混凝土裂缝分析的论文
混凝土裂缝分析的论文
摘要:本文以大体积混凝土施工中经常出现的裂缝为研究对象,探讨大体积混凝土裂缝出现的机理以及主要的影响因素,为工程施工提供切实可行的实践经验。
关键词:砖混房屋;墙体;裂缝
1大体积混凝土裂缝产生的机理
大体积混凝土裂缝在建筑中经常可以见到,而且随着科学技术的发展和实验技术的完善,特别是有关大体积混凝土的现代实验设备的出现(如各种实验显微镜、X光照相设备、超声仪器、渗透观测仪等),已经证实了大体积混凝土和钢筋混凝土结构中也存在着肉眼不可见的裂缝。
常见裂缝主要有以下三种类型:
①粘着裂缝:指钢筋与水泥石粘接面上的裂缝,主要沿钢筋周围出现;
②水泥石裂缝:指水泥浆中的裂缝,主要出现在钢筋与钢筋之间;
③钢筋骨料裂缝:指钢筋或者骨料等本身的裂缝。
这三种裂缝比较,前两种较多,大体积混凝土的裂缝主要指前两种,他们的存在对于大体积混凝土的基本物理力学性质如弹塑性、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等有着重要的影响。
大体积混凝土裂缝产生的原因可按其构造理论加以解释,即把混凝土看做是由钢筋、水泥石、气体、水份等组成的非均质材料,在温度、湿度和其他条件变化下,混凝土逐步硬化,同时产生体积变形,这种变形是不均匀的,水泥石收缩较大,钢筋收缩很小,水泥石热膨胀系数较大,钢筋热膨胀系数较小,他们之间的相互变形引起约束应力。在构造理论中提出了一种简单的计算模型,即假定圆形钢筋不变形且均匀分布于均质弹性水泥石中,当水泥石产生收缩时引起内应力,这种应力可引起粘着微裂缝和水泥石裂缝,混凝土的裂缝肉眼是看不见的,肉眼可见裂缝范围一般以0.05mm为界。大于等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝,它是裂缝扩展的结果。观测证实,结构物的裂缝是时刻不停的运动着,这种运动包含两种意思:一是裂缝宽度的扩展与缩小;二是裂缝长度的延伸及裂缝数量的增加。裂缝稳定的运动是正常的,工程中要防止的是不稳定的裂缝运动。
下面就通过不同的理论基础来分析大体积混凝土温度裂缝产生的机理。
大体积混凝土的破坏机理,现在国内外学者普遍认为是混凝土在浇筑、形成过程中不可避免存在着毛细孔、空隙及材料的裂隙缺陷,在外界因素作用下,这些缺陷部位将产生高度的应力集中,并逐渐扩展发展,形成大体积混凝土体中的微裂纹。另一方面,大体积混凝土体中各相的结合界面是最薄弱的环节,在外界因素作用下,将脱开而形成截面裂隙,并发展成微裂纹。若外界因素继续作用,混凝土体中的微裂纹经过汇集、贯通的过程而形成宏观裂缝。同时,宏观裂纹的"端部又因应力集中而出现新的微裂纹,甚至出现微裂纹区,这又将发展成新的宏观裂缝或体现为原有宏观裂纹的延伸。如此反复交替,宏观裂缝必将沿着一条最薄弱的路径逐渐扩展,最后使混凝土完全断开而破坏。因此,大体积混凝土材料的破坏过程实际上是损伤、损伤积累、宏观裂纹出现、损伤继续积累、宏观裂缝扩展交织发生的过程。
不论外界因素作用引起的效应是拉、压、剪或扭,大体积混凝土体破坏的过程都是相类似的。如果引起的效应是拉,则微裂纹或微裂缝将沿与之正交的方向扩展;如为压,则沿与之平行的方向扩展;如为剪或扭,则将沿剪应力的方向滑动扩展。显然,在非均匀应力场的大体积混凝土体中上述微裂纹的萌生与扩展以及宏观裂纹的出现和扩展,都将首先在高应力区中发生,甚至只集中发生在高应力区,因为当高应力区中裂纹或裂缝扩展时,对相邻的低应力区产生卸载效应,因此,该区域内的裂纹和裂缝不可能再继续发育和发展,甚至会引起逆效应,如原来已张开的裂缝可能重新闭合。
大体积混凝土结构在施工期经历了升温和降温两个过程。由于水泥砂浆与钢筋热膨胀系数的不同,在升温过程中温度荷载作用下水泥砂浆与钢筋所形成的界面首先产生损伤,并随温度增加而发展,因此形成界面裂纹,当继续增加的温差达到某一数值后,界面裂纹便向水泥砂浆中延伸。在以后的降温过程中界面裂纹与水泥砂浆中的微裂纹继续发展,以致发展成宏观裂缝,并可能导致混凝土结构发生断裂破坏,由于损伤是不可恢复的,故在以后的降温过程中,所形成的界面裂缝不会消失,而且降温过程中不仅原有的微裂纹会发展,同时也会产生新的微裂纹。
2大体积混凝土裂缝产生的主要影响因素
大体积混凝土由于截面大,水泥用量大,水泥水化释放的水化热会产生较大的温度变化,由此形成的温度应力是导致产生裂缝的主要原因。这种裂缝分为两种:
①大体积混凝土浇筑初期,水泥水化产生大量水化热,使大体积混凝土的温度很快上升。但由于大体积混凝土表面散热条件较好,热量可以向大气中散发,因而温度上升较少;而大体积混凝土内部由于散热条件较差,热量散发少,因而温度上升较多,内外形成温度梯度,形成内外约束。结果大体积混凝土内部产生压应力,面层产生拉应力,当该拉应力超过大体积混凝土的抗拉强度时,大体积混凝土表面就产生裂缝。
②大体积混凝土浇筑后数日,水泥水化热基本上已释放,大体积混凝土从最高温逐渐降温,降温的结果引起大体积混凝土收缩,再加上由于大体积混凝土中多余水份蒸发、碳化等引起的体积收缩变形,受到地基和结构边界条件的约束(外约束),不能自由变形,导致产生温度应力(拉应力),当该温度应力超过大体积混凝土抗拉强度时,则从约束面开始向上开裂形成温度裂缝。如果该温度应力足够大,严重时可能产生贯穿裂缝。
大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝,是其内部矛盾发展的结果。一方面是大体积混凝土由于内外温差产生应力和应变,另一方面是结构的外约束和大体积混凝土各质点间的约束(内约束)阻止这种应变。一旦温度应力超过大体积混凝土能承受的抗拉强度,就会产生裂缝。上述大体积混凝土温度应力的大小取决于水泥、水化热、拌合浇筑温度、大气温度、收缩变形及当量温度等因素,同时它与大体积混凝土的降温散热条件和硅升降温速密切相关的,而大体积混凝土抗拉强度的提高与大体积混凝土本身材料性能有关,此外还与施工方案及配筋等因素有关。
2.1水泥水化热
水泥在水化过程中要产生一定的热量,是大体积混凝土内部热量的主要来源。
由于大体积混凝土截面厚度大,水化热聚集在结构内部不易散失,所以会引起急骤升温。水泥水化热引起的绝热温升,与混凝土单位体积内的水泥用量和水泥品种有关,并随混凝土的龄期按指数关系增长,一般在10d左右达到最终绝热温升,但由于结构自然散热,实际上混凝土内部的最高温度,大多发生在混凝土浇筑后的3~5d。
2.2大体积混凝土的导热性能
热量在大体积混凝土内传递的能力反映在其导热性能上。大体积混凝土的导热系数越大,热量传递率就越大,则其与外界热交换的效率也越高,从而使大体积混凝土内最高温升降低。同时也减小了大体积混凝土的内外温差。可以预计,导热性能越好,热峰值出现的时间也相应提前。中部最高温度的热峰值及热峰值出现的时间与板厚密切有关。
显见,板越厚,中部点散热较少,热峰值也越高,中部受外界温降影响所需时间就越长,峰值出现的时间也要晚一些。
大体积混凝土的导热性能较差,浇筑初期,混凝土的弹性模量和强度都很低,对水化热急剧温升引起的变形约束不大,温度应力较小。随着混凝土龄期的增长,弹性模量和强度相应提高,对混凝土降温收缩变形的约束愈来愈强,即产生很大的温度应力,当大体积混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时,便开始产生温度裂缝。
2.3外界气温变化
大体积混凝土结构施工期间,外界气温的变化对大体积混凝土开裂有重大影响。大体积混凝土的内部温度是浇筑温度(既大体积混凝土的入模温度,它是大体积混凝土水化热温升的基础,可以预见,大体积混凝土的入模温度越高,它的热峰值也必然越高。工程实践中在高温季节浇筑常采用钢筋预冷,加冰拌和等措施来降低浇筑温度,控制大体积混凝土最高温升,原因在此)。水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和。外界气温愈高,大体积混凝土的浇筑温度也愈高;若外界温度下降,会增加大体积混凝土的降温幅度,特别在外界气温骤降时,会增加外层大体积混凝土与内部大体积混凝土的温度梯度,这对大体积混凝土极为不利。
3工程实例
3.1工程概况
中远大厦28层主体塔楼采用筏形基础。筏基面积为2060m2,板厚2.2m。混凝土为泵送商品混凝土,强度等级为C35,抗渗等级S8,筏板混凝土浇筑量超过3000m3。
3.2混凝土温度计算及表面裂缝控制
3.2.1混凝土内部最高绝热升温值
由公式
3.2.2混凝土中心最高温
由公式
3.2.3混凝土内部与表面最大温差
混凝土内表最大温差超过规定要求值,若不采取有效措施,将必然产生表面裂缝。
3.2.4保温养护措施分析
根据公式,分别求取在养护措施下大体积混凝土的表面温度和混凝土内表最大温差,计算结果表明,大体积混凝土内表温差控制在规定值范围内,不会产生裂缝,保温措施的方案可行。
3.3筏基整浇长度计算
3.3.1筏基结构计算温差
水化热最高温度只发生在筏基截面的中下部,全截面的平均温度略低于水化热最高温度,控制贯穿性裂缝的温差应该是平均最高温度与稳定温度之差。
按浇筑混凝土30d的总降温差,结构计算温差T=Tm+TY
3.4施工技术综合措施
通过采取合理研配混凝土配合比、斜面分层一次浇筑施工方法、浇筑混凝土后的收头处理措施、混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护等措施以及测温控制,施工实践表明:选择大体积混凝土表面贮水热保温保湿养护方式、同时采用综合的施工技术措施,非常成功。
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