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5077 混凝土裂缝

一、裂缝的原因
  
混凝土产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,结构不合理,原材料不合格 ( 如碱骨料反应 ) ,模板变形,基础不均匀沉降等。
   混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,表面产生拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或者混凝土的约束,混凝土内部又出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时会出现裂缝。许多混凝土的内部温度变化很小或变化较慢,但表面温度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩变形受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。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 (0.8 ~ 1.0 ) × 10 4 ;长期加荷时的极限拉伸变形也只有 (1.2 ~ 2.0 ) × 10 4 。由于原材料不均匀,水灰比不稳定,及运输和浇筑过程中离析现象,在同一块混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只呈承受压应力。在混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位,如果结构内出现了拉应力,则须依靠混凝土自身承担。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他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 3 个阶段:
   (1) 早期:自浇筑混凝土开始放热基本结束,一般约 30 天。这个阶段有两个特征,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。 (2) 中期:自水泥放热作用基本结束时起到混凝土冷却到稳定温度时止,这段时间内,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化引起。 (3) 晚期:混凝土完成冷却以后的运转时期。

温度应力引起的原因可分为两类:
   (1) 自生应力:边界是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。 (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。如箱梁顶混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起应力共同作用。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。在大多数情况下,需要依靠模型试验或数值计算。

三、温度的控制和防止裂缝的措施
  
为了防止混凝土出现裂缝、减轻温度应力,可以从控制温度和改善约束条件两个方面入手。控制温度的措施如下: (1) 采用改善骨料级配用于硬性混凝土、掺混合料、加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。 (2) 拌和混凝土时加水或用水碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度。 (3) 外界气温高浇筑混凝土时可减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热。 (4) 在混凝土中埋设水管,通入冷水降温或在混凝土接近终凝时开始洒水。 (5) 规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,避免混凝土表面发生急剧的温度变化。 (6) 施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施。
   改善约束的措施如下: (1) 合理的分缝分块。 (2) 避免基础过大起伏。 (3) 合理的安排施工工序,避免过大的高度差和侧面长期暴露。
   此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要的。在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模,当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑混凝土早期拆模,在表面会引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象,但如果在拆模后及时在表面覆盖轻型保温材料,如泡沫、海绵等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
   加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积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,与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数关系很小,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混凝土弹性模量的 7 ~ 15 倍,当内部混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的拉力将超过 100kg /cm 2 ~ 200kg /cm 2 。因此,在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。
   为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,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。混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管产生毛细张力,使混凝土干缩变形,增大毛细孔径可降低毛细管表面张力,但会使混凝土强度降低。水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少 25 %。减水防裂剂可以改善水泥浆稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形。混凝土在收缩时受到约束产生拉应力,当拉应力大于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混凝土抗拉强度,大幅度提高混凝土的抗裂性能。掺加减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热的基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。水泥用量也是影响混凝土收缩率的重要因素。提高水泥浆与骨料的黏结力,以提高混凝土抗裂性能。掺加外加剂可使混凝土密实性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。掺加外加剂的混凝土和易性好,表面易抹平,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,可能会更加快捷、经济。

四、混凝土的早期养护
  
混凝土的早期养护主要目的在于保持适宜的温度、湿度条件,一方面使混凝土免受不利温度、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;另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。适宜的温度条件是相互关联的,混凝土的保温措施常常也有保湿效果。



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