超長混凝土結(jié)構(gòu)變形的機(jī)理和預(yù)防措施

摘要:論述了建筑結(jié)構(gòu)中大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的機(jī)理,介紹了實(shí)際工程中正確處理變形裂縫的措施。

關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu);變形裂縫;大體積混凝土

中圖分類號(hào): TU37516　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B　　　文章編號(hào): 1003 - 0506 (2007) 02 - 0063 - 01

1　導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的因素

　　導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)變形除了因動(dòng)、靜荷載作用引起外,結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)外的溫度變化,材料的收縮和徐變等同樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不能忽略的變形。這里就混凝土澆筑過程的水化熱、混凝土材料自身的收縮及建筑物所處環(huán)境溫度變化所造成的變形進(jìn)行討論。

1．1　水化熱

　　混凝土水化過程產(chǎn)生大量的水化熱,對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮水化的影響。在現(xiàn)行的《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》( JGJ /T55296)中的6．5節(jié)規(guī)定:混凝土結(jié)構(gòu)物中,實(shí)體最小尺寸大于或等于1 m時(shí),稱大體積混凝土。這種厚實(shí)的結(jié)構(gòu)在升溫階段,混凝土處于塑性,約束應(yīng)力很小;但降溫時(shí),彈性模量很快增加,若處理不當(dāng),混凝土內(nèi)外溫差會(huì)很大,往往混凝土表面已經(jīng)硬化而內(nèi)部溫度仍很高,較大的溫度梯度造成了變形受約束而開裂。如某礦一個(gè)主抽風(fēng)機(jī)基礎(chǔ),采用C25混凝土共1 300 m3 ,由于施工措施不當(dāng),拆模后就開裂了。根據(jù)加固用化學(xué)灌漿液量反算,裂縫取平均寬0．36 mm計(jì),基礎(chǔ)中開裂面積達(dá)800 m2。

1．2　混凝土脹縮

　　混凝土同樣有“濕脹干縮”現(xiàn)象,它們要經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才趨穩(wěn)定。通常齡期1 a的混凝土收縮量約為總量(齡期以20 a計(jì))的80%,而齡期2個(gè)月為50%。混凝土收縮主要來自水泥漿的收縮,水灰比越大,收縮越大。此外,水泥用量、水泥細(xì)度、構(gòu)件截面形狀以及環(huán)境條件(溫度、濕度等) ,對(duì)結(jié)構(gòu)收縮都有影響。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下極限收縮εy0 ( ∞) = 3．24×10- 4。實(shí)際結(jié)構(gòu)的最終收縮由于受上述各因素影響,需要用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行修正:εy ( t) = 3．24 ×10- 4(1 - e- bt )M1M2 ⋯Mn。

1．3　環(huán)境(大氣)溫度影響

　　混凝土在常溫下的線膨脹系數(shù)ac = 1 ×10- 6(每攝氏度計(jì)) 。當(dāng)環(huán)境氣溫發(fā)生變化時(shí),結(jié)構(gòu)本身溫度也隨之而變化。即混凝土結(jié)構(gòu)隨氣溫的冷暖而發(fā)生縮脹,這種變化每年一輪回,而不象前2種因素那樣一次性完成。

2　減少變形“荷載”途徑

2．1　水化熱

　　(1)水化熱的升溫。在無任何熱損耗的條件下,大體積混凝土絕熱溫升估算:Tmax =WQ / (Cr)式中, Tmax為水化熱極值, ℃;W 為混凝土水泥用量,kg/m3 ; Q 為水泥水化熱量, J /kg; C為混凝土熱比,一般0. 92 ～1. 00 J / ( kg·K) ,取0. 96 J / ( kg·K) ; r為混凝土的密度,取2 400 kg/m3。

　　(2)減少水化熱“升溫”導(dǎo)致的溫差變形: ①采用低水化熱的水泥; ②采用能降低早期水化熱的混凝土外加劑; ③采用摻合料(加粉煤灰等) ; ④采取措施增加骨料的摻合用量,減少水泥用量。

　　(3)控制溫度。對(duì)大體積混凝土在養(yǎng)護(hù)期應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件,使混凝土內(nèi)部和外表的溫差不超過25℃。為此,宜采用保溫性能好的模板,并防止模板表面受到暴雨“急冷”或迎風(fēng)向的迅速散熱等情況的發(fā)生。

2．2　材料的收縮

　　混凝土材料的收縮,取決于所用材料的用量和性質(zhì)。施工中應(yīng)盡可能地降低水灰比,減少水泥漿用量,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)及創(chuàng)造濕潤環(huán)境。摻外加劑是處理因水化熱降溫和混凝土自身收縮引起開裂的較好方法。當(dāng)采用UEA作外加劑,摻入量為8%～14%時(shí),其限制膨脹率為2 ×10- 4 ～2 ×10- 6。對(duì)比前述混凝土極限收縮εy的討論,在混凝土中合理摻入U(xiǎn)EA類外加劑,就可以抵消因收縮而產(chǎn)生導(dǎo)致混凝土開裂的大部分拉應(yīng)力。在處理超長混凝土結(jié)構(gòu)中,處理因水化熱、材料收縮2種因素造成混凝土開裂的常用方法是預(yù)留“后澆帶”。其原理是一種“化整為零”“放”的方法,即在施工過程中人為地使混凝土結(jié)構(gòu)“變形”、區(qū)段單元變小。這樣可導(dǎo)致對(duì)混凝土脹縮變形的約束相對(duì)減小(相應(yīng)的約束應(yīng)力也有所減小) 。因?yàn)橛伤療峤禍卦斐傻氖湛s和硬化過程造成的收縮是一次性的,后澆帶處理得當(dāng),可以防止這種原因造成的裂縫。后澆帶的預(yù)留目的與時(shí)間: ①讓前述的2種變形盡量完全釋放,水化熱的升溫大約在澆筑后2～5 d,而其降溫時(shí)間需要10～30 d; ②因?yàn)楹鬂矌У臐仓喈?dāng)于將原來“化整為零”不連續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)“拼零為整”,復(fù)原后的結(jié)構(gòu)屬超長結(jié)構(gòu),稱之為“合攏”,合攏后的這個(gè)超長結(jié)構(gòu)將承受年溫差變化的脹縮。因此,施工后澆帶的合攏時(shí)間不宜選擇地區(qū)溫度的極點(diǎn)時(shí)間(最冷或最熱) ,而應(yīng)選擇年度氣溫差較小的季節(jié),以保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受的溫差變形最小。

2．3　大氣溫差造成的脹縮

　　由于混凝土材料的收縮齡期1 a僅完成80%,而膨脹劑的膨脹量1 a內(nèi)基本已完成,二者達(dá)不到完全同步,因此還會(huì)有一定的殘余量。對(duì)此在實(shí)際工程中可采取以下措施: ①通過溫度應(yīng)力驗(yàn)算,增大抗溫度應(yīng)力配筋; ②對(duì)某些結(jié)構(gòu)采取減少年度溫差的措施(如保溫隔熱等) ; ③采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu); ④提高混凝土的抗拉強(qiáng)度(如采用纖維混凝土等) ; ⑤按規(guī)范要求合理設(shè)縫。

3　結(jié)語

　　由水化熱降溫和混凝土材質(zhì)收縮引起的裂縫,其內(nèi)應(yīng)力將隨裂縫的產(chǎn)生而釋放,這種裂縫可以通過修補(bǔ)堵縫的方法加以處理;而大氣溫差造成的裂縫,照此處理則是無法解決的。