干湿循环作用下混凝土的收缩应力及混凝土耐久性的分析.pdf

施 工 技 术 干湿循环作用下混凝土的收缩应力 及混凝土耐久性的分析 刘鑫锦 中铁隧道勘测设计院有限公司 摘要： 介绍了混凝土耐久性的基本概念、 耐久性设计研究及 评估方法， 分析混凝土浇筑不同阶段及干湿循环过程中混凝土膨 胀、 收缩应力的变化规律， 结合混凝土的实际应用提出了保证混凝 土耐久性的措施， 为混凝土耐久性设计提供技术参考。 关键词： 混凝土耐久性； 干湿循环； 胀缩； 预防措施 1 引言 地铁工程因几乎不受气候条件影响， 运输过程快捷、 安全， 正 逐渐成为大、 中城市公共交通网络的骨干。截止2015年12月全国 范围内开展地铁建设的城市超过40个， 建设里程超过7000公里。 作为主要的工程材料， 混凝土也是地铁工程最大用量的建筑材料 之一， 据不完全统计平均每公里混凝土用量接近10万m3， 且用于地 下结构的混凝土超过85%。 受构成条件的影响， 混凝土具有多孔性且有干缩湿胀的特点， 大量工程实践证实， 地下混凝土结构的开裂原因， 是由非荷载因素 引起的， 混凝土成型时结构内温度及水分变化能够引起的混凝土 体积膨胀、 收缩， 因钢筋混凝土结构成型由于钢筋， 混凝土的材料 特点不同， 混凝土的变形受约束条件下影响， 容易导致结构内拉应 力不平衡， 引起开裂， 这样容易引起使用中的混凝土结构 （构件） 中 存在由表及里的收缩， 导致混凝土结构开裂， 地下结构混凝土受地 下水上升、 大气降水下渗的影响， 往往处于干湿交替的环境中， 由 于干湿循环引起混凝土结构水分的变化， 可能引起混凝土结构耐 久性问题。外部环境干湿循环无疑将加速混凝土性能的衰退， 减 小混凝土的寿命， 混凝土结构在干湿循环环境条件下， 容易引发混 凝土耐久性问题。 对混凝土硬化及干湿循环条件下胀缩应力进行分析， 能够对 混凝土不同阶段的胀缩应力进行把控， 进而采取工程措施， 减小混 凝土胀缩应力对混凝土耐久性的影响有着非常重要的意义。 2 混凝土耐久性设计及评估方法 从工程结构的角度而言， 耐久性是指构件或结构长期满足设 计安全和使用要求的性能， 或者说是一个构件或整个结构在某一 特定的时间段内能够安全地保持其适用性的能力。从材料科学的 角度而言， 按照ACI 201委员会的定义， 混凝土耐久性即混凝土对 受气候变化影响、 化学反应侵蚀或其他能够破坏过程的抵抗能力。 2.1 混凝土结构耐久性设计方法 混凝土耐久性设计的基础是应该考虑影响混凝土耐久性的内 在影响因素、 外在影响因素下， 设计构件的结构可靠度在规定的使 用年限内、 合理的使用条件下不低于规范规定要求。国内关于混 凝土耐久性的研究主要包含两个方面方向:第一种关于耐久性的研 究认为， 在进行混凝土结构耐久性设计前， 首先要对结构构件工作 作用环境进行分类， 通过对结构构件的作用环境确定结构的设计 寿命， 利用承载能力极限状态对耐久性进行验算， 但基于这种理论 的计算方法计算简单， 在一定程度上能够满足工程需要， 然现行规 范采用的以近似概率为基础的设计方法不完全， 在设计工作作用 环境的影响因素过大， 存在局限性； 在克服第一种研究局限性的基 础上的另外一种研究认为， 混凝土结构耐久性设计应包括计算和 构造要求两部分， 基于第二种研究， 提出结构耐久性设计的公式： SR(1) 其中， S： 内力设计值； R： 抗力设计值； ： 耐久性系数， 是结构可 靠指标的函数。 2.2 混凝土结构耐久性评估方法 混凝土耐久性评估主要包括混凝土结构的耐久性评定和混凝 土耐久性的预测。 (1)混凝土结构耐久性评定。根据现场采集到的大量特性参 数， 从影响耐久性的因素入手， 通过仪器检测确定耐久性指标和权 重， 继而对混凝土构件构件进行耐久性等级评定， 最终形成混凝土 结构的耐久性等级分类， 由于影响因素之间的影响系数各部不相 同， 现阶段对混凝土等级评定的主要方法包括： 人工神经网络、 层 次分析法、 灰色系统、 模糊数学等。 (2)混凝土结构耐久寿命预测。混凝土结构使用寿命是指混凝 土结构构件从开始使用到结构达到破坏极限状态为止的时间； 对 混凝土寿命预测包括两个方面： 一是在特定的环境条件下， 根据己 知构件材料耐久性能对结构进行耐久性设计； 二是根据已有结构 当前的情况， 对构件的使用寿命采用失效机理， 理论分析、 现场， 室 内实验和数学方法进行预测。预测理论主要有： 碳化寿命理论、 锈胀开裂寿命理论、 裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命理论、 承载力寿命理论。 3 混凝土胀缩应力分析 地铁中使用的混凝土结构大部分都处于干湿交替的影响环境 中， 在干湿循环过程中， 混凝土的破坏模式表现为混凝土成型之初 内部水分变化导致混凝土结构出现收缩或湿胀， 引发混凝土结构 收缩、 湿胀应力。使用阶段混凝土收部分有害介质沿裂纹不断渗 入引起混凝土内部物理、 化学反应引起混凝土面层混凝土剥离、 脱 落， 裂缝深度不断深入， 影响混凝土的耐久性。 3.1 成型阶段胀缩应力分析 混凝土入模阶段： 混凝土浇筑之初处于流动状态， 受混凝土本 身自重影响， 会产生侧向膨胀力和沉降， 线性变形表现为膨胀。 混凝土初凝前期： 初凝时期的混凝土受水化反应的影响， 流动 和塑性变形能力逐渐减小， 混凝土整体刚度能够约束混凝土自身 重量产生的膨胀力时， 混凝土的侧向膨胀停止， 在水化作用引起的 分子之间的来接力逐渐增强的作用下， 混凝土的变形表现为收 缩。此阶段混凝土内部水化作用产生的分子拉接力较小， 混凝土 刚度较低， 混凝土变形表现为自收缩， 因早期混凝土内部水泥水化 速率较大混凝土收缩的的增长速度较快。 混凝土初凝中后期： 随着水泥水化的持续进行， 水化产物形成 产物逐渐增多， 基本形成混凝土内部完整的骨架。混凝土表现为 宏观上的收缩， 但收缩发展逐渐缓慢。 混凝土终凝阶段： 随着混凝土内部水化作用的进行， 拌合物中 液态水被水化物逐渐隔离， 混凝土内部相对湿度逐渐下降。在毛 细孔水的表面张力的作用下， 混凝土产生宏观体积收缩， 并且随着 混凝土内部相对湿度持续降低， 毛细孔负压增大， 混凝土的收缩增 加。随着龄期的不断增加， 混凝土应力受内部作用作用的影响逐 渐减小， 受外部干湿循环作用的影响逐渐增加。 3.2 干湿循环作用阶段胀缩应力分析 干湿循环作用下， 当环境湿度高于混凝土内部湿度时， 外部水 向混凝土内部扩散， 混凝土内部含水量增大， 毛细孔负压降低， 混 221 万方数据 装饰装修天地 图2 倒T型固定墩截面示意图 不同管径固定墩承受的水平推力大小同矩形固定墩， 计算结 果如下表： 表3 DN50DN300倒T形固定墩计算汇总表 DN 300 250 200 150 125 100 80 65 50 b 3.6 3 2.8 2.6 2.6 2.2 2 1.8 1.5 d 0.9 0.8 0.8 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 0.4 d1 1.2 1.1 1 0.6 0.5 0.4 0.3 5 0.3 5 0.3 h 2.8 2.6 2.2 1.5 1.3 1.1 0.9 0.8 0.5 h1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.7 0.8 0.9 h3 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 h2 3.5 3.2 2.9 2.3 2.2 2.1 1.9 1.9 1.7 1186.8 822.15 623.7 353.81 314.5 232.85 168.48 144.34 84.24 131.87 91.35 69.3 39.312 34.944 25.872 18.72 16.038 9.36 T 680 490 390 210 180 130 100 80 50 1.385 1.334 1.3 1.308 1.342 1.372 1.329 1.395 1.343 1.5 1.509 1.528 1.569 1.585 1.58 1.587 1.542 1.648 4.3 两种样式固定墩计算结果对比 通过对矩形固定墩及倒T型固定墩在相同水平推力作用下， 截 面尺寸的计算， 比较两种截面形式混凝土用量， 结果见下表： 表4 DN50DN300两种固定墩样式混凝土用量汇总表 DN 矩形 倒T型 倒T型 节省混 凝土量 300 32.26 15.01 53.46 % 250 21.38 8.94 58.18 % 200 17.39 7.28 58.13 % 150 6.94 3.74 46.02 % 125 5.76 3.28 43.13 % 100 3.51 2.38 32.31 % 80 2.69 1.86 30.80 % 65 2.08 1.37 34.23 % 50 1.05 0.75 28.57 % 从表中可以看出， 当管道直径越大， 水平推力越大时， 倒T型固 定墩比矩形固定墩节省的混凝土量越多， 最多可节省混凝土量达 到50%以上。 5 结语 矩形固定墩施工方便， 计算中受力明确。但当矩形固定墩承 受的水平推力较大时， 固定墩的体积较大， 相应的也带来了占地 大， 浪费材料， 且一次性浇筑困难等问题。 倒T型固定墩， 可利用固定墩上覆土的重量抵抗一部分水平推 力产生的倾覆力矩， 并且覆土的重量可增加固定墩与地基土接触 面的摩擦力， 也同样承担了一部分抗滑移作用。因此， 倒T型固定 墩可使混凝土用量大大减小， 不仅节省了投资， 而且减小了一次性 浇筑混凝土的困难， 提高了施工速度， 解决了直埋敷设管道推力所 带来的许多问题。但由于倒T型固定墩施工支模板比较复杂， 施工 周期较长。 所以在固定墩样式的选择上， 是矩形固定墩还是倒T型固定墩 应根据具体情况确定。建议对于推力较小， 采用矩形固定墩， 推力 较大的采用倒T型固定墩。 综上所述， 直埋管道固定墩设计应结合现场实际环境， 灵活应 用各种设计方法， 以期在安全合理的前提下降低工程造价， 提高经 济效益。 参考文献： 1 CJJ/T 81-2013.城镇供热直埋热水管道技术规程S. 2热水管道直埋敷设 ， 国家建筑标准设计图集05R410. 3 吴继昌， 高亮.城市供热管道直埋固定墩设计不同类型比较 J.中国高新技术企业,2012(7). 4 张鹏.直埋热力管道固定墩优化设计J.山西建筑,2014(2). (上接第220页) 凝土收缩减小。混凝土内部毛细水张力与其内部湿度呈负相关。 内部湿度越低， 毛细张力越大， 反之则毛细张力越小。当环境相对 湿度小于内部湿度时混凝土失水， 内部相对湿度降低， 混凝土吸 水， 内部相对湿度升高， 从而出现干缩湿胀的变形变化规律。尤其 在干燥或湿润初始阶段， 相对湿度的变化较为明显。 干湿循环作用下混凝土失水收缩与吸水肿胀均发生在凝结之 后， 混凝土本身尺寸较小且周围无约束条件下， 混凝土的收缩与膨 胀基本不引起混凝土的内应力产生。然工程实际施工中的混凝土 多处于不同程度的约束状态 （土、 钢筋、 纤维等） ， 使得混凝土结构 变形受到约束而产生拉应力， 又因混凝土本身的抗裂能力相对较 差， 受此影响构件就会开裂。干湿循环作用主要发生在混凝土结 构表层， 混凝土收缩、 张拉应力大小跟混凝土构件的大小成正相关 关系。 4 保证混凝土耐久性的措施 4.1 材料选择 混凝土原材料选取时应根据构件的相关设计要求， 选用低水 化热、 低收缩率、 碱含量小， 抗冻性好的水泥。粗细骨料选择结合 级配和配合比的影响考虑碱活性含量， 耐蚀性和吸水性， 提高混凝 土的密实度。 4.2 防止干湿循环破坏 混凝土的组成材料、 配合比、 密实度和养护条件共同决定了其 抵抗干湿循环破坏的能力， 混凝土选材时应尽量避免使用高吸水 率的骨料。混凝土结构及构件宜整体浇筑， 减少施工缝的设置， 减 少干湿循环对结构的影响。混凝土构件的破坏是从表面开始的， 采用表面浸渍和表面涂覆的手段增强混凝土表面密实度， 降低混 凝土表面渗透性。 4.3 预防钢筋锈蚀 采用静电喷涂环氧树脂粉末或其他喷涂工艺在钢筋表面形成 一定厚度的防腐涂层， 保护钢筋使用年限内能正常的发挥作用。 也可以在混凝土表面涂层， 减少地下水干湿循环对钢筋的影响。 4.4 选择合理的保护层厚度 根据相关规范要求， 按照设计使用年限， 对钢筋的保护层厚度 采用适当的增加或减少， 一方面保证结构耐久性设计， 又要做到经 济合理。 4.5 加强施工管理 严格控制施工配合比， 遵守养护制度， 加强振捣、 通过改善养 护条件， 提高保水性、 确保混凝土的密实性。 5 小结 通过混凝土耐久性的概念及耐久性设计研究及评估方法介 绍， 结合成型阶段阶段及干湿循环作用阶段胀缩应力变化规律， 分 析了混凝土胀缩应力可能对混凝土耐久性产生的影响。根据工程 实际情况从选材、 防护、 工程措施等方面提出了保证混凝土耐久性 的措施， 可作为混凝土工程耐久性设计、 施工的技术参考。 参考文献： 1 朱伯芳.大体积混凝