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    【水工混凝土温度裂缝的成因与防治初探性】大体积混凝土温度裂缝的成因

    时间:2019-04-15 03:30:59 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

      摘 要:通过现场观察,查阅有关水工混凝土内部应力方面的专著,对水工混凝土温度裂缝产生的原因、现场水工混凝土温度的控制和预防裂缝的措施等进行阐述。  关键词:水工混凝土 温度应力 裂缝 控制
      水利工程是我国国民经济基础设施建设的重要组成部分,水工混凝土在现代水利工程建设中占有重要地位,可以说水利工程离不开水工混凝土。
      目前叶尔羌河上已建成五座引水枢纽工程,分别为喀群引水枢纽、勿甫渠首、中游渠首、民生渠首和艾里克塔木渠首,提孜那甫河上已建成四座引水枢纽工程,分别为江卡渠首、红卫渠首、黑孜阿瓦提渠首和汗可尔渠首。叶尔羌河上建成水电站7座。这些水工建筑物建成后对叶尔羌河流域的国民经济发展起着举足轻重的作用,但这些工程建成运行过程中,或多或少的存在一些问题,现就对这些水工建筑物建设和运行期间所产生的混凝土温度裂缝进行论述。
      混凝土最重要的特征之一是它的抗拉强度很低,在大多数情况下混凝土构件是带裂缝工作的。裂缝引起周围应力的突然变化和刚度降低,裂缝处理的适当与否是能否正确的分析钢筋混凝土结构的关键问题。同时,也是较难处理的问题。目前对裂缝理论处理的方法有很多,常用的方法有3种:⑴单元边界的单独裂缝;⑵单元内部的分布处理;⑶单元内部的单个裂缝,用断裂力学的方法来处理[1]。
      对于裂缝处理需要依靠混凝土非线性有限元和断裂力学的方法分析和计算,一般只对大型桥梁、板壳、柱、核反应堆压力壳、混凝土大坝等工程裂缝处理时采用。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝,因此本文仅对施工中水工混凝土温度缝的成因和处理措施做一定性探讨。
      在大体积水工混凝土中,温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先,在施工中水工混凝土常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。
      一、裂缝的原因
      水工混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,水工混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如骨料级配不合理、碱骨料反应等),模板变形,基础不均匀沉降等。在叶尔羌河流域,存在粗骨料级配不良,细骨料细度模数太小,粗砂含量小的特点。水工混凝土的裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施,小心谨慎,但裂缝仍然时有出现。究其原因,我们对水工混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。
      水工混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝上的约束,又会在水工混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在水工混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出水工混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。
      许多水工混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部水工混凝土的约束,也往往导致裂缝,这在改建前的叶尔羌河东岸输水总干渠中局部裂缝就属于这种情况中比较严重的裂缝。小型及微型裂缝几乎在我们所建成的所有建筑物中存在。
      水工混凝土是一种脆性材料,抗拉强度是抗压强度的1/10左右,短期加荷时的极限拉伸变形只有(0.6~1.0)×104, 长期加荷时的极限位伸变形也只有(1.2~2.0)×104。由于原材料不均匀,水灰比不稳定,及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块水工混凝土中其抗拉强度又是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力,则须依靠水工混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中水工混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力,因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
      二、温度应力的分析
      根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:
      1.早期
      自浇筑水工混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段的两个特征,一是水泥放出大量的水化热,二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在水工混凝土内形成残余应力。
      2.中期
      自水泥放热作用基本结束时起至水工混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于水工混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝上的弹性模量变化不大。
      3.晚期
      水工混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。
      根据温度应力引起的原因可分为两类:
      3.1自生应力
      边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,交通桥梁墩身,水闸闸墩、渠首等建筑物中的混凝土挡土墙等素混凝土结构。结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。
      3.2约束应力
      结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。
      这两种温度应力往往和水工混凝土的干缩所引起的应力共同作用。
      要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。而我们现在讨论的只是中小型水工建筑物混凝土裂缝论述,而主要针对的是混凝土的温度缝,混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响,具体计算这里就不再细述。
      三、温度的控制和防止裂缝的措施
      为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
      1.控制温度的措施如下
      1.1采用改善骨料级配,用干硬性水工混凝土,掺混合料,采用外加剂等措施以减少水工混凝土中的水泥用量;   1.2拌合水工混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低水工混凝土的浇筑温度;
      1.3热天浇筑水工混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
      1.4在水工混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
      1.5规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免水工混凝土表面发生急剧的温度梯度;
      1.6施工中长期暴露的水工混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施;
      2.改善约束条件的措施是:
      2.1合理地分缝分块;如塔里木河流域近期综合治理项目中对混凝土渠道衬砌过程中吸取东岸输水总干渠板块尺寸大引起裂缝的问题,在设计过程中将板块尺寸确定为3m×4m左右。在叶尔羌河东库外渠施工过程中就采用3×2m,施工完成后没有发现裂缝。
      2.2避免基础过大起伏;
      2.3合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露;如在喀群引水枢纽水毁工程修复工作过程中,将底部挡土墙基础在达到初凝后及时进行回填,使挡土墙内外温度差别不大,工程竣工已经3年,没有发现较大的温度裂缝。
      2.4如果是大体积水工混凝土,如挡土墙,大型水闸闸基础和闸墩等,可以适当加一些毛石,以便降低水化热。如在喀群引水枢纽、叶尔羌河勿甫渠首水毁工程修复工作过程中,在基础挡土墙中添加15%的卵石,对防止温度裂缝也起到了比较好的作用。
      此外,改善水工混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证水工混凝土的质量对防止裂缝是十分重要。
      在水工混凝土的施工中,为了增加经济效益,缩短施工期,提高模板的周转率,往往要求新浇筑的水工混凝土尽早拆模。当水工混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起水工混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象。在水工混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加拉应力,与水化热应力迭加,再加上水工混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖保温材料,在叶尔羌河流域水利工程施工过程中一般多用草垫洒水养护。如用泡沫海棉等新型保温材料,对于防止水工混凝土表面产生过大的拉应力,效果将会显著提高。
      加筋对大体积水工混凝土的温度应力影响很小,因为大体积水工混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与水工混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为水工混凝土弹性模量的7~15倍,当水工混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100~200kg/cm2。因此,在水工混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时,对提高水工混凝土抗裂性的效果较好。水工混凝土和钢筋水工混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝,其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅,但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。
      3.合理使用外加剂
      为保证水工混凝土工程质量,防止开裂,提高水工混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂,笔者在实验和监理实践工作过程中总结出其主要作用为:
      3.1水工混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,使水工混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面张力,但会使水工混凝土强度降低。这个表面张力理论早在六十年代就已被国际上所确认。
      3.2水灰比是影响水工混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使水工混凝土用水量减少25%左右。
      3.3水泥用量也是水工混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的水工混凝土在保持水工混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。
      3.4减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度,减少水工混凝土泌水,减少沉缩变形。
      3.5提高水泥浆与骨料的粘结力,提高水工混凝土抗裂性能。
      3.6水工混凝土在收缩时受到约束产生拉应力,当拉应力大于水工混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高的水工混凝土抗拉强度,大幅提高水工混凝土的抗裂性能。
      3.7掺加外加剂可使水工混凝土密实性好,可有效地提高水工混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。
      3.8掺减水防裂剂后水工混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。
      3.9掺外加剂后混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。
      许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。但是在叶尔羌河流域,对外加剂的使用才刚刚起步,我们只有不断摸索,来提高这方面的认识。
      四、水工混凝土的早期养护
      实践证明,水工混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说水工混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
      1.从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:
      1.1防止水工混凝土内外温度差及水工混凝土表面梯度,防止表面裂缝。
      1.2防止水工混凝土超冷,应该尽量设法使水工混凝土的施工期最低温度不低于水工混凝土使用期的稳定温度。
      1.3防止老水工混凝土过冷,以减少新老水工混凝土间的约束。
      水工混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使水工混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。
      适宜的温、湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
      从理论上分析,新浇水工混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或妨碍水泥的水化,表面水工混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此水工混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。
      五、结束语
      以上对水工混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,虽然对于水工混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,通过在叶尔羌河十六年的水利工程建设经验,对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的,在以后具体的水利水电工程设计和施工过程中要靠我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,水工混凝土的裂缝是可以避免的。
      参考文献
      [1]江见鲸:钢筋混凝土结构非线性有限元分析 陕西科学技术出版社 118页.
      作者简介:王教堂(1971-),男,汉族,籍贯:甘肃省武威市,职称:工程师,大学本科毕业,从事水利工程设计行业。

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