烟囱筒壁内部平行于表面的裂缝成因分析

廖杰洪

武大巨成结构股份有限公司 武汉430233

1 项目概况

检测鉴定中发现极少量混凝土烟囱采用取芯法检测混凝土质量和强度时，存在混凝土分层现象，即筒壁存在平行于表面的裂缝。烟囱在使用过程中表面的横向、竖向、不规则裂纹常见，对此也有不少研究成果，但内部出现平行于表面的情况研究成果少见。近年典型此类情况工程概况如表1 所示，裂纹图片如图1 所示。1#和2#皆为单筒式烟囱，位于北方，冬季温度低于冰点，在现场调查时发现均有冬期施工现象。除筒壁内部混凝土分层外，上述两处工程筒壁均有局部空鼓、混凝土脱落、露筋、钢筋锈蚀、腐蚀渗漏等情况。

表1 项目概况Tab.1 Project summary

图1 烟囱筒壁芯样内部裂纹Fig.1 Chimney shell core sample

本文分建成阶段和建造阶段（早龄期）两个时间段来分析裂缝产生的原因。

2 建成阶段的分析

2.1 冻融破坏

冻融破坏是混凝土内部空隙中的水随温度变化冻结和融化，数次冻结-融化循环后，混凝土内部开始萌生裂纹并逐渐扩展而破坏［1，2］。因此其裂缝主要是由表及里的裂缝，平行于表面的裂缝并非由冻融破坏而形成。

2.2 荷载/温度作用

在外力如风荷载作用下，结构可能在受拉区破坏，这种状态下主要是在受拉一侧的外表面出现裂纹，此类裂缝应该出现在筒壁外侧。

一般情况下烟气温度高于常温，当出现外部降温时，圆环内部温度高，外部温度低时，内部膨胀，此类问题导致的裂缝应该为筒壁外侧的竖向裂纹。在其他温度荷载作用下，可以简化为受到偏心的弯矩，这时裂缝也应该出现在筒壁的内侧或者外侧表面。

根据以上分析，建成阶段各工况均不会导致筒壁分层；建造过程中早龄期混凝土的特点与建成相差较大，本文着重分析早龄期情况。

3 早龄期受冻分析

根据调查发现，工程存在冬期施工。这时可能出现外侧混凝土与冷空气的热交换快于内侧，外侧混凝土可能先达到冰点，这时出现外侧冻结膨胀，而内侧由于降温收缩。

3.1 混凝土早龄期受冻变形

混凝土在早龄期受冻时，水结成冰晶，体积增大，当其受到约束时产生冻涨应力。根据巴恒静［3，4］等的研究，在-5℃、-10℃、-15℃的受冻混凝土冻涨压力达到0.4MPa～0.5MPa，其冻涨压力主要在5h～12h快速增长，受冻后混凝土后期强度下降约30%。

于海洋［5］研究了新拌混凝土在-10℃、-20℃、-30℃负温养护7d 后转入+20℃养护的变形，混凝土的变形主要经过六个阶段：负温收缩，负温冻胀，负温变形稳定，正温收缩，正温膨胀，正温变形稳定，如图2 所示，具体数据如表2 所示。于海洋研究发现正温养护一段时间后收缩和冻涨变形明显减小。

图2 负温对早期混凝土变形的影响［5］Fig.2 Influence of negative temperature

表2 负温变形曲线特征值［5］Tab.2 Eigenvalues of deformation curves

3.2 结构应力分析

将烟囱筒壁简化分为两部分，外侧为冻涨，混凝土压应力σ2，内侧混凝土冷缩，拉应力σ1，简化为均匀应力，受力如图3 所示。

图3 筒壁受力示意Fig.3 Schematic diagram of chimney shell stress

根据力的平衡条件，分界面拉应力σr与压应力σ2关系为：

式中：θ为σr与水平方向的夹角；r2为筒壁外半径；r0为冻涨和冷缩分界面的半径；r1为筒壁内半径。

假定弹性模量E一致，平均应变ε与自由冻涨ε2、自由冷缩ε1关系为：

σ2、σr根据应力应变关系求得：

3.3 开裂分析

早龄期混凝土在受力或者变形时，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时混凝土开裂。可以用应力σr与混凝土的抗拉强度ft之比η 来判断是否开裂。

当η ＜0.7 时一般不开裂，0.7 ＜η ＜1.0，混凝土可能开裂，η ＞1.0 时混凝土开裂［6，7］。

刘加平［6，7］等采用水化程度αc为主要变量的力学性能发展模型来计算混凝土的早期弹性模量E（αc）和抗拉强度f（αc），并通过试验获得相关参数，据此可以求得E/ft的数值。

ε2、ε1与水化程度有关联，但目前没有相关成果可供参考，取E/ft=40 ×104进行试算。在于海洋［5］的研究中，混凝土经过12h的养护（20℃）再进入负温条件，其负温收缩比立即进入负温条件的收缩降低约90%，此时ε1=（150～200）×10-6；负温冻涨降低约80%，此时ε2=（500～1000）×10-6，可见正常养护一段时候后受冻冷缩和冻涨都快速降低。取ε2=（4000～1000）×10-6、ε1=2000 ×10-6和ε1=150 ×10-6进行试算，结果如表4 所示。可见在冬期施工时周边环境低于0℃，如果缺乏有效保温措施，当筒壁外侧降温比内侧快导致外侧冻涨而内侧冷缩时，烟囱筒壁可能出现内部分层开裂。

表3 早龄期混凝土参数Tab.3 Parameters of early age concrete

表4 混凝土开裂工况试算Tab.4 Trial calculation for concrete cracking condition

3.4 开裂条件分析

根据上述分析，出现平行于筒壁表面裂缝的条件是早龄期混凝土受冻导致。冻涨导致混凝土服役期间吸水率、吸水孔隙率增加［8］，进而导致其在冻融环境下更容易发生破坏，本文1#、2#烟囱伴随一定程度的冻融破坏，也进一步佐证其在早龄期发生冻涨。

《烟囱工程技术标准》（GB/T 50051—2021）冬期施工要求持续加热养护后的强度，1/2 高度以下部分应达到设计强度70%以上，1/2 高度以上部分应达到设计强度50%以上。达到设计强度50%以上时，养护一般超过3d，此时进入负温条件后冷缩和冻涨变形较小，出现筒壁内部分层的可能性低，即按照规范要求施工一般不会发生由受冻导致的筒壁内部分层。

4 结论

1.冬期施工烟囱在早龄期未正确进行加热养护导致受冻，可能形成筒壁内部平行于表面的裂缝（混凝土分层）。

2.烟囱按当前照规范要求进行冬期施工，一般不会发生筒壁混凝土分层。