混凝土收缩裂缝的计算机理及防治措施.pdf

第 3 2卷 第 3期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1 笠 6 月 混凝土收缩裂缝的计算机理及防治措施 胡和平 ( 中国瑞林工程技术有限公司， 江西南昌 3 3 0 0 0 2 ) 摘 要 介绍混凝土收缩裂缝的计算机理 ， 分析混凝土收缩裂缝的形成原 因， 提 出裂缝 防治措施 ， 并通 过 工程 实例介 绍其 处理 方 法 ( 关键词 收缩裂缝 ； 形成原 因； 防治措施 中图分类号 ： T U 5 0 1 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 4 4 3 4 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 3 1 0 3 Ca l c u l a t i o n M e c h a n i s m a n d Co n t r o l M e a s u r e s o f S h r i n k a g e Cr a c k s o f Co n c r e t e HU He pi ng ( C h i n a Ne r i n E n g i n e e rin g C o ， L t d ， Na n c h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c a l c u l a t i o n me c h a n i s m o f s h ri n k a g e c r a c k s o f c o n c r e t e ，a n a l y z e t h e c a u s e s ， a n d p u t f o r wa r d c o n t r o l m e a s u r e s o f s h ri n k a g e c r a c k s o f c o n c r e t e ， a n d e l a b o r a t e i t s t r e a t me n t me t h o d t h r o u g h p r o j e c t p r a c t i c e s Ke y wo r d s s h ri n k a g e c r a c k s ； c a u s e s ； c o n t r o l me a s u r e s 混凝土结构是应用最为广泛的结构形式之一 ， 然而由于混凝土的抗拉强度和极限拉应变都 比较 低， 许多混凝土结构在建设与使用过程中出现了不 同程度、 不同形式的裂缝。 混凝土的裂缝不仅影响了 结构的外观和使用性能， 甚至对结构的安全性都产 生了一定影响。本文结合某冶炼厂转炉风机基础设 计， 剖析混凝土早期裂缝产生的原因及相应的控制 处理措施【 l 1 。 1 混凝土收缩裂缝的计算机理 混凝土在凝固过程中失水， 发生收缩。 凝固后随 着环境湿度的变化， 又有水分交换而发生体积收缩 或膨胀。混凝土和环境中水分交换都必须经由构件 表面， 故混凝土构件的表面和内部含水量( 湿度 ) 不 等 ， 一般是连续的不均匀湿度场。仿照传热学的方 法 ， 可建立起 混凝土和周 围环境的水分交换微分方 程求解， 或用有限元方法计算湿度场 ， 并确定收缩 量。 下面只介绍一维收缩场问题及构件的相应力学 反应 。 以一个不对称配筋的矩形截面钢筋混凝土梁为 例 ， 若在 t 时刻发生 的( 自由 ) 收缩量 沿截面宽度为 常数 ， 沿高度为非线性变化 fv ) ， 构件的截面应力 和变形的一般分析方法如下。 1 ) 变形条件若混凝土沿截面高度没有任何 约束， 发生自由收缩后构件变形为非线性。 当钢筋和 混凝土的粘结完好且无相对滑移时， 收缩变形受到 钢筋的约束而减少。取截面上、 下端的收缩应变 和 占 为 基本 未知量 ， 距 下表面 Y处 的收缩应 变为 y= 【+ 。 相当于混凝土从自由收缩应变 凡 凡 往外拉伸应变为s c： 8 一 8 y= 8 出 一 ( 【+ ) ， I t ， 上、 下表面混凝土的拉伸应变分别为 占 O _ 和 ( o ) 一 。此时， 上下钢筋的收缩应变分别为 = 鱼 I+ ， = 【+ 凡 凡 凡 2 ) 物理( 本构) 关系_其混凝土的非线性受拉 本构关系( 一维) ： 初始切线弹性模量为 ， 随应变值 变化的塑性系数为 A ( 1 0 ) ， 即得混凝土的拉应力 O c= A 。 ； 钢筋的应力一般远低于其屈服强度， 取弹 性模量 E则有 O r s v ： E ： 。 和 O s = E s E $ 。 收稿日期： 2 0 1 1 - O 1 2 1 作者简介： 胡和平( 1 9 7 O 一) ， 男， 全国一级注册结构师， 主要从事结构设计工作。 3 2 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 3 ) 内力平衡条件混凝土收缩后截面应力 自 成平衡 ， 内力仍为零 ： ： 0 ， o ； h I t r f f o b d y = o s A + 0 ， a r ab y d - -o 川 ) 仃 0 将上述方程式依次代人， 只出现两个基本未知量 和 钆， 对任一时刻 的收缩量 ， 上述方程式 即可计 算截面应力， 得钢筋受压而混凝土受拉， 截面的曲率 为 1： 一8 t- B b ( P 为曲率半径) 。由此可计算混凝 P h 土收缩后的构件翘曲变形 ( 转角和挠度 ) 闭 。 2 混凝土收缩裂缝及其产生的原因 根据裂缝产生的时间可以分为施工期间出现的 裂缝和使用期间出现的裂缝 ， 施工期间出现的裂缝 包括干燥收缩裂缝、 自收缩裂缝以及温度裂缝等3J。 混凝土内部发生化学反应 、 温度变化 以及含水 量发生变化等因素引起的体积缩小， 均称为混凝土 的收缩 ， 其主要包括化学收缩 、 干燥 收缩 、 自收缩 、 温 度收缩及碳化收缩等3 】。通常情况下， 上述几种收缩 之和被称为总收缩。 2 1干燥收缩裂缝 干燥收缩是指停止养护后 ， 在不饱和的空气中 混凝土失去内部毛细孑 L 和凝胶孔的吸附水 ， 从而引 起混凝土的收缩。 在普通混凝土中干燥收缩较大， 其 值在( 2 0 0 1 o o o ) x l O 而 自收缩值较小 ， 在( 2 0 l O 0 ) x l O ： 后者是前者的 1 1 0左右， 所以干燥收缩 的试验结果基本上反应了普通混凝土收缩的大小。 当干缩变形受到混凝土内部约束时， 产生较大的拉 应力使 昆 凝土表面被拉裂， 从而引起干燥收缩裂缝【4 的产生 。 2 2 温度裂缝 温度裂缝主要是由于混凝土内外温差引起的， 由于混凝土内、 外散热条件的不一致 ， 表层混凝土温 度降低得快， 沿混凝土截面出现温度梯度 ， 使得降温 过程中出现的收缩沿截面不致， 使表层混凝土受 拉 ， 此时混凝土 已逐渐硬化 ， 从而导致出现温度收缩 裂缝。 这种裂缝多为贯穿性的， 且较深 ， 严重降低结 料和施工方面来进行防治 。 3 1设计方面 1 ) 结构完全处于自由变形无约束状态下 ， 要有 足够变形余地。比如对于较长结构要设温度缝或后 浇带 ； 在基岩上浇筑时， 要铺 5 0 1 0 0 m lT l 砂层以消 除其嵌固作用 ， 减小外部的约束 ， 从而减小收缩裂缝 产生的可能。 2 ) 对于大体积混凝土 ， 建议在设计 中考虑采用 6 0天龄期混凝土强度值作为设计值， 以减少混凝土 单方用灰量， 并适当加入混凝土掺合料 ， 减少水化热 副作用。 3 ) 考虑温度应力的影响 ， 采取相应的构造措施 ， 如适 当地配置温度钢筋 ， 分担混凝土温度应力 。 3 2 材料方面 1 ) 合理选择水泥 。在实际工程 中宜采用粉煤灰 水泥或 C 3 A和 C 3 S含量低的低热水泥 ； 为减少水泥 用量， 可掺加缓凝高效减水剂。对大体积混凝土， 可 适当掺入块石。 2 ) 选用级配优 良的砂 、 石原材料 ， 含泥量应符合 规范要求。 级配优 良的砂石 ， 可以在强度等级不变的 情况下 ， 减小水泥和水 的用量 ， 增加骨料 的含量 ， 从 而减小混凝土的收缩值。 同时骨料的含泥量越小 ， 混 凝土的收缩值越小。 3 3 施工方面 1 ) 规范混凝土的振捣工作。振动棒要快速插入 缓慢拔出， 以免在混凝土中留下空隙。 振捣插入前后 间距一般为 3 O 5 0 c m， 防止漏振 。同时应提倡采用 二次振捣、 二次抹面技术， 以排除泌水、 混凝土内部 的水分和气泡， 减小塑性收缩裂缝的产生。 2 ) 加强混凝土养护。在混凝土收缩裂缝的防治 工作中， 对新浇 昆 凝土的早期养护工作尤为重要。 首 先在混凝土表面洒水 ， 可以使混凝土在一定时间内 保持潮湿， 可以满足水泥水化的用水需要 ， 减小干燥 收缩。 3 ) 混凝土的降温和保温工作： 对于厚大体积混 凝土， 施工时应充分考虑水泥水化热问题。在浇筑 时， 可采取在混凝土中布设水管循环导热或分块分 层浇筑等措施， 以降低混凝土内温度， 避免水化热高 峰的集中出现。 浇捣成型后， 应采取必要的蓄水保温 措施 ， 表面覆盖薄膜、 湿麻袋等进行养护， 以防止由 于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。 构的整体刚度。 4 工程实例 3 混凝土收缩裂缝的防治措施 某冶炼厂转炉风机基础尺寸为 8 3 7 5 x 3 8 5 对以上收缩裂缝的出现， 可以从以下设计、 原材 2 2 5 ( h ) ， 基础体积为 7 2 5 m 3 为大体积混凝土结构， 第 3期 混凝土收缩裂缝的计算机理及防治措施 3 3 埋深 2 2 5 m 。设计时为防止大体积混凝土施工时产 生水化热而引起裂缝， 采取如下措施： 1 ) 选用中低热 矿渣硅酸盐水泥； 2 ) 控制石子的含泥量小于 l ， 砂 的含泥量小于 2 ； 3 ) 混凝土中掺入 WG_C M A抗裂 剂， 掺量 6 8 ， 并代替等量水泥； 4 ) 控制好混凝土 的出机温度和浇筑温度 ， 加强养护。 风机基础剖面配 筋见图 l 。 图 1风机基础剖面配筋 该转炉风机基础竣工之后 ， 未出现收缩裂缝 ， 取 得了设计的预期效果， 并得到了建设单位和质量监 督部门的好评。 5 结语 混凝土收缩裂缝问题是一个困扰工程界的长期 问题， 尤其是现代混凝土向着高强、 高性能方向发 展， 使混凝土以更大的比率和更快的速度开裂。 控制 这些裂缝除了工程设计、 工程施工等相关的人员采 取相应措施外， 也需要科研人员尽快地研制出能减 少水泥收缩和水化热 的高效材料 ， 从 而将裂缝 问题 降低到最小限度。 参考 文献 1 朱耀台， 詹树林 混凝土裂缝成因与防治措施研究叨材料科学与 工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 5 ) ： 7 2 7 7 3 0 2 1 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析【 M 】 北京 ： 清华大学出版 社， 2 0 0 3 【 3 】 王宗昌， 屈芳民， 蔡荣生 混凝土结构裂缝的分类特征及密封处 理叨 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 6 0 6 2 【 4 】 高英力 超细粉煤灰高性能公路路面水泥混凝土早期收缩变形 及抗裂性能研究 D 长沙： 中南大学 ， 2 0 0 5 【 5 王铁梦 工程结构裂缝控制【 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 6 6 李来军 混凝土早期非结构裂缝的分析与控制【 D 】 武汉： 武汉理 工大学 ， 2 0 0 8 【 7 】 张 雄， 张小伟， 李旭蜂混凝土结构裂缝防治技术 】 北京： 化学 工业出版社 ， 2 0 0 7 欢迎订阅 有色冶金设计与研究 杂志 ( 有色冶金设计与研究 创刊于 1 9 8 0 年， 是中国瑞林工程技术有限公司( 南昌有色冶金设计研究院) 主管、 主办， 国内 外公开发行的省级重点科技期刊， 是一份在有色矿 山、 冶金化工、 民用建筑、 市政建设等方面具有鲜明专业特色 的技术类 期刊。 本刊设有采矿工程、 选矿工程 、 冶炼 工程、 机 电与仪表、 建筑工程与城市规划、 市政与环境工程 、 国际合作与交流 、 管 理与其他等 8大栏 目， 涉及有色采矿、 选矿、 冶炼、 化工、 工业与民用建筑、 给排水及尾矿、 电气、 仪表、 机械 、 总图运输、 环 境保护、 热能通风、 工程承包 、 工程建设监理、 技术经济、 概预算和 电子计算机应用等多个专业 。刊登 内容包括新技术、 新 设计、 新工艺、 科研成果、 工程施工及生产经验总结等论文， 以及一些国外工程设计、 国外考察 、 工程承包管理等方面的论 文。本刊适用于上述专业相关的生产、 科研、 设计、 施工、 院校等单位或个人。 有色冶金设计与研究 为双月刊， 大 1 6 开本 ， 每期页码 5 6 P ， 每期定价 8 元， 全年 4 8 元 。 欢迎广大读者到各地邮政局订阅， 邮发代号： 4 4 1 1 7 ， 亦可直接 向本刊邮购 。 地址： 江西省南昌市八一大道 1 号 ( 有色冶金设计与研究 编辑部 邮编： 3 3 0 0 0 2 电话： 0 7 9 1 6 2 1 2 0 6 9 传真： 0 7 9 1 6 2 6 4 2 9 1 E m a i l ： y s y j c h i n a j o u r n a l 。 n e t c n