大体积混凝土温度裂缝观测及分析

吴红燕,李兴贵,曹学仁,蔡洪卿

(1.河海大学力学与材料学院,江苏南京210098;2.江苏省水利厅基建处,江苏南京210029;3.江苏省盐城市水利工程管理处,江苏盐城224000)

现代混凝土在不断追求高强、高耐久性及高效的同时,也带来了很多问题:水泥细度不断减小,高效减水剂及各种磨细掺合料的使用,使这些新技术增加了混凝土早期放热和收缩,导致大体积混凝土面临了更严重的裂缝问题。产生裂缝的原因主要分为两类:外荷载的作用和变形变化(温度、收缩、不均匀沉陷)引起的裂缝。后者引起的裂缝占80%以上[1]。混凝土浇筑后,温度引起的约束应力主要为:内部约束和外部约束。内部约束应力即自身应力,是由于混凝土内外温差引起的约束作用。外部约束应力是混凝土降温产生收缩时受到基础的约束作用。当约束应力大于混凝土抗拉强度时将产生裂缝[2-4]。

混凝土温度裂缝的预防措施一般为:合理选用配合比,使用低热水泥,降低水泥用量,降低混凝土入仓温度,埋设冷却水管,表面保温养护等[5]。目前,掺入纤维控制混凝土温度裂缝得到了肯定,主要利用纤维的热胀冷缩作用,抵消混凝土内部部分拉应力[6]。在裂缝修补方面,传统的方法主要为表面修补和化学灌浆。现今,许多学者开始研究混凝土裂缝的自愈合能力,即在混凝土搅拌时加入包裹粘结液的胶囊,当混凝土产生拉应力时,胶囊裂开,释放粘结液,对裂缝进行修复[7]。

此外,还有利用细菌分解作用来修复混凝土裂缝[8]。然而了解混凝土硬化过程中,结构的温度及应变变化规律,对预防和修复裂缝都是很重要的。本文以新川东港闸闸墩混凝土为研究对象,对早期混凝土内部的温度及应变的发展情况进行监测,分析混凝土结构产生裂缝的原因。

1 观测试验

1.1 原材料及配合比

水泥:东台磊达P·O 42.5级水泥。粉煤灰:南通华瑞Ⅰ级粉煤灰。矿粉:张家港联峰S95型矿粉。拌合水:深井水,pH为 7.87。粗骨料:宜兴碎石,最大粒径30 mm。细骨料:宿迁骆马湖天然中砂,细度模数2.7。外加剂:江苏特密斯TMS-YI-3高效减水剂,维纤:南京派尼尔聚丙烯纤维。表1为施工所用混凝土配合比。

表1 混凝土配合比(kg/m3)

1.2 观测试验方案

内部应变及温度检测:闸墩内部共布置6组应变和温度传感器,测点布置在闸墩表层(2 cm)、1/4层(35 cm)、中心层(70 cm),具体位置见图1。观测时间间隔:1 d～3 d为3 h,4 d～7 d为6 h观测,8 d～28 d为12 h。

图1 传感器测点布置图

1.3 混凝土力学性能试验

混凝土力学性能检测:现场取料,成型弹性模量及强度试件,同条件养护。分别进行3 d、7 d、21 d、28 d混凝土弹性模量和抗压强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 温度变化分析

图2为b截面等距布置的3个测点温度及环境温度的变化曲线,结果显示,约36 h～42 h,各测点温升达到最大值,其中,闸墩b截面中心点(b3)最高温度达71.4℃。随后开始降温,经过约18 d后,混凝土内部温度与环境温度趋于一致。

从温差角度来看,闸墩截面中心层温差最大值约为40.1℃。同一时间各测点层混凝土温差呈非线性变化,表层与1/4层温差梯度较大。如27 h时测得表层温差△t为14.8℃,1/4截面处温差△t为33.7℃,中心层温差△t为40.1℃。主要由于混凝土导热性能较低,越接近中心层,热量越不易散出,因此,形成了同截面温度非线性分布的状态。

图2 测点b1、b2、b3温度及环境温度随龄期的变化

2.2 应变变化分析

闸墩不同层混凝土应变变化如图3。结果表明,龄期4 d以内,混凝土表层(2 cm)均处于受拉状态,产生较大拉应变的时间节点分别为27 h和65 h,最大拉应变为 39.7 μ ε～ 47.7 μ ε;1/4 层和中心层混凝土处于受压状态,最大压应变约200 μ ε。后期,随着温差进一步缩小,应变的传递趋于稳定。

分析图3对应于升温至最高温度时,出现拉应变减小现象,内部混凝土受到模板的约束作用,压应变达到200μ ε时将不再增加。但此时表面层混凝土温度继续升高,热胀产生压应变削减部分拉应变所致。温降初期,混凝土表面层温度迅速降低,混凝土产生收缩,此时内部温度仍然很高,因此出现了较大拉应变,这一时期,混凝土终凝基本完成,但力学性能及抗拉能力较低,是产生裂缝的危险期。

图3 b截面不同层测点混凝土应变变化

2.3 应变、温差与龄期关系分析

图4为表层混凝土b1测点应变、温差与龄期关系,明显看出,温差出现最大值附近,拉应变减小,温差降低初期,表层拉应变增大。温降初期产生较大的收缩,使早期表层混凝土产生较大拉应变,是固体材料热胀冷缩使然。随着温差逐渐减小,拉应变也逐渐减小。当温差小于10℃～12℃时,受拉状态变化为受压状态。

图4 b1测点的应变、温差与龄期关系

图5为中心层混凝土b3测点应变、温差与龄期关系。由图可见,内部混凝土始终处于受压状态。由于混凝土受热膨胀,早期压应变随着温差的增加而迅速增加,温差达到最高时压应变也处于最高值,随着温差降低,压应变也逐渐减小。最后,温差逐渐消失,压应变趋于稳定。

图5 中层b3应变、温差与龄期关系

2.4 弹性模量与强度计算分析

2.4.1 弹性模量

试验所得混凝土弹性模量及强度结果见表2。混凝土弹性模量是随龄期而增加的,早期变化较快。由表2可见,3 d弹性模量值已达到28 d的70%。试验结果与文献[9]给出的混凝土弹性模量与龄期的关系式(公式1)进行拟合,具有较好的相关性。由公式(1)可得到任一时间混凝土的弹性模量值。

表2 混凝土弹性模量及轴心抗压强度

2.4.2 抗拉强度

试验中测得的是混凝土轴心抗压强度的值,通过公式(2)把轴心抗压强度换算成立方体抗压强度。

式中:a1为棱柱体强度与立方体强度之比,取 a1=0.76;a2为高强混凝土的脆性折减系数,C40以下为1.00。

将公式(2)获得的28 d立方体抗压强度,代入公式(3)[9]可计算任一时间混凝土的抗压强度。

再将混凝土抗压强度,代入公式(4)[9],可算出任一时间的混凝土轴心抗拉强度,即计算应力。

2.5 温度应力计算分析

文献[1]提出在计算混凝土表面冷却引起的自约束应力(温度应力)时,可分为全约束应力和释放约束引起的应力,两者之和即为实际产生的温度应力,即

式中:σ(y)为梁内任一点应力;H(t,τ)为松弛系数,随龄期而变化;μ为泊松系数,取0.15;E为弹性模量;α为线性膨胀系数,取10×10-6/℃;T0为内部与表面温差;h为梁的一半厚度;y为梁内任一点距中心面的距离。

将公式(1)计算出的任一时间混凝土弹性模量值,代入公式(5),可得到混凝土任一时间的温度应力。

2.6 混凝土温度裂缝成因分析

图6为b截面表层混凝土实际观测温度应力与分析计算所得计算应力(计算过程已在上节提到)。当混凝土弹模较低时,塑性较大,混凝土能够很好的适应由内外温差变化引起的变形变化,因而不会产生温度应力[11]。从图6可看出,40 h左右时混凝土强度等级已达到设计强度等级的30%,且此时温度应力始终大于抗拉强度,是产生裂缝的危险期。根据公式(1)计算分析可知,40 h后混凝土弹性模量已处于平缓增长阶段,混凝土弹模80 h已达到28 d的70%,之后的增幅将不是太大,而混凝土内部的温度开始大幅度降低,以至混凝土温度应力不断降低。混凝土抗拉强度是随时间不断增加的,因此出现80 h时温度应力小于抗拉强度,之后混凝土将不再受到温度应力的威胁。

图6 b截面表层混凝土温度应力与计算应力关系

拆模后对闸墩裂缝进行检测,发现闸墩南北面分别出现3条和1条裂缝。虽然实际工程中已经采取了大量抗裂措施,但并未能解决裂缝问题。

2.7 应变实测值与理论计算值分析

表层混凝土应变实测值与理论计算值结果如图7所示。可以看出,应变实测值与理论计算值整体变化趋势一致,理论计算值略微大于实际检测值。因实际工程混凝土中采取了多项降温抗裂措施,如掺矿粉、粉煤灰等掺合料以减少水泥用量降低水化热,加入聚丙烯纤维提高混凝土的抗裂性能,加密构造钢筋等,所以理论计算值大于实测值是合理的。另外,由于大体积混凝土变形的滞后性,也会一定程度上影响到实测值应变滞后于计算值。

图7 b1测点应变实测值与理论计算值

3 结 论

(1)观测结果表明,混凝土浇筑后40 h左右,表面层混凝土至中心层温度都达到最高,且同截面温度场呈非线性变化。应变分布情况为,早期表面混凝土处于受拉状态,内部混凝土处于受压状态,拉压应变随温度升高而增加,降温初期混凝土收缩,拉应变再次增加,之后应变都随着温差的减小而降低。(2)计算结果表明,早期混凝土强度较低,表面温度应力大于抗拉强度,导致混凝土产生裂缝。应变实测值与理论计算值变化趋势相同,理论计算值略大于实测值是因为实际工程中采取了多种防裂措施。

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