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混凝土收縮裂縫探討

  混凝土發(fā)生裂縫是建筑工程中一個普遍的技術(shù)問題。其產(chǎn)生裂縫的原因主要有荷載因素和非荷載因素,對于前者,《規(guī)范》已針對不同的建筑等級及要求給出了成熟的裂縫控制驗算公式。根據(jù)一項調(diào)查統(tǒng)計表明:由于非荷載(溫度、收縮、不均勻沉降)引起的裂縫約占80%;而屬于由荷載引起的僅占20%。同時,由于泵送混凝土采用高水泥用量、高單位用水量和高砂率的配比,因此,隨著泵送商品混凝土的大量推廣應用,混凝土非荷載裂縫出現(xiàn)的幾率也大大增加,不僅影響了建筑物的外觀質(zhì)量,同時對建筑物的長期耐久性也產(chǎn)生了不良影響,甚至會使人們產(chǎn)生“裂縫恐懼感”。由此可見,非荷載裂縫在混凝土裂縫中占有主導地位,研究和探討它有極其重要的現(xiàn)實意義。下面對非荷載裂縫中的收縮裂縫做一些防控研究。

  1 混凝土收縮過程及機理
  了解混凝土收縮過程及機理,有助于深入其實質(zhì),把握其本質(zhì),從而對采取相應的抗收縮裂縫對策有所幫助。

  混凝土材料因物理化學作用而產(chǎn)生的體積縮小現(xiàn)象統(tǒng)稱為收縮。從混凝土開始澆筑至使用期,收縮過程大致可以分為五個階段即:塑性收縮期,自生收縮期,水化熱溫差收縮期,干燥收縮期,環(huán)境溫度收縮期等。

  混凝土收縮的原因及機理主要可概括為以下三個方面:

  1) 干燥收縮的原因是混凝土內(nèi)部水分的消失。但是,開始干燥時所損失的自由水并不會引起混凝土的收縮,因此其主要原因是吸附水的消失;

  2) 自生收縮是在沒有水分轉(zhuǎn)移下的收縮,其原因是水泥水化物的體積小于參與水化反應的水泥和水的體積,因此這是一種由水泥的水化反應所產(chǎn)生的固有收縮,但其值與干燥收縮比較是微不足道的;

  3) 碳化收縮是混凝土中的水泥水化物與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學反應的結(jié)果。

  混凝土如果在無約束的條件下收縮,它只會單純地引起體積縮小,而不會產(chǎn)生應力,但實際工程中的混凝土構(gòu)件均會不同程度的受到約束,使得混凝土為了保持初始長度,收縮就會在混凝土中產(chǎn)生拉應力。由此可知,混凝土產(chǎn)生收縮裂縫必須具備三個條件:收縮變形的大小,約束的情況,實時的抗拉強度。這也是預防及控制混凝土收縮裂縫的出發(fā)點。

  2 混凝土收縮應變實用計算法
  2.1 一般計算方法
  英國BS5400 提出的關于收縮應變計算式由四個系數(shù)相乘,即:

  εsh = kl ×kc ×ke ×kj 。

  其中, kl ,kc ,ke ,kj 為影響系數(shù),由表格或圖解的方式給出以供查用歐洲混凝土委員會—國際預應力協(xié)會給出的計算式為:

  εsh (t,t0) =εsh0 [βs (t) - βs (t0) ] ,
  εsh0 =εs1 ×εs2 ×εsh0 。

  式中:εsh0 ———收縮應變基準值;
     εs1 ———取決于環(huán)境;
     εs2 ———取決于名義厚度h0 。

  εs1 ,εs2可由相應的圖表查出,βs 為收縮隨時間發(fā)展的函數(shù),也可由圖表查出,t為所考慮瞬間混凝土的齡期,t0為開始考慮收縮影響瞬間混凝土的齡期。

  B —P 模式給出的計算式更為復雜,它沒有相應的通過實驗得到的數(shù)據(jù)圖表,偏重于純計算式的應用。另外,還有美國混凝土學會、英國混凝土協(xié)會等也給出了不同的計算條款。

  2.2 一種實用計算法
  該法的基礎是找出標準狀態(tài)下的最大收縮應變,而任何處于其他狀態(tài)下的最大收縮應變用各種不同的系數(shù)加以修正。任意狀態(tài)下最大(最終) 收縮應變值以εy (∞) 表示,標準狀態(tài)下以ε0y ( ∞) 表示,則:

  εy (∞) =ε0y ( ∞)M1 ×M2 ×M3 ×M4 ×…×Mn 。

  式中: M1 , M2 , M3 ,…, Mn ———各影響因素的修正系數(shù),可由相應的表格查出,具體表格可參閱參考文獻;
  ε0y ( ∞) ———在標準狀態(tài)下由實驗得出的收縮應變值。

  標準狀態(tài)為:275號普通水泥;標準磨細度(比表面積為2500 cm2/ g~3500 cm2/g) ;骨料為花崗巖碎石;水灰比為0.4 ;水泥漿含量為20%;混凝土振動搗實;自然硬化; 試件截面為20cm×20cm;測定收縮前濕養(yǎng)護7d ;周圍空氣相對濕度為50%等。

  ε0y ( ∞) 用結(jié)構(gòu)相對收縮變形表示,其實驗統(tǒng)計值為: 3.24 ×10-4 。而對于任意時間任意狀態(tài)下收縮應變的計算式可由下式表示:

  εy ( t) =εy ( ∞) ×(1-e-bt ) 。

  式中: b ———經(jīng)驗系數(shù),一般取0.01;
  εy ( t) ———任意時間任意狀態(tài)下的收縮應變, t 以天為單位。

  這樣,就可以求出約束方向任意時間任意狀態(tài)下的收縮應變值,從而可以初步判斷約束方向混凝土收縮裂縫是否會出現(xiàn),如果有出現(xiàn)裂縫的可能,就可以參照其修正系數(shù),對混凝土相應的配制條件(由決定M1,M2,M3 .值的因素決定,可由相應的表格查出) 如:水泥品種、水泥細度、配筋率等加以調(diào)整,直到滿足條件εy ( t) <εcmax為止,以達到初步防控混凝土收縮裂縫的目的。

  3  混凝土收縮裂縫的防控原則
  在工程實踐中,采用“放”的原則的應用主要有:

  1) 設置混凝土后澆帶。新版高層規(guī)程和混凝土規(guī)范中規(guī)定:每30m 留出施工后澆帶,其寬度為800mm~1000mm。這是國內(nèi)外通用的減小混凝土收縮不利影響的有效方法。

  2) 設置伸縮縫。混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距依據(jù)結(jié)構(gòu)類別和所處環(huán)境做出了規(guī)定。

  3) 在施工過程中,應重視施工組織管理,采取正確的澆筑順序與振搗方式等。

  在工程實踐中,采用“抗”的原則的應用主要有:
  1) 采取構(gòu)造
  措施控制或減少混凝土收縮,如增設鋼筋或鋼筋網(wǎng)作為補償;在溫度收縮應力較大的現(xiàn)澆板中,表面布置雙向溫度收縮鋼筋等。有的構(gòu)造物伸縮縫的間距雖然符合規(guī)范要求,但由于施工周期長,結(jié)構(gòu)為暴露在大氣中的露天結(jié)構(gòu),故在結(jié)構(gòu)中斷面薄弱處、應力集中處宜采用各種加強措施。

  2) 采取外加劑和施加預應力補償混凝土的收縮。在混凝土中加入外加劑,產(chǎn)生少量預壓應力來補償混凝土硬化過程中產(chǎn)生的收縮應力,從而使裂縫控制在無害范圍內(nèi),當然,應用時要注意外加劑的技術(shù)條件,并注意保溫養(yǎng)護。預應力混凝土可增強梁板剛度,所產(chǎn)生的預應力可抵消由于混凝土收縮產(chǎn)生的軸向拉應力,從而消除或減少收縮裂縫的出現(xiàn),達到擴大伸縮縫間距,不設后澆帶,當然,所施加的預應力必須是專門用于抵消收縮應變的預應力。

  3) 混凝土體積較大時,要防止各種收縮應力疊加等。
  在大量工程中,單純地采取“放”或“抗”的措施達不到預期的效果,而應把兩者結(jié)合起來,才能達到防控混凝土收縮裂縫的效果。

  4 結(jié)語
  收縮裂縫屬于早期裂縫范圍,其形成機理復雜,需要考慮的因素頗多,既有環(huán)境因素,又有材料本身的原因,還有施工工藝的影響。因此,不能單純地依賴于計算或概念手段,而應把兩者結(jié)合起來綜合應用,從整體論的觀點進行防控,不能簡單地認為采取了某種措施就萬事大吉了,只有具體分析,適時、適度地做好每個環(huán)節(jié),才能達到防控混凝土收縮裂縫的理想效果。

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2024-12-25 23:03:41