初論混凝土施工中溫度及裂縫的控制

左明晨

【摘 要】混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均質脆性材料。由于混凝土施工、本身變形和約束等一系列問題,使混凝土裂縫成了土木、水利、橋梁、隧道等工程中最常見的工程病害。在工程施工過程中,如何有效控制混凝土裂縫是技術人員必須面對的問題。

【關鍵詞】混凝土 溫度應力 裂縫 控制

【中途分類號】G64 【文獻標識碼】A【文章編號】1673-8209(2009)11-0-02

這個題目是跟本人工作緊密相關,船閘及附屬設施是座體量大的水工建筑物,建設過程中難免遇到題目中談到的內容。結合工作經驗寫出下面文字,和大家作一交流。

1 產生裂縫的原因

水工建筑物產生裂縫主要有以下幾種:

(1)大體積混凝土水化時產生的大量水化熱得不到散發,導致混凝土內外溫差較大,使混凝土的形變超過極限引起裂縫。

(2)當有約束時,混凝土熱脹冷縮所產生的體積脹縮,因為受約束力的限制,在內部產生了溫度應力,由于混凝土抗拉強度低,容易被溫度引起的拉應力拉裂,從而產生溫度裂縫。

(3)當鋼筋混凝土處于不利環境中,例如:侵蝕性水,由于混凝土保護層厚度有限,特別是當混凝土密實性不良,環境中的氯離子等和溶于水中的氧會使混凝土中的鋼筋生銹,生成氧化鐵,氧化鐵的體積比原來金屬的體積大的多,鐵銹體積膨脹,對周圍混凝土擠壓,使混凝土脹裂。

從形成原因可以將混凝土裂縫分為結構裂縫和非結構裂縫。結構裂縫主要是由于荷載原因引起的,一般可通過采用預應力和其他構造措施控制。但現在混凝土結構中,混凝土中產生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結構不合理,原材料不合格,模板變形,基礎不均勻沉降等,我們將這些裂縫稱為非結構裂縫。因此,掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

2 溫度應力的分析

(1)前期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般30天。這一時期在混凝土內形成殘余應力。

(2)中期:自水泥放熱基本結束至混凝土冷卻到穩定溫度時止。由于混凝土的冷卻及外界氣溫的變化引起溫度應力,這一應力與早期的殘余應力疊加,混凝土彈性模量變化不大。均勻降溫冷卻時,受到基礎或老混凝土的限制,又會在混凝土內部產生拉應力。

(3)后期: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所引起,這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。進一步加速裂縫的開展,直至應力平衡。當溫度應力大于混凝土的抗拉強度和變形能力時,混凝土就會產生溫度應力裂縫。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

(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)拌合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)在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫。

(4)規定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度。

(5)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷季節采取保溫措施。

在混凝土的施工中,為了提高模板的周轉率,往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當混凝土溫度高于氣溫時應適當考慮拆模時間,以免引起混凝土表面的早期裂縫。在混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發,表面引起相當大的拉應力,此時表面溫度亦較氣溫為高,此時拆除模板,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,從而在表面附加一拉應力,與水化熱應力迭加,再加上混凝土干縮,表面的拉應力達到很大的數值,就有導致裂縫的危險,但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋輕型保溫材料,如泡沫海棉等,對于防止混凝土表面產生過大的拉應力,具有顯著的效果。

舉個建靠船墩例子?？看沼啥丈碇黧w和人行橋板梁兩部分構成。從施工時間(見表1)

顯示下部施工周期過長,同時承臺施工時氣溫較低,晝夜溫差為9℃。但是由于承臺置于水面以下,周邊環境對混凝土的水化熱能起到良好的降低作用,因此承臺未發生裂縫現象。但由于板梁過長(20.64m×10)施工周期長,加之在這段時問晝夜溫差較大。由于混凝土收縮和溫度的變化,導致混凝土臺身體積變形。而此時承臺的混凝土已完全成型,混凝土的強度已基本達到設計要求,它的穩定勢必對混凝土墻身的變形形成約束,并超出了混凝土本身的抗拉強度,從而產生裂縫。根據該靠船墩的施工周期說明由于承臺同樁基的作用,使這部分約束力增大,故裂縫產生的就多。同時承臺和基礎混凝土澆注在前,這類構件置于天然地基和樁基之上,變形較為自如。實踐表明,臺身和基礎產生了一個收縮差,加速了裂縫的發展。有關資料表明,溫度應力不僅與結構物的長度有關,還與結構物的約束條件,環境氣溫變化以及施工等條件有關,各因素對裂縫的影響程度可用下列溫度收縮應力公式表示:

δmax=-EαT[1—1/CH (β*L/2)]H1 ,

式中:

E-水泥混凝土的彈性模量

T-約束體與被約束體的溫差

β=(CX/HE)

L-結構物長度

H-結構物的高度

α-鋼筋混凝土的線膨脹系數

H1-一混凝土由于蠕變帶來的應力松弛系數(一般緩慢降溫為0.3,正常降溫為0.5,急劇降溫為0.8)

δmax-結構中部的最大水平應力 cx-約束系數,配筋混凝土為(100～150)×0.01 (N/M3)

CH-雙曲線余弦函數

從上式可以看出長大混凝土構件由溫度產生的最大水平拉應力集中在結構的中部,從中部首先開裂,形成兩個塊體,各塊體中應力重新分布后,再形成第2次開裂,依次類推,直至開裂完成。

裂縫的處理:

①為增加臺身混凝土抗拉力,將原設計間距為15cm的Φl0螺紋鋼改為間距為12cm 的Φ12螺紋鋼,并由綁扎改為點焊聯結。

②調整配合比,改變水泥品種,降低水化熱。根據試驗確定摻入聚丙烯纖維的混凝土配合比為1:

1.63:3.8:0.45。

③澆注時間盡可能避開高溫時段,同時改善混凝土周圍的濕度。

④加強工藝控制,確保計量、拌和、振搗、養生.拆摸各工序質量,安排專人負責。

通過落實以上措施,我們進行了對比試驗,除1#臺混凝土內未加聚丙烯纖維外其他措施同2#臺。經完工后3個月的觀察,兩臺均無裂縫發生。1#臺由于未加聚丙烯纖維,混凝土表面出現細小裂紋。

對靠船墩裂縫控制的幾點體會,如能從設計和施工方面嚴格做到幾下幾點,就可以控制甚至消除裂縫的發生。

①在靠船墩的拉應力區,配置抗拉鋼筋,尤其是在靠近臺底附近.要根據實際增配鋼筋,同時水平筋與豎向筋應點焊成網格。

②選擇合適的時間段澆注混凝土,以降低混凝土的澆注和凝結溫度,減小溫差,防止溫縮裂縫。

③合理確定配合比,必須優化水泥和水的品質、用量,骨料的粒徑、品質,重視振搗和養生。

4 使用外加劑(減水劑,緩凝劑,引氣劑)也是減少開裂的措施之一

(1)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%,可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形。

(2)水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量,其體積用增加骨料用量來補充。

(3)摻外加劑的混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發,減少干燥收縮。

5 結語

裂縫是混凝土結構中普遍存在的一種現象,它的出現不僅會降低建筑物的抗滲能力,影響建筑物的使用功能,而且會引起鋼筋的銹蝕,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影響建筑物的承載能力,因此要在施工中采取各種有效的預防措施來預防裂縫的出現和發展,保證建筑物和構件安全、穩定地工作。

參考文獻

[1] 馮乃謙著.高性能混凝土.北京:中國建筑工業出版社,1996.

[2] 李亞杰主編.建筑材料.北京:中國水利水電出版社,2002.

[3] 清華大學等合編.水工鋼筋混凝土結構學.北京:中國水利水電出版社,2002.