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摘要分析了混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及溫度應力的形成過程,闡述了預防裂縫產(chǎn)生的措施,以期為防止混凝土裂縫提供參考。

關鍵詞混凝土;裂縫;成因;溫度應力;預防措施

混凝土的裂縫較為普遍,盡管在施工中采取了各種措施,但在工程施工中其仍然存在?；炷翜囟葢Φ淖兓瞧渲幸粋€原因。在大體積混凝土中溫度應力及溫度控制具有重要意義。一是在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫,影響到結構的整體性和耐久性。二是在運轉過程中,溫度變化對結構的應力狀態(tài)具有顯著的、不容忽視的影響。現(xiàn)將施工中混凝土裂縫的成因和處理措施介紹如下。

1混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因,主要有溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結構不合理、原材料不合格(如堿骨料反應)、模板變形、基礎不均勻沉降等?；炷劣不陂g水泥放出大量水化熱,內(nèi)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(nèi)部出現(xiàn)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(xiàn)裂縫;許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或較慢,但表面濕度可能變化較大或劇烈。如養(yǎng)護不周、時干時濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也往往導致裂縫;混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象,在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低、易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。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(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內(nèi)出現(xiàn)了拉應力,則需依靠混凝土自身承擔[1-2]。一般設計中均要求不出現(xiàn)拉應力或者只出現(xiàn)很小的拉應力。但在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩(wěn)定溫度,往往在混凝土內(nèi)部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其他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。

2混凝土溫度應力分析

根據(jù)溫度應力的形成過程可分為以下3個階段:一是早期。自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約30d。這個階段水泥放出大量的水化熱、混凝上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(nèi)形成殘余應力。二是中期。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,這個時期溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化引起的,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,在此期間混凝上的彈性模量變化不大。三是晚期?；炷镣耆鋮s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2種的殘余應力相疊加。根據(jù)溫度應力引起的原因可分為2類,一類是自生應力。邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內(nèi)部溫度是非線性分布的,由于結構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力。例如,橋梁墩身結構尺寸相對較大,混凝土冷卻時表面溫度低,內(nèi)部溫度高,在表面出現(xiàn)拉應力,在中間出現(xiàn)壓應力。另一類是約束應力。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。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這2種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要根據(jù)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(shù)情況下,需要依靠模型試驗或數(shù)值計算?；炷恋男熳兪箿囟葢τ邢喈敶蟮乃神Y,計算溫度應力時,必須考慮徐變的影響。

3預防措施

3.1減輕溫度應力

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方面著手。一是控制溫度。措施如下: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;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;熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫;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;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(jié)采取保溫措施。二是改善約束條件。措施如下:合理地分縫、分塊;避免基礎過大起伏;合理地安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露;此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養(yǎng)護,防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量十分重要,應特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復其結構的整體性是十分困難的,因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

3.2適時拆模,注重防護

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。新澆筑早期拆模,在表面引起很大的拉應力,出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發(fā),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,與水化熱應力疊加,再加上混凝土干縮,表面的拉應力達到很大的數(shù)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一輕型保溫材料,如泡沫海綿等,對于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應力,具有顯著的效果[3-4]。

3.3適量加筋

加筋對大體積混凝土的溫度應力影響很小,因為大體積混凝土的含筋率極低,只是對一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下,鋼的各項性能是穩(wěn)定的,而與應力狀態(tài)、時間及溫度無關。鋼的線脹系數(shù)與混凝土線脹系數(shù)相差很小,在溫度變化時兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應力。由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的7~15倍,當內(nèi)混凝土應力達到抗拉強度而開裂時,鋼筋的應力將不超過100~200kg/cm2。因此,在混凝土中要想利用鋼筋來防止細小裂縫的出現(xiàn)很困難。但加筋后結構內(nèi)的裂縫一般就變得數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小,而且如果鋼筋的直徑細而間距密時,對提高混凝土抗裂性的效果較好?；炷梁弯摻罨炷两Y構的表面常常會發(fā)生細而淺的裂縫,其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺,但其對結構的強度和耐久性仍有一定的影響。

3.4使用外加劑

為保證混凝土工程質(zhì)量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑,其主要作用:一是混凝土中存在大量毛細孔道,水蒸發(fā)后毛細管中產(chǎn)生毛細管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑,可降低毛細管表面張力,但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在20世紀60年代就已被國際上所確認。二是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%。三是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。四是減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形。五是提高水泥漿與骨料的粘結力,提高混凝土抗裂性能。六是混凝土在收縮時受到約束產(chǎn)生拉應力,當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產(chǎn)生。減水防裂劑可有效提高混凝土抗拉強度,大幅提高混凝土的抗裂性能。七是摻加外加劑可使混凝土密實性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,減少碳化收縮。八是摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當,在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。九是摻外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發(fā),減少干燥收縮。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,在工程實踐中應多進行這方面的試驗,比單純地靠改善外部條件,會更加簡捷、經(jīng)濟。

3.5混凝土的早期養(yǎng)護

混凝土早期養(yǎng)護的主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達到如下效果:一是使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮;實踐證明,混凝土常見的裂縫,大多數(shù)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?；炷恋谋貙Ψ乐贡砻嬖缙诹芽p尤其重要。從溫度應力觀點出發(fā),保溫應達到下述要求:防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫;防止混凝土超冷,應該設法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;防止老混凝土過冷,以減少新老混凝土間的約束。二是使水泥水化作用順利進行,以期達到設計的強度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關聯(lián)的,混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失,從而推遲或防礙水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到這種不利的影響。因此,混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護的關鍵時期,在施工中應切實重視該時期的養(yǎng)護。

4參考文獻

[1]李東升.混凝土冬季施工[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]高強.鋼筋混凝土結構裂縫控制指南[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[3]王鐵成.混凝土結構(上)——混凝土結構原理[M].天津:天津大學出版社,2004.

[4]戚立榮.混凝土裂縫成因及防治措施[J].水利建設與管理,2010(6):52-54.