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1、泵浇混凝土薄壁结构的温度干缩应力和裂缝问题【摘要】本文分析了泵浇混凝土薄壁结构的温度和干缩应力,阐明了裂缝的原因,并对防治的措施进行了探讨.近年来,在某些泵浇混凝土薄壁结构内发生了裂缝,这些裂缝往往与混凝土的温度和干缩应力有关.一,泵浇混凝土薄璧结构的有关特点(1)由于薄壁结构尺寸的限制和用泵输送混凝土的要求,混凝土用石子粒径较小,有的甚至是最小的一级配,混凝土坍落度可达15era,水泥用量可达400kg/m左右.(2)尽管壁厚小,可小到0.60.8m,壁面散热条件好,但由于水泥用量很大,混凝土绝热温升很高,薄壁内水泥水化热温升往往仍较大,可达1820C,在不利的约束条件下,如受基础板约束或受
2、已浇而停歇较久的下部老混凝土约束,就可能产生很大的温度应力,再加上干缩等其他不利因素而导致裂缝.(3)由于混凝土配台比中灰骨比,砂石比较一般混凝土高得多,因而混凝土干缩大,最终干缩可达(4001210)10,即相当于40以上的温度变化引起的自由变形,在受到约束时会产生很大的应力.(4)薄壁混凝土结构常常是加筋的,钢筋热膨胀系数约为1.210,与混凝土的热膨胀系数很接近,两者在承受温度变化时基本可同步变形,内应力很小.在混凝土发生干缩时情况就不同,钢筋是不变形的,且阻碍了混凝土的变形,因而使混凝土的干缩应力增加.但加筋可以限制裂缝开展,与素混凝土相比,加筋后裂缝往往宽度和深度减少而条数增加.=,
3、实例分析江苏某泵浇混凝土薄壁结构裂缝部分可概化为如图1的温度和应力计算结构概化图,壁厚60era,混凝土设计强度C25和C20,其所采用的混凝土配合比见表1.几处薄壁侧面发生的裂缝情况如图2,可以看出裂缝大部分发生在水平施工缝以上,裂缝长度1.12.8m,间距1.02.5m,由于壁厚小,通过外观查围1结构精化围围2曩缝分布示意围衰1混凝土的浇筑日期殛配台比情浇筑日期水泥水泥用量水灰比设计配音比外加船薅度备注况(年.月)品种(k)标号及播量()AI螂7普硅42541o0.5C1:124:2.5T0.5%14一l6T为缓凝型,石子最大粒径am=2em.28d立方体抗压强度%=.9MPa,RB=27
4、1B3.6普硅4253500.571:2.15:2.98T0.5%1416一l3一看和缝深检测相当多的裂缝已贯穿.施工缝停歇时间约2个月,形成了新老混凝土之间的约束.1.薄壁内部温度计算根据大多数裂缝发生在施工缝以上判断,由新老混凝土约束产生的水化热应力,可能是裂缝的重要原因,因此本例着重计算由于水化热在薄壁新浇混凝土中引起的温度变化.由于薄壁的厚度远较其他两个方向尺度为小,可简化为有内热源的一维热传导问题,并满足下列热传导方程和边值条件(见图3):热传导方程aT=+(1)dfddf初始条件r=0=(2)边界条件r>0=-4-z+芦(一)=0(3)本工程属中型工程,混凝土浇筑量不大,一般
5、只做混凝土的强度试验,混凝土的热学性能和其他力学性能将参照类似工程的资料采用.式(1)中为混凝土绝热温升嘶)=(4)式中为水泥用量,按照表1所列两种情况=410kg/m3,=350kg/m3.口(f)为水泥水化热,两种情况均用普通硅酸盐水泥425,其最终水化热o0=376.81kJ.混凝土密度p=2400kg/m3,比热C=0.921kJ/(kg?).由式(4)可得最终绝热温升=69.89,B=59.66.按照混凝土在7月份左右浇筑,浇筑温度(即初始温度)=25,相应采用混凝土的绝热温升过程线见图4.田4混凝土的绝热逗升式(1)(3)中其他符号:导温系数n=0.1m2/d;导热系数=10.89
6、kJ/(1et?h?);热交换系数口=83.736kJ/(1et?h?),以上只给出一种数值的热性能,均表示对两种情况取值相同.通过数值法求解上述边值问题式(1)一(3),可求得薄壁中心的混凝土温度变化过程线(图5)和浇筑后6小时和12小时的断面温度分布图(图6).由此可见:(1)由于水泥用量很高,混凝土最终绝热温升分别达到了69.89%和59.66,尽管本例特地采用了很小的壁厚0.6m,水化热散发条件较好,最高水化热温升仍达到22.55和17.55.(2)由于夏季浇筑,混凝土初始温度较高,水泥水化速度加快,(r)曲线早期急剧上升,其等于1天和3天的值分别为最终值的51%和70%,也即大量热量
7、在早期发生,亦促使水化热温升增加,并在浇筑后12小时即达到最高值.(3)由于壁厚很小,散热较快,95%以上热量在浇筑后两周内已散失,相应壁中心温度已降低到接近于初始温度.2.薄壁混凝土温度徐变应力计算考虑到上述施工缝停歇时间较长,在重新浇筑上部混凝土前,下部混凝土水化热已散尽且混凝土已基本硬化,成为了老混凝土,上部新混凝土将受下部老混凝土田3沮座场计算筒田田5薄璧内逗座分布n田6薄璧中心的水化热翟升过穗线一14一的约束而产生温度应力.根据以上一维热传导问题的假定,除沿垂直壁面方向有热交换并有温度梯度外,在其余两个方向(包括新老混凝土接触面上也省略)均无热交换,而且温度均匀分布.因此,可近似地用
8、约束系数法计算应力,其最大应力值发生在新老混凝土接触面上,在考虑混凝土弹模E=E(f)随龄期而变化的情况下,可用下式计算:()=Ot(Ti)E(f)IiAT,()(,f.)(5)式中,()为每一计算时段内的温度变化,本倒可按图5薄壁中心温度变化过程线进行划分,为每一计算时段中点的龄期(下同);E(f.)为新混凝土龄期时的弹模E值,计算时可从图7E=E(f)曲线上取值,f=28d时,(28)=2.9x10MPa,晶(28)=2.47104MPa;R(f1)为新混凝土龄期r.时的约束系数,圈7混凝土的弹性模其值随浇筑块的高长比旱和新老混凝土的弹模比E(f)/而变化.由图8可见,随着旱的减小和E(f
9、)/En的减小R增大,计算时需由譬和旦求得(r.)=【譬,】,在本例中LLnJ混凝土收缩缝间距为29m.譬=0.0827,新混凝土老化后风=R10.0827,1】=0.8;(Ti)为计算新混凝土因徐变而产生应力松弛的松弛系数,其值随加荷龄期tl的减小和持荷时间()的加长而减小,见图9;为混凝土的热膨胀系数,不随龄期而变化,取=1.0x10.对于水泥用量410kg/m和350kg/m两种情况,其应力计算结果见图10.为便于对比,同时给出了新混凝土抗拉强度忍(r)的增长过程,R系根椐表1实测抗压强度Rc推算,采用忍(f):0.09Rc(f),f=28d时,Rn=d).1,专二一fr-,fIfl2f
10、lf(d9/E,圈8新老混凝土块的约束系数圈lO混凝的温度应力过程蛾2.78MPa,R,s=2.44MPa.从以上成果可以看出:(1)早期新混凝土因水化热升温膨胀受到老混凝土约束产生了压应力,但此时混凝土弹模甚低,压应力不大,随后由于混凝土达到最高温度转而降温,逐步产生拉应力,最大拉应力发生在龄期f=7d左右,继后由于降温过程趋向约束和混凝土应力的松弛,拉应力又逐步降低.(2)f=7d时最大拉应力口=1.98MPa,虽尚未超过同龄期混凝土抗拉强度=2.39MPa,但抗裂安全系数=1.2,尚不足一般要求1.3.相比之下,=1.5blPa,同龄期=2.1MPa,K=1.4,也即随着水泥用量的降低,
11、抗裂安全系数还略有提高,但两种情况安全余裕都不大,在不利条件下将易于产生裂缝.(3)按本例施工条件,在较长期停歇施工缝上浇新混凝土,其浇筑层厚2.4m,伸缩缝间距29m,高长比11/L=0.0827,约束系数达0.8.如11/L增至025,其E(f)/Eo=1.0时的R可减至0.61(图8),由此经计算其最大拉应力Oa可减至1.58MPa,即减少20%.3.泵浇薄壁混凝土的干缩混凝土因丧失水分而产生干缩变形.混凝土内水分(湿度)的变化服从于与热传导类似的扩散方程,可以通过类似的方法求解,对于干缩应力也已发表了一些研究结果.但由于干缩应力的机理较温度应力更为复杂,如混凝土的胀缩系数就不是常数,吸
12、水时膨胀小,干燥时收缩大.而且对混一15凝土表面的湿度交换以及干缩时的徐变都研究得不够.因此,已发表的干缩应力分析成果虽可说明一些问题,但离开实用尚有相当差距.这里主要对不同配合比混凝土的最终干缩量做一些分析.混凝土最终干缩与其各项配合比参数的关系可用以下各式表示=1330970Y(6-1)Y=(390Z+1)(6.2)Z=0.381(RcTI)【s()+o-s(号)1+曼()一12(6-3)式中R为混凝土28天龄期的长直强度,MPa;s,g分别为细,粗骨料用量,kg;,分别为水泥用量和用水量,而且z必须>0,否则需令Z=0.上式是根据骨料最大粒径dM(1.33.8)cnl的混凝土干缩试
13、验成果整理出来的,本例由=2em,属于上述范围.由式(6)可见,强度越高,骨灰比S+g/越大,石砂比g/s越大,砂灰比S/W越大,越小,而水灰比w/越大,岛越大.将表1中两种混凝土配合比参数代入式(61)(6-3),并注意到一般长直强度约等于立方强度的0.76倍,即Rc,I=0,76R,最后可得:情况A,=410kg,:442x10一情况B,=350kg,=360x10一可见由于泵浇混凝土的水泥用量高和骨料用量少,其最终一16一干缩很大.研究表明混凝土的导湿能力远小于其导温能力,根据某些资料,如混凝土一面暴露在相对湿度为50%的空气中,要使其7cm的深度降到这个湿度需要1个月时间,要使其30e
14、m深度(相当本饲薄壁中心)降到这个湿度则需要23年时间.但如疏于养护就会发生干缩裂缝,即使裂缝深度只有如上所述的7em,也就相当于壁厚的近1/4,而且裂缝顶端已位于由温度应力产生的较大拉应力区,缝端应力集中易于使裂缝扩展而两面对穿,形成贯穿裂缝,这已为本例裂缝检测结果所证明.本例实际发生的裂缝条数多而比较分散,除了配筋的原因而外,带有干缩裂缝的性质是其另一重要原因.三,小结通过以上实饲分析可以得到如下几点认识:(1)由于施工输送混凝土的需要,泵浇混凝土的坍落度大,水泥用量高,尽管薄壁结构的厚度小,有利于散热,但混凝土由水泥水化热温升仍相当高,而且温度拉应力也相当高,可能成为裂缝的原因,不能因为
15、薄壁结构而掉以轻心.(2)由于壁厚小,水泥水化热在较短的时间内就可基本散尽(约两周左右),同时新浇混凝土在3周左右即基本硬化.因此无论从温度和弹模来看,在浇筑3周后新浇混凝土就变成了老混凝土,如水平施工缝停歇超过这一时限,就会形成新老混凝土约束,亦即除了应注意基础约束应力而外,也需注意因新老混凝土约束产生的温度应力.(3)在本例发生裂缝的部位,混凝土浇筑块高长比很小,使由于新老混凝土约束产生的温度应力很高,说明这种浇筑进度安排(水平施工缝的位置)和伸缩缝的间距不利于减小温度应力和防止裂缝.(4)坍落度大水泥用量高的泵浇筑混凝土,干缩量大,在上部暴露部位疏于养护时易发生表面裂缝,再与温度拉应力叠
16、加,由于壁厚小还容易发展为贯穿裂缝.为了防止这类裂缝,可从以下四方面采取改进措施:(1)研制和采用性能好的混凝土泵,避免因输送需要而过分增大坍落度和水泥用量.(2)事先对泵浇混凝土的配合比和原材料进行较深人的试验研究,优化混凝土配合比,采用优质外加剂,在满足同样施工要求下尽可能减少水泥用量,不能因混凝土浇筑总量不大而放松混凝土试验工作.(3)合理安排混凝土浇筑进度,避免施工缝停浇时间较长,避免形成不利的基础约束或新老混凝土约束条件,导致过高的温度拉应力.伸缩缝的问距应结合浇筑情况适当选择,必要时应适当减少.(4)泵浇混凝土干缩大,尤其要注意养护,以免干缩和温度应力叠加,形成贯穿裂缝.顺带说明,所幸本例中裂缝并不发生在结构主要受力方向,而且大部分位置又在正常水位以上,对结构安全尚没有严重威胁,但为防止钢筋绣蚀和保证结构的耐久性,仍应进行适当补救和处理.A