大体积混凝土早期温度裂缝阶段分析与控制
王慧,何亚伯
(武汉大学土建学院,湖北武汉430072)
【摘 要】 大体积混凝土的温度裂缝控制是一个难点。通过对大体积混凝土浇筑后各个阶段的应力分析,力求揭示温度裂缝形成的原因,并提出与之相对应的控制措施以及可靠性设计的概念。
【关键词】 大体积混凝土; 温度应力; 温差; 裂缝; 控制措施; 可靠性设计
【中图分类号】 TU755·6+7 【文献标识码】 B
大体积混凝土施工阶段早期所产生的裂缝,是其内部矛盾与外部矛盾共同发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差而产生应变和应力,另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束。在一般情况下,当应变超过了混凝土的极限应变,结构物就要产生裂缝;裂缝发展到严重程度,结构物因失去承载能力就会破坏。混凝土的抗压强度和极限压缩变形值一般较高,但其应力超过了混凝土的抗拉强度或拉伸应变超过了混凝土拉伸极限则会产生裂缝。
1 混凝土阶段应力分析
混凝土内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度与结构物的散热温度等的叠加,而温度应力则是由温度不均匀变化造成的。温差越大,温度应力也越大。但由于结构物有一个自由散热条件,实际上混凝土内部的最高温度,多数发生在混凝土浇筑后的最初3~5 d。
1·1 混凝土浇筑后到混凝土出现应力的阶段
混凝土浇筑后,水泥逐渐水化并不断升温。在结构物凝固之前,混凝土处于塑性阶段的零应力状态,可自由流动,即处于零应力阶段。
1·2 内部混凝土压应力变化阶段
随着水泥不断继续水化,混凝土硬化并继续升温,体积膨胀变形;待混凝土温度达到最高温度后降温,又使混凝土体积回缩。混凝土的弹性模量在最高温度之前发展很快,而抗拉强度发展却较慢。由于内部体积的增大,变形受到混凝土界面处的外约束,内部产生压应力;而表面散热较快,形成较大的内外温差,使混凝土表面产生拉应力。此时混凝土的抗拉强度很低,如果拉应力超过混凝土的极限抗拉强度,就会在混凝土表面产生表面裂缝。这是混凝土浇筑后由于温升影响产生的第一种裂缝。混凝土受到压应力后不久(一般要经过3~5 d),内部达到最高温度,压应力达到最大值。此后,随着水泥水化热的减少和混凝土表层热量的散失,温度开始下降,压应力逐渐减少,体积的膨胀变形值也开始逐渐减小。此时混凝土的弹性模量增长减慢,徐变缓慢增加,抗拉强度增长仍旧很慢,抗拉强度不高,体积收缩硬化和强度增长而逐渐增加,收缩而引起的拉应力随之逐渐增加,压应力阶段结束,混凝土开始进入拉应力阶段。
1·3 混凝土的拉应力变化阶段
当混凝土降温时,由于逐渐散热而产生收缩,再加上混凝土硬化过程中,混凝土内部拌合水的水化和蒸发,以及胶质体的胶凝等作用,促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩受到基底或结构本身的约束,会产生收缩应力,即拉应力。虽然混凝土内部拉应力均值不大,但分布不均,且随着时间的推移,弹性模量,徐变屈服的方差以及应力变化值都将很大。温度继续下降,混凝土的弹性模量虽然增长很慢,但还在继续增长,徐变继续增加,混凝土降温收缩引起的拉应力继续增加。如果产生的拉应力超过当时的混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土中产生收缩裂缝,这种收缩裂缝有时会贯穿全断面,成为结构性裂缝,带来严重的危害。
2 早期裂缝控制原理及主要措施
在混凝土水化热过程中产生的两种早期裂缝中,一种是温升阶段的表面裂缝,另一种是降温阶段的收缩裂缝。相对而言,第二种裂缝对结构物的破坏性更大。本文从混凝土总热量和散热速度;环境约束条件两方面着手分析控制第二种裂缝。
2·1 降低总热量,改善散热条件混凝土养护阶段的温升温降,使混凝土产生应变,温度应变为:
εΔT=a·ΔT (1)
从公式(1)可知,减小温度拉应力的最有效而最现实的方法是减小最大温差。
ΔTmax=Tmax-Tf(2)
若想减小混凝土的最大温差,一是减小混凝土温升后的最高温度,二是提高混凝土的表面温度,为此要进行混凝土表面保温。混凝土浇筑后的最高温度为:
Tmax=Tt+T0(3)
式中εΔT为混凝土温度应变;ΔT为混凝土温差;a为混凝土线膨胀系数;ΔTmax为混凝土最大温差,Tmax为混凝土最高温度;Tf为混凝土表面温度;T1为混凝土水化热最高温度;T0为混凝土成型时温度。
为了避免大体积混凝土出现裂缝,要使其内部温度与其表面温度之差尽量减小,满足我国规范规定的温差限值25℃的要求,采取如下措施:
2·1·1 降低混凝土成型时的温度
混凝土的入模温度与拌合料的温度有关。由混凝土配合比可知,影响混凝土成型时温度的主要因素是石子和水的温度。所以要想获得较低的混凝土成型温度,最有效的措施就是降低石子和水的温度。
2·1·2 降低水泥水化热引起的最高温升
影响混凝土内部最高温升的因素主要是单位混凝土水泥的用量及单位水泥的水化热。因此,要降低混凝土内部的最高温升,就要在满足混凝土强度等技术指标的前提下降低混凝土的水泥用量及选用水化热较低的水泥。如(1)选用含C3A较少的低热或中热的水泥配置大体积混凝土,例如:大坝水泥或矿渣水泥等; (2)选择适合的骨料级配,从而减少水泥和水的用量,增加混凝土的和易性,有效控制混凝土的温升。施工时在条件允许的情况下尽量选择粒径较大、级配良好的粗骨料; (3)充分利用混凝土的后期强度,以减少混凝土中的水泥用量,从而降低水化热。(4)加入适量减水剂和缓凝剂,以改善混凝土的性质,延长散热时间,从而降低水化热减小温差。
2·1·3 改善混凝土的散热环境及养护
混凝土水化热及散热的速度取决于在此时混凝土的成熟程度,这与时间和温度相关。大体积混凝土由于实际的内外条件差别大,温度峰值出现的时间相差也大。水化热散热时间长度对于混凝土水化热的敏感性来说,是一个重要参数,时间越长,敏感性越低。在其他条件不变的情况下,低热混凝土的温度峰值出现较晚,能够减缓结构的开裂。而且低热混凝土在水化过程中的温度梯度较小,承受均匀温差收缩的厚度大,开裂的可能性降低。另一个方法就是对混凝土进行养护。在混凝土升温阶段,要保持表面湿润,若有条件应适当散热,既可以降低混凝土温升峰值,又可防止影响后期强度。可采取内部和外部降温法,以获得低温混凝土。在降温阶段,混凝土处于收缩状态,必须保湿保温养护,目的是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差以降低混凝土块体的约束应力。降低大体积混凝土的降温速度,即降低荷载速度,那么可认为脆性混凝土变得粘滞了,其极限拉伸可以提高1~3倍。而且混凝土块体中出现的连续变形级差较小,尽力松弛充分地利用了混凝土的抗拉强度,以提高混凝土受外约束应力时的抗裂能力,达到防止或控制温度裂缝的目的。
2·2 改善边界约束和采用构造设计
(1)分层分块浇筑。不仅可以减轻约束的作用,缩小约束范围,同时也可以利用浇筑块的层面进行散热,降低混凝土内部的温度,但要注意浇筑的间隔时间。
(2)设置温度配筋。孔洞周围、变断面处、转角处等,由于温度变化和混凝土收缩会产生应力集中而导致裂缝。为此,可在孔洞四周增配斜向钢筋或网片;在变断面处避免突变;如果块体中间配筋较少,从加强结构整体性和减少温度应力出发,也应该适当增加一些温度配筋。
(3)设置滑动,缓冲层。根据工程不同特点,采取不同措施,降低外约束力。
3 温度裂缝可靠性设计
导致混凝土早期开裂的不确定因素较多且变动大,重要的安全因素在设计时必须得到重视。但过度的设计意味着提高成本。可靠性分析正是被用来评估结构破坏的可能性,揭示安全性与经济性的关系,帮助工程师作出决定。基于这种分析,设计师首先需要根据建筑物的重要程度选择一种可接受的风险等级。设计分析流程见图1:
通过综合制定防止混凝土开裂的各种措施,在一定的可靠度下,混凝土性能满足环境条件的要求,可靠性设计实际上是概率设计的一种形式,考虑了出现小概率事件的可靠性,通过设定可靠性指标,旨在安全性和经济性之间找到一个平衡点。
4 结束语
预防大体积混凝土裂缝是一个比较复杂的问题,必须从控制混凝土浇筑温度、控制温升、减少温差、改进施工操作工艺、改善结构约束条件等方面,采取综合性的控制措施。其重点是分阶段地消除或降低混凝土内外温差引起的温度应力。实践证明,有很多工程内外温差大于25℃,但混凝土没有开裂;而有一些工程的内外温差小于25℃,混凝土却开裂了,所以具体情况还需具体分析。只要思想上重视,措施上得力,大体积混凝土裂缝是能够预防和控制的。 |
