超长混凝土结构变形的机理和预防措施

摘要:论述了建筑结构中大体积混凝土结构产生裂缝的机理,介绍了实际工程中正确处理变形裂缝的措施。

关键词:混凝土结构;变形裂缝;大体积混凝土

中图分类号: TU37516　　　文献标识码: B　　　文章编号: 1003 - 0506 (2007) 02 - 0063 - 01

1　导致结构变形的因素

　　导致混凝土结构变形除了因动、静荷载作用引起外,结构构件内外的温度变化,材料的收缩和徐变等同样会导致结构产生不能忽略的变形。这里就混凝土浇筑过程的水化热、混凝土材料自身的收缩及建筑物所处环境温度变化所造成的变形进行讨论。

1．1　水化热

　　混凝土水化过程产生大量的水化热,对大体积混凝土结构应考虑水化的影响。在现行的《普通混凝土配合比设计规程》( JGJ /T55296)中的6．5节规定:混凝土结构物中,实体最小尺寸大于或等于1 m时,称大体积混凝土。这种厚实的结构在升温阶段,混凝土处于塑性,约束应力很小;但降温时,弹性模量很快增加,若处理不当,混凝土内外温差会很大,往往混凝土表面已经硬化而内部温度仍很高,较大的温度梯度造成了变形受约束而开裂。如某矿一个主抽风机基础,采用C25混凝土共1 300 m3 ,由于施工措施不当,拆模后就开裂了。根据加固用化学灌浆液量反算,裂缝取平均宽0．36 mm计,基础中开裂面积达800 m2。

1．2　混凝土胀缩

　　混凝土同样有“湿胀干缩”现象,它们要经过相当长的时间才趋稳定。通常龄期1 a的混凝土收缩量约为总量(龄期以20 a计)的80%,而龄期2个月为50%。混凝土收缩主要来自水泥浆的收缩,水灰比越大,收缩越大。此外,水泥用量、水泥细度、构件截面形状以及环境条件(温度、湿度等) ,对结构收缩都有影响。标准状态下极限收缩εy0 ( ∞) = 3．24×10- 4。实际结构的最终收缩由于受上述各因素影响,需要用相关系数进行修正:εy ( t) = 3．24 ×10- 4(1 - e- bt )M1M2 Mn。

1．3　环境(大气)温度影响

　　混凝土在常温下的线膨胀系数ac = 1 ×10- 6(每摄氏度计) 。当环境气温发生变化时,结构本身温度也随之而变化。即混凝土结构随气温的冷暖而发生缩胀,这种变化每年一轮回,而不象前2种因素那样一次性完成。

2　减少变形“荷载”途径

2．1　水化热

　　(1)水化热的升温。在无任何热损耗的条件下,大体积混凝土绝热温升估算:Tmax =WQ / (Cr)式中, Tmax为水化热极值, ℃;W 为混凝土水泥用量,kg/m3 ; Q 为水泥水化热量, J /kg; C为混凝土热比,一般0. 92 ～1. 00 J / ( kg·K) ,取0. 96 J / ( kg·K) ; r为混凝土的密度,取2 400 kg/m3。

　　(2)减少水化热“升温”导致的温差变形: ①采用低水化热的水泥; ②采用能降低早期水化热的混凝土外加剂; ③采用掺合料(加粉煤灰等) ; ④采取措施增加骨料的掺合用量,减少水泥用量。

　　(3)控制温度。对大体积混凝土在养护期应根据当地气候条件,使混凝土内部和外表的温差不超过25℃。为此,宜采用保温性能好的模板,并防止模板表面受到暴雨“急冷”或迎风向的迅速散热等情况的发生。

2．2　材料的收缩

　　混凝土材料的收缩,取决于所用材料的用量和性质。施工中应尽可能地降低水灰比,减少水泥浆用量,加强养护及创造湿润环境。掺外加剂是处理因水化热降温和混凝土自身收缩引起开裂的较好方法。当采用UEA作外加剂,掺入量为8%～14%时,其限制膨胀率为2 ×10- 4 ～2 ×10- 6。对比前述混凝土极限收缩εy的讨论,在混凝土中合理掺入UEA类外加剂,就可以抵消因收缩而产生导致混凝土开裂的大部分拉应力。在处理超长混凝土结构中,处理因水化热、材料收缩2种因素造成混凝土开裂的常用方法是预留“后浇带”。其原理是一种“化整为零”“放”的方法,即在施工过程中人为地使混凝土结构“变形”、区段单元变小。这样可导致对混凝土胀缩变形的约束相对减小(相应的约束应力也有所减小) 。因为由水化热降温造成的收缩和硬化过程造成的收缩是一次性的,后浇带处理得当,可以防止这种原因造成的裂缝。后浇带的预留目的与时间: ①让前述的2种变形尽量完全释放,水化热的升温大约在浇筑后2～5 d,而其降温时间需要10～30 d; ②因为后浇带的浇筑相当于将原来“化整为零”不连续的钢筋混凝土结构“拼零为整”,复原后的结构属超长结构,称之为“合拢”,合拢后的这个超长结构将承受年温差变化的胀缩。因此,施工后浇带的合拢时间不宜选择地区温度的极点时间(最冷或最热) ,而应选择年度气温差较小的季节,以保证钢筋混凝土结构承受的温差变形最小。

2．3　大气温差造成的胀缩

　　由于混凝土材料的收缩龄期1 a仅完成80%,而膨胀剂的膨胀量1 a内基本已完成,二者达不到完全同步,因此还会有一定的残余量。对此在实际工程中可采取以下措施: ①通过温度应力验算,增大抗温度应力配筋; ②对某些结构采取减少年度温差的措施(如保温隔热等) ; ③采用预应力结构; ④提高混凝土的抗拉强度(如采用纤维混凝土等) ; ⑤按规范要求合理设缝。

3　结语

　　由水化热降温和混凝土材质收缩引起的裂缝,其内应力将随裂缝的产生而释放,这种裂缝可以通过修补堵缝的方法加以处理;而大气温差造成的裂缝,照此处理则是无法解决的。