温度应力对混凝土裂缝的影响（韩卓明）

时间：2021-01-12 08:12:14　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：以潮白河防洪闸挡墙裂缝为例，对混凝土挡墙裂缝的形成进行分析，对挡墙混凝土温度应力、收缩应力进行计算分析，并提出相应的措施。

关键词：温度应力混凝土裂缝

1 工程基本情况

潮白河防洪闸共6孔, 为开敞式钢筋混凝土结构, 单孔净宽6m, 中墩5个, 挡墙25个, 出现裂缝的是最先浇筑的6块挡墙。25个挡墙长度分别为6.5-18.0m,高度6.2-8.2m,挡墙断面为梯形, 迎水面为直墙, 背水面为斜墙, 上口宽为50cm,下口宽为200cm。挡墙内外设有双向钢筋, 直径18-20mm,保护层厚度45mm。挡墙混凝土配合比为C23F150W4,采用水泥为32.5普通硅酸盐水泥, 水泥用量344kg,水灰比0.48,砂率37.5%,骨料为5-25mm。浇筑工艺采用泵送混凝土, 混凝土坍落度控制在14-16cm, 在混凝土浇筑后7-10d,25个挡墙中6个都出现2-3条裂缝, 裂缝较垂直且无分叉, 一般在挡墙中部向上伸展, 下部开展到距底板10-50cm,裂缝在浇筑块的1/3-1/2处。

2 裂缝产生的原因

该工程挡墙断面最宽处200cm, 最窄处50cm, 平均厚125cm, 水化热引起的混凝土内外温差已经超25℃ , 为双面散热, 应按大体积混凝土施工。大体积混凝土施工中产生的温度裂缝, 是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变。另一方面是结构的外约束和混凝土各质点的约束阻止了这种应变, 一但温度应力超过混凝土能承受极限抗拉强度, 就会产生不同程度的裂缝。对该工程来说主要原因为以下3点：① 塑性塌落引起的裂缝；
②温度变化引起的裂缝；
③混凝土收缩引起的裂缝。本文就温度应力对潮白河防洪闸挡墙裂缝的影响进行分析。

3 只考虑底板约束时挡墙混凝土温度应力的计算

3.1 水平方向主要应力σ的计算

挡墙作用在底板上, 可视作一个长墙结构, 受刚性基础约束, 沿水平方向主要应力σ, 按下式计算：

σ=-EαT(1-ch β/cbβ L/2),边墙截面中点x=0,ch β=1,此时剪应力为0,上式即为：

σ=-EαT(1-1/cb β L/2) (1)

式中：

E——混凝土静弹性模量/(N/mm2),C25的E=2.8×10 4N/mm2；

α——混凝土线性膨胀系数, 取1.0×10-5；

T——综合温差℃ , 包括水泥水化温差、气温差和收缩当量温差；

L——墙水平长度/mm；

chβ——双曲余弦函数, β={Cx/(EH)}1/2,这里Cx为基础水平阻力系数,E为静弹性模量,H为结构高度,基础为钢筋混凝土时, C=1.0-1.5N/mm3。

3.2 综合温差T的计算

这里的综合温差包括水泥水化温差T1,气温温差T2,收缩当量温差Tr。

3.2.1 水泥水化温差T1

水泥水化温差按下式计算：

T1=T浇+Thξ-T气 (2)

式中：T浇——浇筑混凝土温度/℃；

T气——浇筑混凝土平均温度/℃；

Th——混凝土最终绝热温升/℃,Th=ω·Q/Cρ；

这里ω为混凝土中水泥用量/(kg/m3)；

Q——水泥水化热量(kJ/kg), 本式取Q=377kJ/kg；

C——混凝土比热/(kJ/(kg·K)),

本式取0.97kJ/(kg·K)；

ρ——混凝土的容重/(kg/m3),本式取2400kg/m3；

ε——不同浇筑的厚度温降系数, 东墙为双面散热取0.193。

3.2.2 气温温差T2

气温温差按下式计算：

T2=T气+T稳

式中：T气——混凝土浇筑时的平均气温/℃

T稳——计算龄期月（或旬）的平均气温/℃ 。

3.2.3 收缩当温差Tr

收缩当量温差可由下式计算：

Tr=-{ε(r)+ε(o)}/α

混凝土收缩变形引起的应力可以代入公式(1)计算,也可综合后计算。

式中, ε(r)为任意时间混凝土收缩变形, 其计算公式为：

ε(r)=3.24×10-4(1-e-0.011)M1M2…Mn

其中,r为计算龄期/d；
M为材质,工艺有关非标准条件下的影响系数, 计算时只考虑水泥细度和水灰比影响。M2=1.35, M4=1.25,其余M=1.0。ε(0)=4×10-5。

3.2.4 综合温差计算值

具体数据见表1。

3.3 混凝土抗拉强度的估算

统计挡墙多组试件抗压强度f28=25×1.1=27.5Mpa,则10d龄期的抗拉强度约为fa(10)=0.044×f28=1.21Mpa,挡墙受底板约束其内部水平应力呈双曲函数分布。从表格计算分析6块边墙时的天龄期δmax。都接近1.21Mpa,这就说明结构处于易开裂状态。

4 温度变形分析

混凝土温度变形的大小, 取决于温度变化(即温差△T)和混凝土线性膨胀系数α。在约束条件下, 温差△T引起的温度变形是△T与线性膨胀系数α的乘积α×△T,当α×△T超过混凝土的极限拉伸值时, 即出现裂缝, 可表示为α△T/K》εp, K始终为常数, 取决于约束条件,徐变和塑性变形等；
移项得:

△T》Kεp/α

其物理意义是在完全约束及没有徐变和塑性变形时(即k=1)混凝土所能抵抗裂缝的温差, 一般α=1.0×10-5,一般情况下εp=50×10-8—100×10-8之间,εp/α即为5—10℃,当温差大于10℃时结构就可能开裂。建筑工程混凝土不可能受到完全约束, 也不可能没有徐变和塑性变形, 即K≥1时结构也可能不裂, 也只能说温差越大开裂可能性越大。该工程属大体积混凝土, 施工期间正值夏季, 混凝土的内部温度是由浇筑温度、水化热的绝热温升和混凝土的散热温度等各种温度叠加之和, 浇筑气温和外界气温有直接关系, 外界气温越高, 混凝土的浇筑温度越高, 如果外界气温下降, 会增加混凝土的温度梯度, 如果骤然下降, 会大幅加大温差, 造成大的温度应力, 会使混凝土出现裂缝。该工程挡墙施工中外界气温最高达33℃ , 浇筑气温更高, 内部温度经过测量有时高达80.5℃ , 而且持续时间长。因为工期紧张, 脱模时间过早, 内外温差骤升, 应力增加, 造成结构开裂。

5 相应的措施

在以后的十几块墩墙施工中为避免裂缝的产生, 采取了以下主要措施：

(1)控制坍落度在13-15cm,控制水灰比, 控制水化热。

(2)降低骨料温度, 控制开盘时间。骨料夏季可以洒水降温, 但拌和用水要减量。开盘时间要选择在夜间进行,温度较低。这样就可以降低浇筑温度5-10℃。

(3)缩短工序间隔时间。就是在底板浇筑后最短时间内进行墙体浇筑, 以减少因底板约束引起的应力变形, 尽量做到同步收缩。

(4)调整保护层厚度：从4.5cm到3cm以内更大发挥温度筋作用, 减少发生裂缝的可能性。

(5)加密下料口, 加强振捣。下料流槽口由原来的3m减小到2m, 保证了下仓混凝土骨料均匀分布, 消除应力薄弱断面, 同时加强振捣, 在不过振又不初凝的情况下, 进行2次振捣, 增加混凝土的密实度, 加大应力承受能力。

(6)延长脱模时间, 加强养护和保湿；
脱模时间由原来的5d延长到10-12d, 避免温度骤降引起的应力变化,同时加强养护和保湿, 增加强度。

作者简介：韩卓明（1968-）, 男, 助理工程师。

来源：《北京水利》2005年第4期

相关热词搜索：应力裂缝 混凝土 温度影响