吳紅燕,李興貴,曹學(xué)仁,蔡洪卿

(1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京210098;2.江蘇省水利廳基建處,江蘇南京210029;3.江蘇省鹽城市水利工程管理處,江蘇鹽城224000)

現(xiàn)代混凝土在不斷追求高強(qiáng)、高耐久性及高效的同時(shí),也帶來了很多問題:水泥細(xì)度不斷減小,高效減水劑及各種磨細(xì)摻合料的使用,使這些新技術(shù)增加了混凝土早期放熱和收縮,導(dǎo)致大體積混凝土面臨了更嚴(yán)重的裂縫問題。產(chǎn)生裂縫的原因主要分為兩類:外荷載的作用和變形變化(溫度、收縮、不均勻沉陷)引起的裂縫。后者引起的裂縫占80%以上[1]。混凝土澆筑后,溫度引起的約束應(yīng)力主要為:內(nèi)部約束和外部約束。內(nèi)部約束應(yīng)力即自身應(yīng)力,是由于混凝土內(nèi)外溫差引起的約束作用。外部約束應(yīng)力是混凝土降溫產(chǎn)生收縮時(shí)受到基礎(chǔ)的約束作用。當(dāng)約束應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)將產(chǎn)生裂縫[2-4]。

混凝土溫度裂縫的預(yù)防措施一般為:合理選用配合比,使用低熱水泥,降低水泥用量,降低混凝土入倉溫度,埋設(shè)冷卻水管,表面保溫養(yǎng)護(hù)等[5]。目前,摻入纖維控制混凝土溫度裂縫得到了肯定,主要利用纖維的熱脹冷縮作用,抵消混凝土內(nèi)部部分拉應(yīng)力[6]。在裂縫修補(bǔ)方面,傳統(tǒng)的方法主要為表面修補(bǔ)和化學(xué)灌漿?，F(xiàn)今,許多學(xué)者開始研究混凝土裂縫的自愈合能力,即在混凝土攪拌時(shí)加入包裹粘結(jié)液的膠囊,當(dāng)混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí),膠囊裂開,釋放粘結(jié)液,對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)[7]。

此外,還有利用細(xì)菌分解作用來修復(fù)混凝土裂縫[8]。然而了解混凝土硬化過程中,結(jié)構(gòu)的溫度及應(yīng)變變化規(guī)律,對(duì)預(yù)防和修復(fù)裂縫都是很重要的。本文以新川東港閘閘墩混凝土為研究對(duì)象,對(duì)早期混凝土內(nèi)部的溫度及應(yīng)變的發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測,分析混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因。

1 觀測試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥:東臺(tái)磊達(dá)P·O 42.5級(jí)水泥。粉煤灰:南通華瑞Ⅰ級(jí)粉煤灰。礦粉:張家港聯(lián)峰S95型礦粉。拌合水:深井水,pH為 7.87。粗骨料:宜興碎石,最大粒徑30 mm。細(xì)骨料:宿遷駱馬湖天然中砂,細(xì)度模數(shù)2.7。外加劑:江蘇特密斯TMS-YI-3高效減水劑,維纖:南京派尼爾聚丙烯纖維。表1為施工所用混凝土配合比。

表1 混凝土配合比(kg/m3)

1.2 觀測試驗(yàn)方案

內(nèi)部應(yīng)變及溫度檢測:閘墩內(nèi)部共布置6組應(yīng)變和溫度傳感器,測點(diǎn)布置在閘墩表層(2 cm)、1/4層(35 cm)、中心層(70 cm),具體位置見圖1。觀測時(shí)間間隔:1 d～3 d為3 h,4 d～7 d為6 h觀測,8 d～28 d為12 h。

圖1 傳感器測點(diǎn)布置圖

1.3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土力學(xué)性能檢測:現(xiàn)場取料,成型彈性模量及強(qiáng)度試件,同條件養(yǎng)護(hù)。分別進(jìn)行3 d、7 d、21 d、28 d混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度變化分析

圖2為b截面等距布置的3個(gè)測點(diǎn)溫度及環(huán)境溫度的變化曲線,結(jié)果顯示,約36 h～42 h,各測點(diǎn)溫升達(dá)到最大值,其中,閘墩b截面中心點(diǎn)(b3)最高溫度達(dá)71.4℃。隨后開始降溫,經(jīng)過約18 d后,混凝土內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度趨于一致。

從溫差角度來看,閘墩截面中心層溫差最大值約為40.1℃。同一時(shí)間各測點(diǎn)層混凝土溫差呈非線性變化,表層與1/4層溫差梯度較大。如27 h時(shí)測得表層溫差△t為14.8℃,1/4截面處溫差△t為33.7℃,中心層溫差△t為40.1℃。主要由于混凝土導(dǎo)熱性能較低,越接近中心層,熱量越不易散出,因此,形成了同截面溫度非線性分布的狀態(tài)。

圖2 測點(diǎn)b1、b2、b3溫度及環(huán)境溫度隨齡期的變化

2.2 應(yīng)變變化分析

閘墩不同層混凝土應(yīng)變變化如圖3。結(jié)果表明,齡期4 d以內(nèi),混凝土表層(2 cm)均處于受拉狀態(tài),產(chǎn)生較大拉應(yīng)變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為27 h和65 h,最大拉應(yīng)變?yōu)?39.7 μ ε～ 47.7 μ ε;1/4 層和中心層混凝土處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)變約200 μ ε。后期,隨著溫差進(jìn)一步縮小,應(yīng)變的傳遞趨于穩(wěn)定。

分析圖3對(duì)應(yīng)于升溫至最高溫度時(shí),出現(xiàn)拉應(yīng)變減小現(xiàn)象,內(nèi)部混凝土受到模板的約束作用,壓應(yīng)變達(dá)到200μ ε時(shí)將不再增加。但此時(shí)表面層混凝土溫度繼續(xù)升高,熱脹產(chǎn)生壓應(yīng)變削減部分拉應(yīng)變所致。溫降初期,混凝土表面層溫度迅速降低,混凝土產(chǎn)生收縮,此時(shí)內(nèi)部溫度仍然很高,因此出現(xiàn)了較大拉應(yīng)變,這一時(shí)期,混凝土終凝基本完成,但力學(xué)性能及抗拉能力較低,是產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)期。

圖3 b截面不同層測點(diǎn)混凝土應(yīng)變變化

2.3 應(yīng)變、溫差與齡期關(guān)系分析

圖4為表層混凝土b1測點(diǎn)應(yīng)變、溫差與齡期關(guān)系,明顯看出,溫差出現(xiàn)最大值附近,拉應(yīng)變減小,溫差降低初期,表層拉應(yīng)變?cè)龃?。溫降初期產(chǎn)生較大的收縮,使早期表層混凝土產(chǎn)生較大拉應(yīng)變,是固體材料熱脹冷縮使然。隨著溫差逐漸減小,拉應(yīng)變也逐漸減小。當(dāng)溫差小于10℃～12℃時(shí),受拉狀態(tài)變化為受壓狀態(tài)。

圖4 b1測點(diǎn)的應(yīng)變、溫差與齡期關(guān)系

圖5為中心層混凝土b3測點(diǎn)應(yīng)變、溫差與齡期關(guān)系。由圖可見,內(nèi)部混凝土始終處于受壓狀態(tài)。由于混凝土受熱膨脹,早期壓應(yīng)變隨著溫差的增加而迅速增加,溫差達(dá)到最高時(shí)壓應(yīng)變也處于最高值,隨著溫差降低,壓應(yīng)變也逐漸減小。最后,溫差逐漸消失,壓應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

圖5 中層b3應(yīng)變、溫差與齡期關(guān)系

2.4 彈性模量與強(qiáng)度計(jì)算分析

2.4.1 彈性模量

試驗(yàn)所得混凝土彈性模量及強(qiáng)度結(jié)果見表2。混凝土彈性模量是隨齡期而增加的,早期變化較快。由表2可見,3 d彈性模量值已達(dá)到28 d的70%。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[9]給出的混凝土彈性模量與齡期的關(guān)系式(公式1)進(jìn)行擬合,具有較好的相關(guān)性。由公式(1)可得到任一時(shí)間混凝土的彈性模量值。

表2 混凝土彈性模量及軸心抗壓強(qiáng)度

2.4.2 抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)中測得的是混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的值,通過公式(2)把軸心抗壓強(qiáng)度換算成立方體抗壓強(qiáng)度。

式中:a1為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比,取 a1=0.76;a2為高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù),C40以下為1.00。

將公式(2)獲得的28 d立方體抗壓強(qiáng)度,代入公式(3)[9]可計(jì)算任一時(shí)間混凝土的抗壓強(qiáng)度。

再將混凝土抗壓強(qiáng)度,代入公式(4)[9],可算出任一時(shí)間的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度,即計(jì)算應(yīng)力。

2.5 溫度應(yīng)力計(jì)算分析

文獻(xiàn)[1]提出在計(jì)算混凝土表面冷卻引起的自約束應(yīng)力(溫度應(yīng)力)時(shí),可分為全約束應(yīng)力和釋放約束引起的應(yīng)力,兩者之和即為實(shí)際產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,即

式中:σ(y)為梁內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力;H(t,τ)為松弛系數(shù),隨齡期而變化;μ為泊松系數(shù),取0.15;E為彈性模量;α為線性膨脹系數(shù),取10×10-6/℃;T0為內(nèi)部與表面溫差;h為梁的一半厚度;y為梁內(nèi)任一點(diǎn)距中心面的距離。

將公式(1)計(jì)算出的任一時(shí)間混凝土彈性模量值,代入公式(5),可得到混凝土任一時(shí)間的溫度應(yīng)力。

2.6 混凝土溫度裂縫成因分析

圖6為b截面表層混凝土實(shí)際觀測溫度應(yīng)力與分析計(jì)算所得計(jì)算應(yīng)力(計(jì)算過程已在上節(jié)提到)。當(dāng)混凝土彈模較低時(shí),塑性較大,混凝土能夠很好的適應(yīng)由內(nèi)外溫差變化引起的變形變化,因而不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力[11]。從圖6可看出,40 h左右時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的30%,且此時(shí)溫度應(yīng)力始終大于抗拉強(qiáng)度,是產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)期。根據(jù)公式(1)計(jì)算分析可知,40 h后混凝土彈性模量已處于平緩增長階段,混凝土彈模80 h已達(dá)到28 d的70%,之后的增幅將不是太大,而混凝土內(nèi)部的溫度開始大幅度降低,以至混凝土溫度應(yīng)力不斷降低?；炷量估瓘?qiáng)度是隨時(shí)間不斷增加的,因此出現(xiàn)80 h時(shí)溫度應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度,之后混凝土將不再受到溫度應(yīng)力的威脅。

圖6 b截面表層混凝土溫度應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力關(guān)系

拆模后對(duì)閘墩裂縫進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)閘墩南北面分別出現(xiàn)3條和1條裂縫。雖然實(shí)際工程中已經(jīng)采取了大量抗裂措施,但并未能解決裂縫問題。

2.7 應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值分析

表層混凝土應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值整體變化趨勢一致,理論計(jì)算值略微大于實(shí)際檢測值。因?qū)嶋H工程混凝土中采取了多項(xiàng)降溫抗裂措施,如摻礦粉、粉煤灰等摻合料以減少水泥用量降低水化熱,加入聚丙烯纖維提高混凝土的抗裂性能,加密構(gòu)造鋼筋等,所以理論計(jì)算值大于實(shí)測值是合理的。另外,由于大體積混凝土變形的滯后性,也會(huì)一定程度上影響到實(shí)測值應(yīng)變滯后于計(jì)算值。

圖7 b1測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值

3 結(jié) 論

(1)觀測結(jié)果表明,混凝土澆筑后40 h左右,表面層混凝土至中心層溫度都達(dá)到最高,且同截面溫度場呈非線性變化。應(yīng)變分布情況為,早期表面混凝土處于受拉狀態(tài),內(nèi)部混凝土處于受壓狀態(tài),拉壓應(yīng)變隨溫度升高而增加,降溫初期混凝土收縮,拉應(yīng)變?cè)俅卧黾?之后應(yīng)變都隨著溫差的減小而降低。(2)計(jì)算結(jié)果表明,早期混凝土強(qiáng)度較低,表面溫度應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。應(yīng)變實(shí)測值與理論計(jì)算值變化趨勢相同,理論計(jì)算值略大于實(shí)測值是因?yàn)閷?shí)際工程中采取了多種防裂措施。

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