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混凝土早期熱裂縫的防治

08-22 13:19:36  瀏覽次數:250次  欄目:結構設計
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在20世紀初,大體積的混凝土結構會由于水泥水化放熱引起開裂的現象就已經眾所周知,因此針對混凝土大壩及其他大體積水工結構建設的需要,開發出一系列避免其開裂的辦法。例如,在混凝土里摻用火山灰、采用低熱水泥,利用大粒徑的粗骨料、非常低的水泥用量,以及采用預冷拌合物原材料、限制澆注層高和預埋管道冷卻等措施,進一步獲得降低水化溫峰的效果。

雖然負責施工的工程師們早就已經很熟悉混凝土澆注后其熱量的產生和散熱過程,但是對于混凝土體與基礎之間,或者混凝土體內外的最大允許溫差值的規定,僅僅是根據經驗做出的,而對于混凝土一些重要的性質,例如抗拉強度、熱膨脹系數等并沒有充分考慮。

近幾十年來,基礎、橋梁、隧道襯砌以及其他構件尺寸并不很大的結構混凝土開裂現象增多,同時發現干燥收縮通常在這里并不重要了,水化熱及溫度變化已經成為引起素混凝土與鋼筋混凝土約束應力和開裂的主導原因。

自20世紀60年代后期,人們開始試圖評價受約束時熱變形引起的應力,并將它與初齡混凝土抗拉強度的增長相比較,但是遇到兩個相當困難的問題:

1) 熱應力的計算結果在很大程度上取決混凝土從半液態轉化成固態時,其剛度(即彈性模量)不斷增長的過程,然而這難以測定和預估;

2) 約束應力不可能用普通的方法確定,計算結果的驗證也沒有數據可以引用。

1969年,德國幕尼黑大學建筑材料學院開發出第一臺有關的實驗設備,即開裂構架,使模擬試驗得以進行。初齡混凝土隨溫度變化產生應力的測定使人們深刻地認識到:當混凝土構件發生的膨脹或收縮變形受到阻礙時會轉化為應力。慕尼黑溫度—應力試驗機(1984)和其他幾個研究院所開發出類似的儀器,可用于測定任意約束條件下產生的應力。

近年來,許多研究者致力于早期約束應力的計算,以確定出現開裂的危險性。根據材料的性質、水化熱的發展、剛度的增大與松弛能力的減小、抗拉強度的增長、熱膨脹系數與化學反應對變形的影響。所有這些因素主要取決齡期、溫度、水泥類型和混凝土拌合物的組成。實際上,只有可能大致估計這些因素的作用。然而,在建立近似材料性質的模型方面,已經有了很大進展。這樣的模型需要假設現場的約束和溫度條件。

日本和法國開發出在現場測定約束應力的新方法,實驗室與現場的試驗結果和計算結果比較,是該領域進一步發展的來源。

近年來,高強混凝土已被證明是對早期開裂非常敏感的材料。這不僅是水化熱的結果,由于自干燥作用產生的自收縮和硫酸鹽相的化學反應,可能也是重要起因。結構混凝土或大體積混凝土意外地出現開裂,不能總是歸因于現場工程師缺乏經驗,該領域里許多問題尚缺乏了解,激發全世界許多人去進一步開展研究。1989年,RILEM創建了“避免混凝土早期熱裂縫”技術委員會——TC 119,為了交流這方面的經驗和觀點,以提交現狀報告為宗旨,并對下述試驗方法提出建議:

半絕熱溫升的測定;

絕熱溫升測定;

實驗室用開裂構架測定約束應力;

現場用應力計測定約束應力。

到1994年召開“避免混凝土早期熱裂縫”國際研討會時,許多問題已經獲得解決,并準備好付諸于應用。對于尚未解決的問題,也根據實驗結果或者從理論角度提出建議。

還有必要確定這些方法如何最有效地在實際中運用,是否它們需要進一步開發,或者是否它們只能用于繼續研究的模擬。

為了限定工作范圍,就沒有考慮干縮。此外,鋼筋對避免較寬的開口裂縫以及采用預應力的優點,在這次會議上也沒有涉及。

避免混凝土早期裂縫這一課題,是一項需要理論知識、堅實的工程判斷與廣泛的經驗的工作。此外,從事該工作的工程師們必須確保所有必要的考慮是符合實際的。

希望這次研討會能成為我們這一領域進步的里程碑。

                                            慕尼黑,1994年7月

 

混凝土早期的熱裂縫國際會議

摘自《材料與結構》雜志對該會議的簡報

來自25個國家的200多位,其中30位來自東亞的混凝土專家和科學家,出席了RILEM于1994年10月10~12日在德國慕尼黑召開的混凝土早期熱裂縫國際研討會。以交流對熱應力和避免早期熱裂縫方法的新認識。56篇論文的作者在會上發了言,然后分8個小組進行討論。

會議的議題不是開發,而是避免混凝土開裂問題。主辦人Springenschmid教授,也是RILEM 119-TCE委員會主席,在大會上指出:開裂降低結構的耐久性,且可能影響一些特殊結構,例如容器的功能。為了解決這個問題,撰寫了一篇描述現狀的報告,還對有關技術問題提出了建議。

在硬化過程,混凝土結構會由于水泥水化時的放熱,溫度明顯地上升,產生膨脹,隨后又會因為冷卻而收縮。當變形受到外部制約(靜不定的基床)或者死荷載較大(例如板體),就形成約束應力。不僅有熱變形,還有由于化學收縮或膨脹產生的變形。

混凝土早期應力的增長,不僅決定于水化時的溫度變化,其力學性能的發展,特別是彈性模量和松弛,也起決定性作用。在拌和后1小時內,混凝土就發熱,但是壓應力還沒有形成,因為混凝土尚處于全塑性狀態(圖1)。只有超過初始零應力溫度Tz1后,壓應力上升,然而應力又會松弛。因此在到達溫峰前,壓應力達到最大值。當混凝土逐漸冷卻時,壓應力迅速減小。

 

開發開裂構架與溫度—應力試驗機,是為了測定混凝土在現場溫度條件下初齡期的約束應力;炷恋拈_裂趨勢和水泥的開裂敏感性可以用開裂構架試驗定量測得;炷恋淖冃魏艽蟪潭壬媳粍傂缘拈_裂構架所阻止,因此,這個試驗裝置可以模擬初齡期的約束條件。彈性模量E的增長可以從一開始就進行評估,在固定的溫度下試驗,就可以測定早期收縮和膨脹引起的約束應力。

1         需要新的實驗室實驗方法

現場出現的實際問題促使開裂構架和溫度—應力試驗機的開發;炷猎跍囟壬仙妥冃问芗s束時,產生應力,其大小似乎可以很容易用σ= E αT ΔT公式得到。但是,對于初齡混凝土來說:這是不對的。在開始的24h里,彈性模量E從0增長到大約20~35Gpa。在第一天里,當應力產生之前,混凝土溫度就上升,而現在還沒有任何數學公式可以用來計算彈性模量與松弛作用在這一天里的發展。為了提供真實的結果,需要考慮原材料的化學組成(如硫酸鹽、堿C3A的含量等)。

因此,研究的目的在于開發新的試驗裝置,在初齡混凝土的熱變形與其它變形受約束時的“應力反應” 可以用其測量,因此能夠研究不同因素影響熱應力的參數,這在預先想要防止熱裂縫,以及進行試驗以便比較評價這些方法的效果時是必要的。

1.1 混凝土路面裂縫的形成

奧地利某混凝土路面澆注后,出現許多橫向裂縫。該路面在鋸縫前就發生不規則開裂,是由于炎熱夏天里混凝土澆注后的第一個晚上受到雷暴雨天氣,混凝土溫降超過15K。但是鄰近的另一工地同時也在施工,就沒有出現開裂。而且鋸縫后,也未出現迅速向下延伸的情況,而是要待幾天以后才發生。兩個工地所用水泥和骨料不同,究竟是否因為水泥、骨料或者養護方法造成混凝土開裂敏感性的差別?如何定量評價這些因素之間的關系?用現行的試驗方法自然是不能回答上述問題的。

1.2 開裂構架的開發

混凝土路面板出現開裂,顯然是因為它冷卻時不能沿軸向縮短,路面板與基層之間的摩阻力非常大,抑制了它的收縮。實驗室的試驗必須盡可能準確地反映現場發生的基本應變和應力。為了再現路面板在軸向的有效拉應力和路面混凝土的溫度,在實驗室里澆注了一段長1m的梁模擬路面板,裝置如圖所示,它從一開始就既不能伸長,也不能縮短。

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