混凝土裂縫分析的論文
摘要:本文以大體積混凝土施工中經(jīng)常出現(xiàn)的裂縫為研究對象,探討大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的機(jī)理以及主要的影響因素,為工程施工提供切實(shí)可行的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:磚混房屋;墻體;裂縫
1大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理
大體積混凝土裂縫在建筑中經(jīng)�？梢砸姷�,而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的完善,特別是有關(guān)大體積混凝土的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)備的出現(xiàn)(如各種實(shí)驗(yàn)顯微鏡、X光照相設(shè)備、超聲儀器、滲透觀測儀等),已經(jīng)證實(shí)了大體積混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中也存在著肉眼不可見的裂縫。
常見裂縫主要有以下三種類型:
�、僬持芽p:指鋼筋與水泥石粘接面上的裂縫,主要沿鋼筋周圍出現(xiàn);
�、谒嗍芽p:指水泥漿中的裂縫,主要出現(xiàn)在鋼筋與鋼筋之間;
�、垆摻罟橇狭芽p:指鋼筋或者骨料等本身的裂縫。
這三種裂縫比較,前兩種較多,大體積混凝土的裂縫主要指前兩種,他們的存在對于大體積混凝土的基本物理力學(xué)性質(zhì)如彈塑性、各種強(qiáng)度、變形、泊松比、結(jié)構(gòu)剛度、化學(xué)反應(yīng)等有著重要的影響。
大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因可按其構(gòu)造理論加以解釋,即把混凝土看做是由鋼筋、水泥石、氣體、水份等組成的非均質(zhì)材料,在溫度、濕度和其他條件變化下,混凝土逐步硬化,同時(shí)產(chǎn)生體積變形,這種變形是不均勻的,水泥石收縮較大,鋼筋收縮很小,水泥石熱膨脹系數(shù)較大,鋼筋熱膨脹系數(shù)較小,他們之間的相互變形引起約束應(yīng)力。在構(gòu)造理論中提出了一種簡單的計(jì)算模型,即假定圓形鋼筋不變形且均勻分布于均質(zhì)彈性水泥石中,當(dāng)水泥石產(chǎn)生收縮時(shí)引起內(nèi)應(yīng)力,這種應(yīng)力可引起粘著微裂縫和水泥石裂縫,混凝土的裂縫肉眼是看不見的,肉眼可見裂縫范圍一般以0.05mm為界。大于等于0.05mm的裂縫稱為宏觀裂縫,它是裂縫擴(kuò)展的結(jié)果。觀測證實(shí),結(jié)構(gòu)物的裂縫是時(shí)刻不停的運(yùn)動(dòng)著,這種運(yùn)動(dòng)包含兩種意思:一是裂縫寬度的擴(kuò)展與縮小;二是裂縫長度的延伸及裂縫數(shù)量的增加。裂縫穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)是正常的,工程中要防止的是不穩(wěn)定的裂縫運(yùn)動(dòng)。
下面就通過不同的理論基礎(chǔ)來分析大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理。
大體積混凝土的破壞機(jī)理,現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為是混凝土在澆筑、形成過程中不可避免存在著毛細(xì)孔、空隙及材料的裂隙缺陷,在外界因素作用下,這些缺陷部位將產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中,并逐漸擴(kuò)展發(fā)展,形成大體積混凝土體中的微裂紋。另一方面,大體積混凝土體中各相的結(jié)合界面是最薄弱的環(huán)節(jié),在外界因素作用下,將脫開而形成截面裂隙,并發(fā)展成微裂紋。若外界因素繼續(xù)作用,混凝土體中的.微裂紋經(jīng)過匯集、貫通的過程而形成宏觀裂縫。同時(shí),宏觀裂紋的端部又因應(yīng)力集中而出現(xiàn)新的微裂紋,甚至出現(xiàn)微裂紋區(qū),這又將發(fā)展成新的宏觀裂縫或體現(xiàn)為原有宏觀裂紋的延伸。如此反復(fù)交替,宏觀裂縫必將沿著一條最薄弱的路徑逐漸擴(kuò)展,最后使混凝土完全斷開而破壞。因此,大體積混凝土材料的破壞過程實(shí)際上是損傷、損傷積累、宏觀裂紋出現(xiàn)、損傷繼續(xù)積累、宏觀裂縫擴(kuò)展交織發(fā)生的過程。
不論外界因素作用引起的效應(yīng)是拉、壓、剪或扭,大體積混凝土體破壞的過程都是相類似的。如果引起的效應(yīng)是拉,則微裂紋或微裂縫將沿與之正交的方向擴(kuò)展;如為壓,則沿與之平行的方向擴(kuò)展;如為剪或扭,則將沿剪應(yīng)力的方向滑動(dòng)擴(kuò)展。顯然,在非均勻應(yīng)力場的大體積混凝土體中上述微裂紋的萌生與擴(kuò)展以及宏觀裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展,都將首先在高應(yīng)力區(qū)中發(fā)生,甚至只集中發(fā)生在高應(yīng)力區(qū),因?yàn)楫?dāng)高應(yīng)力區(qū)中裂紋或裂縫擴(kuò)展時(shí),對相鄰的低應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生卸載效應(yīng),因此,該區(qū)域內(nèi)的裂紋和裂縫不可能再繼續(xù)發(fā)育和發(fā)展,甚至?xí)鹉嫘?yīng),如原來已張開的裂縫可能重新閉合。
大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期經(jīng)歷了升溫和降溫兩個(gè)過程。由于水泥砂漿與鋼筋熱膨脹系數(shù)的不同,在升溫過程中溫度荷載作用下水泥砂漿與鋼筋所形成的界面首先產(chǎn)生損傷,并隨溫度增加而發(fā)展,因此形成界面裂紋,當(dāng)繼續(xù)增加的溫差達(dá)到某一數(shù)值后,界面裂紋便向水泥砂漿中延伸。在以后的降溫過程中界面裂紋與水泥砂漿中的微裂紋繼續(xù)發(fā)展,以致發(fā)展成宏觀裂縫,并可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞,由于損傷是不可恢復(fù)的,故在以后的降溫過程中,所形成的界面裂縫不會消失,而且降溫過程中不僅原有的微裂紋會發(fā)展,同時(shí)也會產(chǎn)生新的微裂紋。
2大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要影響因素
大體積混凝土由于截面大,水泥用量大,水泥水化釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化,由此形成的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫分為兩種:
�、俅篌w積混凝土澆筑初期,水泥水化產(chǎn)生大量水化熱,使大體積混凝土的溫度很快上升。但由于大體積混凝土表面散熱條件較好,熱量可以向大氣中散發(fā),因而溫度上升較少;而大體積混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差,熱量散發(fā)少,因而溫度上升較多,內(nèi)外形成溫度梯度,形成內(nèi)外約束。結(jié)果大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,面層產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)該拉應(yīng)力超過大體積混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),大體積混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。
�、诖篌w積混凝土澆筑后數(shù)日,水泥水化熱基本上已釋放,大體積混凝土從最高溫逐漸降溫,降溫的結(jié)果引起大體積混凝土收縮,再加上由于大體積混凝土中多余水份蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形,受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束(外約束),不能自由變形,導(dǎo)致產(chǎn)生溫度應(yīng)力(拉應(yīng)力),當(dāng)該溫度應(yīng)力超過大體積混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),則從約束面開始向上開裂形成溫度裂縫。如果該溫度應(yīng)力足夠大,嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生貫穿裂縫。
大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫,是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是大體積混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變,另一方面是結(jié)構(gòu)的外約束和大體積混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束(內(nèi)約束)阻止這種應(yīng)變。一旦溫度應(yīng)力超過大體積混凝土能承受的抗拉強(qiáng)度,就會產(chǎn)生裂縫。上述大體積混凝土溫度應(yīng)力的大小取決于水泥、水化熱、拌合澆筑溫度、大氣溫度、收縮變形及當(dāng)量溫度等因素,同時(shí)它與大體積混凝土的降溫散熱條件和硅升降溫速密切相關(guān)的,而大體積混凝土抗拉強(qiáng)度的提高與大體積混凝土本身材料性能有關(guān),此外還與施工方案及配筋等因素有關(guān)。
2.1水泥水化熱
水泥在水化過程中要產(chǎn)生一定的熱量,是大體積混凝土內(nèi)部熱量的主要來源。
由于大體積混凝土截面厚度大,水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失,所以會引起急驟升溫。水泥水化熱引起的絕熱溫升,與混凝土單位體積內(nèi)的水泥用量和水泥品種有關(guān),并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系增長,一般在10d左右達(dá)到最終絕熱溫升,但由于結(jié)構(gòu)自然散熱,實(shí)際上混凝土內(nèi)部的最高溫度,大多發(fā)生在混凝土澆筑后的3~5d。
2.2大體積混凝土的導(dǎo)熱性能
熱量在大體積混凝土內(nèi)傳遞的能力反映在其導(dǎo)熱性能上。大體積混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)越大,熱量傳遞率就越大,則其與外界熱交換的效率也越高,從而使大體積混凝土內(nèi)最高溫升降低。同時(shí)也減小了大體積混凝土的內(nèi)外溫差�？梢灶A(yù)計(jì),導(dǎo)熱性能越好,熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間也相應(yīng)提前。中部最高溫度的熱峰值及熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間與板厚密切有關(guān)。
顯見,板越厚,中部點(diǎn)散熱較少,熱峰值也越高,中部受外界溫降影響所需時(shí)間就越長,峰值出現(xiàn)的時(shí)間也要晚一些。
大體積混凝土的導(dǎo)熱性能較差,澆筑初期,混凝土的彈性模量和強(qiáng)度都很低,對水化熱急劇溫升引起的變形約束不大,溫度應(yīng)力較小。隨著混凝土齡期的增長,彈性模量和強(qiáng)度相應(yīng)提高,對混凝土降溫收縮變形的約束愈來愈強(qiáng),即產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力,當(dāng)大體積混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗該溫度應(yīng)力時(shí),便開始產(chǎn)生溫度裂縫。
2.3外界氣溫變化
大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工期間,外界氣溫的變化對大體積混凝土開裂有重大影響。大體積混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度(既大體積混凝土的入模溫度,它是大體積混凝土水化熱溫升的基礎(chǔ),可以預(yù)見,大體積混凝土的入模溫度越高,它的熱峰值也必然越高。工程實(shí)踐中在高溫季節(jié)澆筑常采用鋼筋預(yù)冷,加冰拌和等措施來降低澆筑溫度,控制大體積混凝土最高溫升,原因在此)。水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和。外界氣溫愈高,大體積混凝土的澆筑溫度也愈高;若外界溫度下降,會增加大體積混凝土的降溫幅度,特別在外界氣溫驟降時(shí),會增加外層大體積混凝土與內(nèi)部大體積混凝土的溫度梯度,這對大體積混凝土極為不利。
3工程實(shí)例
3.1工程概況
中遠(yuǎn)大廈28層主體塔樓采用筏形基礎(chǔ)。筏基面積為2060m2,板厚2.2m�；炷翞楸盟蜕唐坊炷�,強(qiáng)度等級為C35,抗?jié)B等級S8,筏板混凝土澆筑量超過3000m3。
3.2混凝土溫度計(jì)算及表面裂縫控制
3.2.1混凝土內(nèi)部最高絕熱升溫值
由公式
3.2.2混凝土中心最高溫
由公式
3.2.3混凝土內(nèi)部與表面最大溫差
混凝土內(nèi)表最大溫差超過規(guī)定要求值,若不采取有效措施,將必然產(chǎn)生表面裂縫。
3.2.4保溫養(yǎng)護(hù)措施分析
根據(jù)公式,分別求取在養(yǎng)護(hù)措施下大體積混凝土的表面溫度和混凝土內(nèi)表最大溫差,計(jì)算結(jié)果表明,大體積混凝土內(nèi)表溫差控制在規(guī)定值范圍內(nèi),不會產(chǎn)生裂縫,保溫措施的方案可行。
3.3筏基整澆長度計(jì)算
3.3.1筏基結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差
水化熱最高溫度只發(fā)生在筏基截面的中下部,全截面的平均溫度略低于水化熱最高溫度,控制貫穿性裂縫的溫差應(yīng)該是平均最高溫度與穩(wěn)定溫度之差。
按澆筑混凝土30d的總降溫差,結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差T=Tm+TY
3.4施工技術(shù)綜合措施
通過采取合理研配混凝土配合比、斜面分層一次澆筑施工方法、澆筑混凝土后的收頭處理措施、混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)等措施以及測溫控制,施工實(shí)踐表明:選擇大體積混凝土表面貯水熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)方式、同時(shí)采用綜合的施工技術(shù)措施,非常成功。
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