剂的混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。
5 结语
裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此要在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。
参考文献
[1] 冯乃谦著.高性能混凝土.北京:中国建筑工业出版社,1996.
[2] 李亚杰主编.建筑材料.北京:中国水利水电出版社,2002.
[3] 清华大学等合编.水工钢筋混凝土结构学.北京:中国水利水电出版社,2002.