温度裂缝机理（精选10篇）
温度裂缝机理 篇1
1 概述
混凝土桥梁结构, 在日常的养护检查中发现存在大量的裂缝, 其中较大比例的为温度裂缝和收缩裂缝, 对此类裂缝的研究和处治早已引起人们的关注, 尤其是如何防止和控制大体积混凝土裂缝, 一直是工程技术界长期关心和共同研究的重要课题。下面通过对威乳高速公路上砼桥梁的温度裂缝进行研究与探讨, 提出了混凝土桥梁温度裂缝的处治措施。
2 混凝土的温度裂缝
产生机理及危害:
2.1 引起温度裂缝的主要因素如下:
a.年温差。一年四季温度不断变化, 但变化相对缓慢, 对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移。一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施加以解决, 只有结构的位移受到限制时才会引起温差裂缝。
b.日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后, 温度明显高于其它部位, 温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用, 导致局部结构拉应力较大, 出现裂缝。日照和骤然降温是导致结构温度裂缝的常见原因。
c.骤然降温。突降大雨、冷空气袭击、日落等可导致结构外表温度突然下降, 但因内部温度变化相对较慢而产生温差裂缝。
d.水化热。出现在施工过程中, 大体积混凝土 (厚度超过2.0m) 浇注之后由于水泥水化放热。致使内部温度很高 (可达70℃以上) , 内外温差太大, 致使表面出现裂缝。
大体积砼产生裂缝的原因和机理是一个比较复杂的问题, 根据大量的工程实践及相关参考资料表明, 一般认为主要有温差 (包括收缩) 、材料的弹性模量常数、砼的极限拉伸强度、砼板的厚度、结构的连续程度、砼本身的徐变、约束及地基变形等因素引起的。其中水泥水化热产生较大的温度变化及收缩作用, 是导致砼出现裂缝的主要原因, 大体积砼在浇注后升温阶段由于体积大, 凝聚在内部的水化热不易散发, 导致砼内部温度显著升高, 温差的增大使砼产生表面裂缝。在降温阶段新浇砼收缩又受封底砼约束而不能自由收缩, 且浇注前期升温快, 弹性模量相对较低, 徐变影响大, 所以降温产生的拉应力大于相应龄期的容许拉应力, 差值过大时将在砼内部产生贯通裂缝。所以合理的控制温度变化是保证不产生裂缝的根本, 一般规定将非均匀温差控制在25℃内。
e.蒸气养护或冬季施工时措施不当, 混凝土骤冷骤热, 内外温度不均, 易出现裂缝。
f.实验研究表明, 高温下的混凝土强度随温度的升高而明显降低, 钢筋与混凝土的粘结力随之下降。由于受热, 混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩而产生裂缝。
2.2 收缩引起的裂缝的主要因素:
混凝土是由汽、液、固三相组成的假固体 (指浇注过程到保养) , 其中尚有未水化的水颗粒, 还需吸收周围水分。液、固相间的胶凝体, 因水分散失, 体积会缩小, 引起收缩裂缝。混凝土收缩主要有塑性收缩、缩水收缩 (干缩) 和自身收缩及碳化收缩4种。
a.塑性收缩。发生在施工过程中, 混凝土浇注后约4~5h, 此时水泥水化反应激烈, 分子链逐渐形成, 出现泌水和水分急剧蒸发凝土失水收缩, 同时骨料因自重下沉, 而此时混凝土尚未硬化, 称为塑性收缩。其产生量级很大, 可达l%左右;而其大小与混凝土流态有很大关系, 且仅发生在混凝土浇注初期。在骨料下沉过程中着受到钢筋阻挡, 便形成沿钢筋方向的裂缝。
b.缩水收缩 (干缩) 。混凝土硬结以后, 随着表层水分逐步蒸发, 湿度逐步降低, 混凝土体积减小, 称为缩水收缩。因混凝土表层水分损失快, 内部损失慢, 因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩, 表面收缩变形受到内部混凝土的约束, 致使表面混凝土承受拉力, 当表面拉应力超过其抗拉强度时;便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件 (超过3%) , 钢筋对混凝土收缩的约束比较明显, 混凝土表面容易出现龟裂裂纹。缩水收缩产生量级可达0.02%左右。
c.自身收缩。自身收缩指混凝土在硬化过程中, 水泥与水发生水化反应生成新的物质, 导致自身体积缩小。这种收缩与外界温度无关, 且可以是正的 (即收缩) , 也可以是负的 (即膨胀) 。
d.碳化收缩。大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。其中有的在湿度50%左右才能发生, 且随二氧化碳浓度增加而加快碳化收缩量级不大, 一般不做计算。
此外, 混凝土强度等级日趋提高、施工方法、养护方法不当以及结构所处的环境条件也是引起桥梁混凝土早期开裂的重要原因。
3 温度裂缝和收缩裂缝处治对策
若此类裂缝的缝宽较宽、深度相对较深, 则对整个截面的刚度极大削弱, 影响结构的受力性能。若缝宽较小、深度相对较浅, 则对结构承载能力的影响较小, 但是如果长期不处理, 空气中的水分及各种离子, 较易进入裂缝中, 对钢筋和砼进行腐蚀作用, 使钢筋砼结构的耐久性能大大降低, 最终导致结构的承载能力降低。
目前常用的处治方法是:对裂缝宽度小于0.15mm的裂缝实行封闭法, 阻止空气中的水分及各种离子的入侵;对裂缝宽度大于等于0.15mm的裂缝, 实行树脂类压浆灌缝处理, 封闭裂缝的同时进行补强处理。对裂缝进行封闭处理后, 加强裂缝观测。具体措施如下:
3.1 裂缝宽度<0.15mm
采用聚合物水泥表面封闭法, 聚合物水泥是在加固专用的改性环氧浆液配出后加入50克525#水泥搅拌均匀而成, 封闭后要考虑混凝土表面的美观。
3.2 裂缝宽度≥0.15mm
采用灌注混凝土裂缝修补胶液封闭裂缝法, 将裂缝修补胶浆液压注入结构物内部裂缝中去, 以达到封闭裂缝, 恢复并提高结构强度、耐久性和抗渗性的目的, 使混凝土构件恢复整体性。
4 结论
砼中的温度裂缝和收缩裂缝占砼结构裂缝中相当大的比例, 严重的直接影响结构的承载能力, 轻微的也影响着结构的耐久性。通过分析其产生的机理, 提出了养护工作中的处治方法, 在实际养护中经对此种方法进行处治, 效果较好。为砼桥梁此类病害的养护工作提供了参考。
摘要：砼桥梁的裂缝中温度裂缝和收缩裂缝占了相当大的比例, 通过阐述其产生的成因及机理, 提出了在桥梁养护工作中的处治措施, 为砼桥梁的养护工作提供了技术参考。
关键词：温度裂缝,收缩,封闭
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:建筑工业出版社, 1998.[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:建筑工业出版社, 1998.
[2]黄军生.钢筋混凝土桥梁裂缝成因综述[J].世界桥梁, 2002, 2.[2]黄军生.钢筋混凝土桥梁裂缝成因综述[J].世界桥梁, 2002, 2.
[3]过镇海, 时旭东.钢筋混凝土原理与分析[M].北京:清华大学出版社, 2003.[3]过镇海, 时旭东.钢筋混凝土原理与分析[M].北京:清华大学出版社, 2003.
大体积砼温度裂缝控制初探 篇2
大体积砼;温度裂缝;原因;控制措施
大体积砼具有结构厚、体积大、钢筋密、砼数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。除了必须满足强度、刚度、整体性和耐久性要求以外,还存在如何防止有害裂缝产生的问题。大体积砼硬化期间,由于水泥水化过程释放的水化热,所产生的温度变化和砼的收缩共同作用,由此而产生的温度应力和收缩应力,往往导致砼结构出现裂缝。这些裂缝会给工程带来不同程度的危害。因此如何采取有效措施,防止温度应力造成砼出现有害裂缝,一直是大体积砼结构施工中的一个重大问题。
1 砼温度裂缝产生的原因
引起砼产生裂缝的原因很多,但在大体积砼中,温度应力是引起裂缝产生的最常见原因之一。砼在凝结硬化过程中,水泥水化反应产生的水化热会使砼温度升高。对于一般柱、梁、楼板等构件,由于其散热条件较好,所以水化热所造成砼温度升高不大,不致引起严重不良后果。但对于大体积砼,由于散热条件差,砼浇筑后初期,大量的水化热积聚在砼块体内部,从而会引起明显的温升。此时,虽因砼温度与周围介质存在着温度差,热量会逐渐向外界散发,使砼块体逐渐降温冷却,最后稳定,但此过程非常缓慢。所以,大体积砼的温度变化,通常要经历温升期、冷却期和稳定期3个时期。
砼温度的变化,必然会使砼产生温度变形。若此变形受到约束,必将产生温度应力。如果温度应力为拉应力,且超过砼的抗拉强度时,砼便要产生温度裂缝。
大体积砼产生温度变形时受到两方面的约束:
(1)基岩或已硬化的砼垫层的约束。这属于外约束。当砼块体浇筑后,温度将逐渐升高到最高值,随后便逐渐下降,块体本应随之收缩,但由于块体底部已与基岩或已硬化的砼垫层粘结在一起,块体的收缩受到基岩或砼垫层的约束,从而在块体内产生拉应力。若拉应力超过砼的抗拉强度,砼就会产生裂缝。由于最大的约束应力在约束边,离开约束边向上,应力将逐渐衰减。故裂缝首先是在块体底部产生。随着收缩的增加和温度应力的增大,裂缝将向上延伸,有时会贯穿整个砼截面,形成贯穿裂缝,破坏砼的整体性,这对砼的承载能力和安全工作是非常不利的。
(2)砼自身质点的约束。这属于内约束。大体积砼在温度变化过程中,砼块体内温度的分布是不均匀的,块体表层的热量散发快,因此表层温度接近于外界温度,而块体内部积聚的水化热不易散发,因而块体内部温度将显著高于块体表面温度.由于内外温度的不一致,使表层砼的收缩受到里层砼的约束而产生拉应力。若此拉应力超过了砼的抗拉强度,就会在块体表面产生表面裂缝。
故对大体积砼而言,外约束是使砼产生深层裂缝的原因,内约束则是使砼产生表面裂缝的原因。
2 控制产生温度裂缝的技术措施
2.1 减少边界约束作用的措施
(1) “放”的方法。减少约束体与被约束体之间的相互制约,以设置永久性伸缩缝的方法,将超长的现浇钢筋砼结构分成若干段,以期释放大部分变形,减少约束应力。我国《砼结构设计规范》规定:现浇剪力墙结构、现浇框架结构,处于室内或土中条件下的伸缩缝间距分别为45m和55m。目前大多数国家也广泛采用设置永久性伸缩缝作为控制裂缝开展的主要方法,其伸缩缝间距为20—30m,个别为10—20m。
(2) “抗”的方法。采取措施减小被约束体与约束体之间的相对温差,改善配筋,减少砼收缩,提高砼抗拉强度等。以抵抗温度收缩变形和约束应力。
(3) “放”、“抗” 结合的方法。在施工期间设置作为临时伸缩缝的 “后浇带”,将结构分成若干段,可有效削减温度收缩应力。在施工后期,将若干段浇筑成整体,以承受约束应力,正常施工条件下,后浇带间距一般为20—30m,带宽1.0m左右,砼浇筑30—40d后用砼封闭。
(4)除采用后浇带方法外,在某些工程中还采用 “跳仓打”的施工方法,即将整个结构按垂直施工缝分段,间隔一段,浇筑一段。经过不少于5d的间歇后再浇筑成整体 ,这样可削弱一部分施工初期的温差和收缩作用。.
(5)设置滑动层。对大体积砼在地基或垫层与基础的接触面上涂刷一道热沥青再加基础,铺一层油毡,或在地基或垫层上铺设50mm厚砂或石屑等形成滑动层,以减少地基或垫层对基础变形的约束程度。
在工程实践中,到底采用哪一种方法比较合适,必须通过综合分析其技术条件、使用要求和经济效果后,才可作出选择。
2.2 控制温度差的措施
温差是产生温度应力的根本原因。只要能控制温度差在25℃以内,就能防止温度裂缝的产生。对于配筋较密集的结构,考虑到钢筋对抗裂的作用,允许温差值可适当提高为30—401C,为降低温度差,可采取下列措施:
(1)尽量减少水化热。1)选用中热或低热的水泥品种,减少水化热,使砼减少升温。大体积砼施工常用325号、425号矿渣砼酸盐水泥。为减少水泥用量,降低水化热,利用砼的后期强度,并专门进行砼配合比设计,征得设计单位同意,砼可采用后期45d, 60d或90d强度替代28d设计强度,这样可使每立方米砼的水泥用量减少40—70kg/m2左右,砼的水化热温升相应减少4—7℃。2)外掺剂:在砼中可掺加复合型外加剂和粉煤灰,以减少绝对用水量和水泥用量,改善砼和易性与可泵性,延长缓凝时间。3)粗细骨料选择:采用以自然连续级配的粗骨料配制砼,因其具有较好的和易性、较少的用水量和水泥用量以及较高的抗压强度。优先选用5—40mm石子,减少砼收缩。含泥量<1%,符合筛分曲线要求,骨料中针状颗粒含量<15% (重量比)。细骨粒的采用以中粗砂为宜,含泥量<2%,这样可减少用水量,水泥用量相应减少,这样就降低了砼的温升并减少了砼的收缩。
(2)控制砼的浇筑温度。砖的温度是由浇筑温度和水化热温升所组成.因此,为了降低砼的内外温差和避免砼表面水分蒸发过快,也为了避免砼凝结速度过快影响砼的浇筑工作,砼的浇筑温度应予以适当控制,一般不宜超过28℃,但对于大体积基础,由于砼的温度裂缝主要受早期温度应力的控制,砼浇筑温度对基础早期内外温差的影响不起主导作用。因此,对砼浇筑的温度的控制也不必过于严格要求,可参考其它一些国家 (如日本、美国等)的规定控制在30℃或32℃以下。为降低砼的浇筑温度,高温季节施工时,应对粗、细骨料加以覆盖,免受太阳(接85页)曝晒,必要时,可用地下水或掺水屑水拌制砼。
(3)加强砼的养护,并注意施工阶段的温度监测。为保证新浇筑的砼有适宜的硬化条件,防止在早期由于干缩而产生裂缝,在砼浇筑完毕终凝后即加以覆盖浇水养护。为了掌握砼在施工期间内部温度场的变化情况,必须做好砼温度的监测工作,在砼内不同部位设置温度观测点,对砼温度进行跟踪监测。当砼内部温度场的分布于理论设计计算值对照有异常情况时,应及时采取相应的技术措施,控制砼内外的温度差不超过规定值.控制砼温度差的措施一般是:一方面降低砼的内部温度,另一方面保持或提高砼的表面温度。
参考文献:
1、叶琳昌、沈义.大体积混凝土施工[M].北京:中国建筑出版社,2006.
温度裂缝机理 篇3
1 高层建筑混凝土转换层结构施工阶段的温度裂缝机理
高层建筑混凝土转换层结构施工阶段产生的温度裂缝,是其内部矛盾发展的结果一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变,另一方面是结构的外部和混凝土的质点间的约束阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时,即会出现裂缝另外,泵送混凝土由于流动性和和易性的要求,坍落度增加,水灰比增大,水泥强度等级提高,水泥用量、用水量、砂率均增加,骨料粒径减小,减水剂及其外加剂的增加等诸多因素的变化,导致混凝上的收缩及水化热作用都大大增加,收缩时间延长水泥用量及标号的增加,可明显提高混凝土的抗压强度,但对抗拉强度的提高是很小的。由于施工单位委托搅拌站向现场供应商品混凝土时,委托的技术依据只有设计院确定的强度等级,却忽略了对大体积混凝土性能的要求,这样也会对控制裂缝的产生不利。施工单位应编制高层建筑混凝土转换层结构浇筑施工方案,并严格执行
2 高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的产生原因
在混凝土结构中由于温度变化引起的裂缝有表面裂缝和贯穿裂缝两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。
2.1 水泥水化过程是高层建筑混凝土转换层结构中的主要温度因素
水泥水化过程中要释放出一定的热量而高层建筑混凝土转换层结构一般断而较厚,水泥释放出的热量聚集在结构物内部不易散发通过实测,水泥水化热引起的温升,在水利工程中一般为15～25℃,而在建筑工程中一般为20～30℃,甚至更高水泥水化热引起的绝热温升,与混凝土单位体积中水泥的用量和水泥品种有关,并随混凝土的龄期(时间)按指数关系增长,一般在10～12大接近于最终绝热温升。但由于结构物有一个自然散热条件,实际上混凝上内部的最高温度,多数发生在混凝土浇筑后的最初3～5天。由于混凝土的导热性能差,浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低,对水化热引起的急剧温升约束不大,相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便开始出现温度裂缝。
2.2 外界气温变化的影响
高层建筑混凝土转换层结构在施工阶段,外界气温的变化影响是显而易见的,因为外界气温愈高,混凝上的浇筑温度也愈高;而外界温度下降,又增加混凝土的降温幅度,特别是气温骤降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度差,这对高层建筑混凝上转换层结构是极为不利的
2.3 约束条件与温度裂缝的关系
各种结构物在变形变化过程中,必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形,这就是指的约束条件高层建筑混凝土转换层结构由于温度变化会产生变形,而这种变形又受到约束,便产生了应力,这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值,便引起裂缝。
2.4 混凝土的收缩变形
混凝土的收缩机理比较复杂,其最大的原因,可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的如果混凝上收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。
3 高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的特点
高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝属于变形荷载引起的裂缝。此类裂缝区别于外荷载引起的裂缝有两个显著的特点:
(1)温度裂缝的起因是结构首先变形,当变形得不到满足才引起应力,而应力又与结构的刚度大小有关,只有当应力超过一定数值时才引起裂缝。混凝土开裂后,变形得到满足或部分满足,应力就发生松弛现象。如果材料强度不高,但是有较好的韧性,也可以适应变形要求,抗裂性能较高。混凝土虽然属于脆性材料,但是改善配合比,增加密实度,在允许范围内提高混凝土的变形能力也是控制开裂的一种途径。松弛变形是高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝区别于荷载产生裂缝的主要特点,计算时应充分考虑。
(2)按普通外荷载计算原则,从外荷载作用,结构内力形成,直至裂缝的出现与扩展,似乎都是在一瞬间完成的,是某个“瞬间过程”。但是高层建筑混凝土转换层结构温度变形的作用,从变形的产生到温度变形应力的形成,裂缝的出现、扩展都不是在同一时间瞬时完成的,它有一个“时间过程”,即为“传递过程”,是一个多次产生和发展的过程,这是区别于外荷载裂缝的第二个特点。因此,高层建筑混凝土转换层结构的温度应力应按分段叠加的方法来求得。
4 混凝土结构裂缝的修补
正在施工中出现的裂缝,修补一般是沿裂缝走向铺设钢筋或钢筋网,并对混凝土结构加强表面保温和养护;对于出现在老混凝土上的深层裂缝应根据建筑物的结构形式、裂缝出现的部位及裂缝发生的原因、性质、宽度,以及结构的受力情况,合理地选择修补材料和方法。
(1)表面修补法。主要用于对承载能力无影响的表面裂缝、大面积细裂缝以及防渗补漏的处理。主要有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥、环氧粘贴玻璃法、表面凿槽嵌补法和表面贴条法等。
(2)内部修补法。主要用于对结构整体性有影响及有防水、防渗要求的深层裂缝及内部缺陷的修补。其最有效的方法是灌浆法,包括水泥灌浆和化学灌浆。
大体积混凝土温度裂缝控制措施 篇4
一、大体积混凝土温度裂缝的产生原因
大体积混凝土温度裂缝的产生有水泥水化热、外界气温的变化、约束条件的变化，和混凝土的收缩变形等因素。水泥水化过程中产生一定的热量，而大体积混凝土结构一般断面较厚，水化热聚在结构内部不易散失，引起急剧升温，在建筑工程中一般为20℃～30℃甚至更高。水泥水化热引起绝热温升，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在10天～12天接近于最终绝热温升。由于结构物在一个自然散热条件中，实际混凝土内部的最高温度多数发生在混凝土浇筑的最初3天～5天。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以致产生很大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种应力时，开始出现温度裂缝。大体积混 凝土在施工期间，外界气温变化的影响很大。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和，外界气温愈高，混凝土的结构温度也愈高，如外界温度下降，会增加混凝土的降温幅度，特别是在外界气温骤降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。温度应力是由温差引起的变形造成的，温差愈大，温度应力也愈大。在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度可达60℃～65℃，并且有较大的延续时间。在这种情况下研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力显得更为重要。结构在变形变化时，必然受到外界条件阻碍其变形，即约束条件。在全约束条件下，混凝土结构的变形，是温差与温度膨胀系数的乘积，即:，当 超过混凝土的极限拉伸值 时，便出现裂缝。实践表明，多数工程温差在20℃～25℃之间尚未开裂。由于泵送混凝土的流动性与抗裂的要求相互矛盾，故应选取在满足泵送的坍落度下限条件下尽可能降低水灰比。因水越多，开裂可能越大，随着混凝土施工厚度增高，混凝土浮浆增多，因此严格控制砂、石骨料和含水率，并进行计算机处理，自动调整配料的水灰比，必要时调整水泥水灰比，进一步减少用水量。对于控制混凝土的收缩和提高抗裂性是必要的。混凝土在水泥水化过程中产生的体积变形，多数是收缩变形，少数为膨胀变形。由于混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽视的。影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和混和材、外加剂及施工工艺，特别是养护条件。
二、大体积混凝土温度裂缝的基本控制措施
1、选择合适的原材料及科学的配合比 混凝土是由水，水泥和骨料拌合而成的非均质材料，在进行裂缝控制时，也可以从混凝土的组成成分入手，达到控制裂缝的目的，包括合理地选择水泥的种类、合格的骨料及级配和选择合适的外加剂及其用量。为控制大体积混凝土的内部最高温度，宜优先选用低水化热水泥，并最大限度降低水泥用量。与此同时，掺加必要的混凝土掺合材料，延缓混凝土终凝时间，由此而论，矿渣水泥应成为大体积混凝土选择时的首选，但必须注意矿渣水泥收缩量较大的特性，应考虑到其可能产生的收缩应力。
2、选择合适的施工方法 不同的施工方法不仅能降低大体积混凝上内的最高温度，还能减小混凝土的内外温差，有效地降低温度裂缝的产生，达到控制裂缝的目的。为了有效降低大体积混凝土的内外温差，在大体积混凝土施工过程中常采用分块浇筑。分块浇筑又可分为分层浇筑法和分段跳仓浇筑法两种。分层浇筑法目前有全面分层法、分段分层法、斜面分层法3种浇筑方案。在时间允许的条件下，可将大体积混凝土结构采用分层多次浇注筑，施工层之间的结合按施工缝处理，即薄层浇注筑技术，它可以使混凝土内部的水化热得以充分地散发，但这里应该注意的是分层浇筑的间歇时间。
3、设计措施 适当的地基处理是为了减小地基对混凝土基础的阻力，以减小温度应力.避免发生温度裂缝。当地基为软土层时，可以优先考虑采用砂垫层加固地基，砂垫层不仅可以提高地基的承载能力，减小地下水或地表水的影响，而且还可以减小地基对混凝上基础产生的约束作用;当地基为坚硬的基岩或老混凝土基层时.可以考虑在基础底部设置滑动层，例如可以在基础底部油两道热沥青，然后再铺设一层油毡，也可以铺设砂卵石层、沥青砂浆层等。为了控制大体积混凝土的表面收缩裂缝，可以适当采取在承台表面合理增加分布增加钢筋量的措施，虽然单靠增加分布钢筋用量不能明显防止裂缝出现，但适当增加分布钢筋用量可以加强结构的整体性和减小温度裂缝的宽度。
4、测温监控措施 为了做好混凝土的测温监测工作，尽一步摸清大体积混凝土水化热的多少，不同深度处温度升降变化规律，必须有一个良好的测温方案。对测温点的布置。测温的延续时间和次数，应能概括混凝土内部温度场的变化情况，应在不同的深度下测温管，表皮100mm～150mm必须测温，否则内部易生裂缝，降低强度。发现问题便于采取对策措施。
5、养护措施 实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
三、结语
半刚性基层温度收缩机理分析 篇5
不管是温度收缩裂缝还是温度疲劳裂缝，都与半刚性基层的自身温度收缩系数有着密切相关。把半刚性基层材料作为系统来研究，各种半刚性基层材料的基本组成和结构都是有固相、液相和气相组成的，只是组成不同。固相部分可以概括地认为是由组成其空间骨架结构的各种原材料矿物颗粒、颗粒之间的胶结物组成的；液相是存在于固相表面与孔隙中的水和水溶液；气相是存在于孔隙中的气体。
1 固相外观胀缩性
固相外观胀缩性是指在干燥状态下的半刚性整体材料的热胀缩性。干燥的半刚性基层材料是由以下四大部分组成：原材料颗粒中的各种结晶体、矿物及集料、经过化学反应过程而在这些颗粒之间所生成的起胶结作用的结晶体[CaCO3、Ca(OH)2·nH2O和各种水化物结晶]、经过化学反应过程而在这些颗粒之间所生成的起胶结作用的凝胶体[C-S-H、C-A-H、C-A-S-H等系列物质]。
就半刚性基层材料的主要矿物组成可分为原材料矿物和新生胶结物两大类。
1.1 石灰石：
CaO为正方形晶体，各向同性，其线胀系数αt=12.9×10-6/℃；而Ca(OH)2和Mg(OH)2结晶为扩展到二维空间的层状结构，层间为范德华力键，故热胀缩性呈各向异性，具有较大的值：沿层向αt=9.8×10-6/℃，垂直于层向αt=33.4×10-6/℃。
1.2 粉煤灰：
矿物组成主要是SiO2(40～60%）和Al2O3(20～35%）。由于玻璃体结构为空心结构，虽说SiO2和Al2O3都具有较大的热胀缩性，但整体材料的热胀缩性较小，一般αt≤8×10-6/℃。
1.3
火山灰及水泥水化反应的生成物中，C-S-H凝胶体是主要成份，它是由微小晶体组成。在微观上无序而宏观上有序的层状体，这种晶体的热胀缩性系数一般在αt=10～20×10-6/℃。
综上所述，就组成矿物颗粒而言，原材料一般具有较小的热胀缩性，其中粉煤灰的热胀缩性最小；而新生胶结物则具有较大热胀缩性。
由于组成固相复合材料的矿物具有不同的热胀缩性，但又是胶结为整体材料，所以其热胀缩性是各组成单元体间相互作用的“综合效应”。由于各颗粒单位的收缩必然引起内应力，所以可作如下假设：
(1)半刚性基层材料作为一整体；
(2)收缩时无裂纹产生；
(3)颗粒的收缩与整体收缩相同；
(4)半刚性基层材料的整体收缩性各向同性；
(5)所有内应力能变为压应力或拉应力。
在上述的假设下，则每个固相单元所受应力为：
式中：Fi———材料单元i体积弹性模量，Fi=Ei/3(1-2μ);
Ei———材料单元i弹性模量；
μ———材料单元i泊桑比；
βr———材料的平均体积热胀缩系数；
βi———材料单元i的体积热胀缩系数；
△t———温度差。
由假设(2)，对整体而言，所有内应力总和应为零，即：
式中：V1、V2、…Vi———是各单元的体积率，即：Vi=Wi/ρi;
Wi———单元的重量；
ρi———单元的密度。
所以有：
根据假设(5)，整体材料为各向同性，所以βr=3αr，于是式（3）可以化为：
式中：αr———半刚性整体材料的热胀缩性系数；
αi——材料单元i的线热胀缩系数;
其它符号意义同上。
由分析可知，影响半刚性固相材料收缩性的主要因素有各组成矿物的单元、结构刚度、各组成单元的热胀缩性。因而，改善半刚性基层材料的组成单元的比例及整体材料的作用影响程度，可以改善整体半刚性基层材料的热胀缩性能。
2 水对热胀缩性的影响
半刚性基层材料内部广泛地分布着孔隙，包括大孔隙、毛细孔和凝胶孔。
(1)毛细孔为颗粒之间未被胶结物所填充的空间部分以及粒料矿物与结合料之间由于干燥收缩、温度收缩不同而留下的微间隙；
(2)大孔隙为颗粒间所留有的比毛细孔大的空间；
(3)胶凝孔是由火山灰反应所生成的水化物（C-S-H、C-A-H）内部和碳化反应、Ca(OH)2结晶反应生成物内部所留微孔隙总称。
毛细孔中的水与大孔隙中的水与普通状态下的水有一定区别，主要是其冰点低于普通状态下的水。冰点降低的原因有以下两个：
首先是半刚性基层材料中的毛细水实质是水溶液，根据物理化学理论，其冰点下降的规律是：
式中：kf———水溶液的冰点下降常数；
t0———水的冰点;
t——溶液的冰点；
m———溶液摩尔浓度。
其次是毛细管内水呈弯液面，使水承受与毛细管半径成反比的外压力△p，压力的变化引起平衡温度的变化，这种冰点下降可用Volmer公式解释：
式中：t———冰点；
σ———冰与水界面的表面张力；
m———冰摩尔质量；
r———毛细孔半径；
Q——冰的摩尔溶解热；
d———冰的密度。
由Volmer公式可知，毛细管直径越小冰点越低。半刚性基层材料中的胶凝孔中的毛细水，其半径为（15～30）×10-10m范围，冰点为-73～-78℃。
水是极性分子，存在于大孔隙、毛细孔及凝胶孔中的水对半刚性基层材料的热胀缩性影响，主要通过三种作用而实现的，即扩张作用、毛细管作用和冰冻作用。
2.1 扩张作用
水本身的胀缩系数比半刚性基层材料骨架的大得多，温度升高时，水膨胀后的扩张压力使基层材料微粒间距离增大。假定其增大范围仍在范德华力和化学键力影响范围内时，温度下降时扩张力消失，使材料颗粒又靠拢，宏观上反映出收缩现象。当温度继续下降时，水的收缩比半刚性基层材料的收缩大，水与固相间的吸附，也同样使半刚性基层材料整体收缩增加。当温度下降到该毛细孔中溶液的冰点以下，水结冰体积增加9%，反而出现膨胀现象。
2.2 毛细管水的表面张力作用
孔隙中毛细管水张力作用从两个方面影响半刚性基层材料的热胀缩性。
(1)温度变化引起的作用
根据Guggenheim关系式：
式中：σ———表面张力；
tc———临界绝对温度，对一定液体为常数；
t———温度。
上式表明，温度下降使毛细管水表面张力增加，从而引起材料收缩性增加。
(2)毛细管中弯液面曲率半径变化引起的作用
由物理化学和胶体理论可知，在毛细管中弯曲液面的内外存在的压力差△p，可由拉普拉斯公式求得：
式中：△p———弯曲液面内外压力差，凸面为负，凹面为正，方向指向液面外；
r1、r2———分别为弯液面主曲率半径；
σ———液面表面张力。
当曲面近似为圆曲面时，r1=r2=r，则：
在每一段弯液面中△p都和毛细管壁发生作用，以拉压的形式作用于管壁上，使半刚性基层材料产生膨胀或收缩。
2.3 冰冻作用
各孔隙中的水在其相应的冰点温度以下冻结时，体积增大9%，从而引起材料膨胀。
3 影响温度收缩的因素
固相半刚性基层材料的热胀缩性和水对半刚性基层材料的热胀缩性影响的分析表明，影响温度收缩的因素主要有以下几个方面：
3.1 含水量的影响
在其他条件相同时，热胀缩性随含水量的变化，在干燥和饱水情况下有较小值，而在非饱水含水量下有较大值，但这种水的影响因材料类型不同而使影响其值的程度不同。
3.2 集料含量的影响
由式（4）可知，热胀缩性系数随集料含量的增加，越来越接近集料的胀缩系数。因此对于集料胀缩系数小的半刚性基层材料增加集料含量起降低收缩系数的作用，而对于集料胀缩系数大的半刚性基层材料增加集料含量起提高收缩系数的作用，称此种作用为“趋近”作用。
3.3 水泥剂量的影响
水泥剂量的增加使半刚性基层整体强度和刚度增加，对各组成材料颗粒的约束和牵制作用力增大，使材料整体温度收缩值变小，称此作用为结构性影响作用过程。
3.4 温度的影响
半刚性基层材料热胀缩性随温度的降低而有所降低，但是由于水的作用，对于干燥、饱水、半饱水状态下，温缩系数随温度的降低，其变化规律有所不同。
4 结语
半刚性基层裂缝主要为温缩裂缝和干缩裂缝两大类。要使半刚性基层的收缩变形量减小，就必须尽可能地使结合料（二灰或水泥浆）存在于集料框架内，而集料是否能较好地形成框架，框架是否稳定，是否具有足够的抵抗二灰或水泥浆收缩变形的能力，则成为减少半刚性基层收缩变形的先决条件。
摘要：半刚性基层材料是由固相(矿物颗粒、颗粒之间的胶结物)、液相(水溶液)和气相(气体)组成的,其温度收缩主要由固相、液相引起的,其中液相的水是通过“扩张作用”、“毛细管张力作用”和“冰冻作用”三个作用过程对半刚性基层材料的热胀缩性产生影响,而且半刚性基层材料温缩性主要受组成材料的矿物成分、含水量、最大干密度、空隙率、龄期、结构强度等的影响。
关键词：半刚性基层,温度收缩,机理,胀缩性,固相,液相
参考文献
[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.北京:人民交通出版社,1998.9.
[2]张登良,郑南翔等.半刚性材料抗裂性能研究之二.西安公路学院科学技术报告,1988.6.
沥青路面裂缝的机理分析 篇6
路面结构的性能会随着车辆荷载的反复作用以及所处环境条件的变化而逐渐恶化, 甚至会丧失其工作能力。由于荷载、环境、材料组成、结构层次组合、施工和养护等条件的变异, 使得路面的损坏形态多种多样、错综复杂。沥青路面建成后, 一般都会产生各种形式的裂缝。在裂缝的产生初期, 由于缝的宽度较小, 所以不会对我们车辆的通行有什么影响, 有的裂缝甚至不明显。但是, 如果对初期产生的裂缝没有足够的重视, 那么当有雨水等渗入到裂缝中就会导致沥青路面内部受到腐蚀, 这种腐蚀就是指沥青路面在存在水分的条件下, 如果受到反复的交通荷载作用, 一方面水分会不断地渗入到沥青路面的内部与底层的集料接触, 另一方面, 由于沥青路面表面的行车荷载导致的水动力作用, 就会使沥青膜渐渐地从底层集料表面剥离, 并导致沥青与集料、集料与集料之间的粘结力丧失, 从而引起路表面的破坏。破坏的沥青路表面再由于行车荷载的反复作用, 就会造成裂缝的明显扩张, 直至路面有块状的或粉状的集料, 这时路面不再平坦就会影响我们的交通。
1 裂缝分类
裂缝种类按其形状可分为以下几类:
纵向裂缝:是与道路中线大致平行的长直裂缝, 有时也会伴有少量的支缝;横向裂缝:与道路中线近于垂直的裂缝, 有时也会伴有少量的支缝;网状裂缝:其裂缝纵横交错, 其缝宽1mm以上, 间距40mm以下;块状裂缝:将路面分割成块状的纵横交错的裂缝等。
2 影响因素
2.1 设计因素的影响
正如凡事的原因都有两个来源, 一个是内在的另一个是外在的。沥青混凝土路面的裂缝产生的原因也一样, 我们把它概括为外部条件的影响和内部因素的决定。所谓内部因素, 主要指沥青路面的结构组成, 其由路面结构设计决定。路面结构设计的主要内容有结构组合和厚度确定。
影响沥青路面的品质最直接的因素就是集料的选取和级配设计。如果在设计的时候没有考虑好这两个因素, 那么就很容易在沥青混凝土摊铺完后造成潜在的空洞。由于粗骨料在重力作用下会表现为向下层移动, 那么在这种不易察觉的影响下, 集料之间粘合性就不好, 导致集料分布的不均匀, 不能达到最初的设计效果。而这种内部存在的空洞在后期的环境因素影响下就会产生空洞的扩大或缩小, 在一定空间内, 某一部分的增大就会伴随着另一部分的缩小, 同样的, 某一部分的缩小那么一般也会有另一部分的空间增大, 这就造成了沥青混凝土路面内部裂缝的游移, 在由于外部行车荷载的作用, 这种裂缝就会逐渐由内部向表面移动, 从而引起路面的断裂。
为了保证路基的稳定, 基层的坚实, 以及面层的耐用, 应选择适宜的面层类型。沥青混凝土适用于高级路面;热拌沥青碎石、沥青灌入式、沥青表处、乳化沥青碎石等适用于次高等级公路;级配碎石、泥结碎石、水结碎石等适用于中级路面……由于交通繁重程度不同, 对路面的影响程度也不同, 因此应该区别对待, 选用最优方案。
2.2 施工过程的影响
施工过程也是很重要的, 沥青在摊铺过程中必然存在内表的温差, 这种温差会导致裂缝的产生, 因此应当避免这种内表的温差过大。一方面是选择合适的摊铺时间, 另一方面还要避免摊铺造成的局部过厚或过薄, 过厚的地方热量积聚就会过多, 而过薄的地方热量相对较少, 这就会导致温度应力。在由于内表存在的温差, 这种应力就会表现得有一定的梯度, 也即受力不均匀, 这同样会导致在我们施工铺筑完后潜在裂缝的产生, 这样的情况应当避免。如果在我们的沥青混凝土路面上已经产生了一定的裂缝, 那么从其结构稳定性来说, 它内部的张力已经得到了释放, 完整的路面分割成了独立的板块, 这是在多重因素下顺理成章形成的, 因此可以推测这种变化已经使我们的路面趋于一种稳定了, 但是沥青路面不能一直处于这种稳定状态。由于各种荷载的作用以及恶劣自然环境的影响, 会使这种平衡被打破, 特别是雨水的渗入, 将进一步加剧这种破坏。
2.3 降水的影响
降水渗入到裂缝中就会有两种情况, 一者是在上表层浸润, 不能浸入下表层的集料部分, 二者就是直接渗入到下表层集料部分。
第一种情况, 当降水仅仅在上表层发生浸润, 那么这时沥青面与集料面的接触部分就有可能浸入少量水, 进而如果在温度的冷热作用下液体发生膨胀, 就会在两表面之间产生力, 当这种力超过了两者粘合的力就会使两者分离, 这只是一种可能的原因。另外, 如果降水渗入到上表层, 且有一部分游移水存在, 那么在外部的行车荷载作用下, 这部分游移的水就会产生运动, 从而造成水动力, 在这种水动力的反复作用挤压和冲刷的作用下, 暴露在空气中的沥青混凝土材料就有可能从表面脱离, 夹杂在裂缝中。还有一种更加糟糕的危害, 那就是在雨水不断地游移和冲刷下, 下表层的集料被水带走, 使我路断面形成一个倒过来的V字形, 继而在行车荷载作用下由于承载强度不够就会坍塌, 从而造成路面的破坏。
2.4 温度的影响
温度的单独作用对道路的破坏并不大, 但是当其与上述因素共同作用时, 会对沥青路面产生极大的危害。设计时若不能考虑到温度对路面的影响, 会造成不可估量的损失, 各种材料均有热涨冷缩的特性, 若设计时不加以考虑, 路面就会隆起或者开裂;施工是应时时控制温度, 有拌合温度, 摊铺温度, 环境温度等, 当这些温度不符合规定时就会使路面产生裂缝;在路面遭遇降水后, 温度更是起到了重要的破坏作用, 温度降低, 路面空隙增大, 降水渗人更深, 从而导致裂缝的加剧。
温度的变化是不可改变的, 但温度的影响却可以加以控制, 合理的设计, 准确的施工, 及时的养护以及适当的使用, 会使温度对路面裂缝的影响程度降到最低, 达到提高道路使用性能及使用年限的目的
3 结束语
桥梁结构裂缝机理分析及防治对策 篇7
桥梁结构在施工和营运使用过程中,常常会出现各种不同形式的裂缝。由砖、石、混凝土构筑而成的桥梁结构物,由于砖石砌体及混凝土材料的抗拉能力弱,稍微受拉就有可能产生裂缝。当混凝土的裂缝宽度发展到一定程度时,构件内的钢筋就会因混凝土开裂而锈蚀;对于砖石砌体结构,其抗拉强度小,结构脆性较大,裂缝荷载比较接近或几乎等于破坏荷载,当砖石砌体出现由于荷载引起的裂缝时,往往是砌体破坏的特征或前兆,应作及时分析和处理。因此,由砖石砌体及混凝土构成的桥梁结构裂缝,如果得不到及时处理,将会危及桥梁安全并最终导致桥梁损毁,给人们生命财产安全带来损失。研究桥梁结构裂缝的机理,并据此采取相应的防护措施,保障桥梁安全营运具有重要意义[1]。
2 桥梁结构裂缝机理分析
砖石砌体产生裂缝是常见的一种缺陷。裂缝的产生将对结构的耐久性、美观、强度和刚度等方面产生不同程度的影响。砖石砌体裂缝根据其产生的原因可分为三种[2]:(1)沉降裂缝。它一般是由地基基础沉降和砌体灰缝沉降引起的,基础沉降产生的砌体裂缝有斜面裂缝、垂直裂缝和水平裂缝三种。(2)温度裂缝。砖石砌体不均匀受热,温差较大时亦易引起裂缝,尤其是当结构的温度变形受到约束时,温度应力可导致砌体的开裂。(3)砌体的强度不足及荷载引起的裂缝。它通常包括受竖向荷载而产生的竖向裂缝、受水平拉力而产生的裂缝、受弯时产生的裂缝、受偏心压力时产生的裂缝、水平受剪时产生的水平裂缝、竖向受剪时产生的竖向错开裂缝。
混凝土构件出现的裂缝的形式很多,根据裂缝产生的原因,一般可分为两大类,由自身应力形成的裂缝和荷载作用下产生的裂缝。
由混凝土自身应力形成的裂缝主要包括:(1)收缩裂缝——混凝土凝固时,一些水分与水泥颗粒结合,使体积减小,另一些水分蒸发,也使体积减小,混凝土的干燥过程是由表面逐步扩展到内部,在混凝土内呈现含水梯度。因此产生表面收缩大,内部收缩小的不均匀收缩,致使表面混凝土承受拉力,内部混凝土承受压力。当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。(2)温度裂缝——混凝土受水泥水化放热、阳光照射、大气及周围温度、电弧焊接等因素影响而出现冷热变化时,将发生收缩和膨胀,产生温度应力,温度应力超过混凝土强度时,即产生裂缝。通常,大体积混凝土,灌注之后由于水化放热,内部温度很高,如无妥善散热措施,由于内外温差太大,很易形成温度裂缝。蒸气养护及冬季施工时如措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均,也易发生温度裂缝。当构件较长且两端固定时,由于周围温度变化将产生附加的温度应力,该附加应力和原有内力的合力超过混凝土强度时就会产生破坏裂缝。在新旧混凝土接头处、沿接缝面的垂直方向也易产生裂缝,这也是由于水泥水化热引起的温度裂缝。预制构件安装时,预埋铁件焊接措施不当,使铁件附近混凝土产生的裂缝也是一种温度裂缝。
由荷载作用下产生的裂缝包括:(1)弯曲裂缝——对受弯构件和压弯构件,弯曲裂缝首先出现在弯矩最大的截面的混凝土受拉区。梁板结构的正弯矩裂缝一般位于跨中,从底边开始向上发展,负弯矩裂缝位于连续或悬臂梁板的支座附近,自上向下发展。随着荷载的增大,裂缝宽度增大,长度延伸,缝数增多,裂缝区域逐渐向两侧发展。(2)剪切裂缝——首先发生在剪应力最大的部位,对受弯构件和压弯构件,往往发生在支座附近,由下部开始,沿着与轴线成25°~50°的角度裂开。随着荷载的增大,裂缝长度将不断增大并向受压区发展,裂缝缝数不断增多并分岔,裂缝区也逐渐向跨中方向扩大。(3)断开裂缝——受拉构件在荷载作用下产生的裂缝均沿正截面开展,裂缝的间距有一定的规律性。受拉构件在内力较小时,混凝土和钢筋均匀承受拉力,拉应力值较小不超过混凝土抗拉极度限,随着内力增大,钢筋应力达到流动极限,钢筋伸长率较大,裂缝很宽超过设计规范允许宽度的许多倍,这时多为使用所不允许的状态。(4)扭曲裂缝——该裂缝一般45°倾斜方向。钢筋混凝土构件在扭曲作用下,产生的裂缝一般有许多条,裂缝出现后混凝土保护层剥落,扭曲产生的扭矩改由钢筋承担,直至钢筋滑动时构件完全破坏。(5)局部应力引起的裂缝——其主要表现在:墩台支座处受到大局部压力、构件突然受到冲击荷载、构件角隅处、预应力梁端锚固端受到较大局部应力而引起裂缝。
3 桥梁结构裂缝的维修处治对策[3]
桥梁结构出现裂缝之后,应加强检查与观测。根据裂缝的特征,结合设计、施工资料进行分析,查明裂缝性质、原因及其危害程度,确定是否需要修补并为修补方案的制订提供可靠的依据。砖石砌体、混凝土及钢筋混凝土结构物裂缝的修理,主要的目的是恢复结构的整体性、保持结构的强度、刚度、耐久性、抗渗性及外形的美观。笔者结合近几年来国内外的有关桥梁维修加固工作实例,总结出几种对桥梁结构裂缝的维修处治措施。
3.1 表面封闭修补法
包括填缝、表面抹灰、凿槽嵌补、表面喷浆等几种。(1)填缝是砖石砌体裂缝修理中最简便的一种方法。操作时,将缝隙清理干净,根据裂缝宽度不同分别用勾缝刀、抹子、刮刀等工具进行操作,所用灰浆通常采用1:2.5或1:3水泥砂浆,一般不得低于砌筑灰浆的强度。填缝处理后可在美观、耐久性等方面起到一定的作用,而对砌体的整体性、强度等方面所起的作用甚微。(2)表面抹灰是指用水泥浆、水泥砂浆、环氧基液及环氧砂浆等材料涂抹在裂缝部位的砖石砌体或混凝土表面上的一种修补方法。采用水泥砂浆涂抹可先将裂缝附近的混凝土表面凿毛,并尽可能使糙面平整,经洗刷干净后,洒水使之保持湿润,涂抹时注意厚度,太厚容易使砂浆在自重作用下剥落,太薄则易在收缩时开裂,其总厚度一般应为1.0cm~2.0cm。温度高时,涂抹3.0h~4.0h后即需洒水养护,并防止阳光直接照射,冬季应注意保温,切不可受冻。(3)凿槽嵌补是沿混凝土裂缝凿一条深槽,然后在槽内嵌补各种粘结材料。修补时先沿裂缝凿槽,槽形根据裂缝位置和填补材料而定。槽的两边混凝土面必须修理平整,槽内要清洗干净,必要时可在填料前用丙酮擦一遍。用水泥砂浆填补,事先要保持槽内湿润;用沥青或环氧材料填补时,要保持槽内干燥,否则应先采取其他措施,使槽内干燥后再进行填补。(4)表面喷浆修补是在经凿毛处理的裂缝表面,喷射一层密实而且强度高的水泥砂浆保护层来封闭裂缝的一种修补方法。根据裂缝的部位、性质和修理要求与条件,可分别采用无筋素喷浆、挂网喷浆,或挂网喷浆结合凿槽嵌补等修补方法。
3.2 压力灌浆修补法
指施加一定的压力,将某种浆液灌入结构物内部裂缝中去,以达到封闭裂缝,恢复并提高结构强度、耐久性和抗渗性能的一种修补方法。此法一般用于裂缝多且深入结构内部或结构有空隙的修补场合,它包括水泥灌浆、化学灌浆。(1)水泥灌浆的工艺流程包括六个部分:裂缝检查及处理→钻孔及清孔→止浆或堵漏处理→压水试验→灌浆→封孔及质量检查。在每一道工序操作中,都应严格遵守相应的施工规范,否则起不到良好的效果。(2)采用化学材料灌浆,修补结构裂缝,可以大大改善灌浆材料的可灌性能,施工机械简单,操作简便,其应用日趋广泛,用于修补混凝土裂缝的化学灌浆材料,常用的主要有环氧树脂灌浆材料和丙烯酸酯类灌浆材料两种。采用化学材料灌浆时要注意采取防护措施,包括有效通风、密封、皮肤保护、环境保护、防火防爆等。
3.3 表面粘贴修补法
指用胶黏剂把玻璃布或钢板等材料粘贴在裂缝部位的混凝土面上,达到封闭裂缝的目的的一种修补方法。常用的有玻璃布粘贴和钢板粘贴两种方法。
4 结语
桥梁结构裂缝的成因有多种多样,处理的方法也各有不同,上述诸方法都是在日常工作中经过长期探索得到的,经过了实践的检验,是行之有效的。当然,有关桥梁结构裂缝的成因及防治对策是很复杂的,都有待进一步研究。只有搞清楚了裂缝的机理,才能对症下药,找到合理的处治措施,充分利用国家有限的建设资金发挥最大的经济效益。
摘要：对桥梁结构裂缝的形成机理作了深入分析,指出了砖石砌体结构和钢筋混凝土结构裂缝形成的根本原因,提出了相应的防治对策,并对各种防治措施的施工过程作了简明扼要的介绍,为桥梁维修加固工作提供了指导依据。
关键词：结构裂缝,表面封闭修补,压力灌浆修补,表面粘贴修补
参考文献
[1]杨文渊.桥梁维修与加固[M].北京:人民交通出版社,1994.
[2]邵容光.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1995.
混凝土构件荷载裂缝机理分析 篇8
关键词：混凝土,裂缝,裂缝机理,裂缝宽度
1 概述
混凝土具有自身易加工、原料容易采备、力学性能不错、与钢筋有很好的粘结和功能互补等诸多优点外, 作为一种最主要的建筑材料, 已广泛地应用于各工程领域, 如建筑工程、桥梁和交通工程、水利工程、地下工程和特殊结构等。混凝土结构在建设和使用过程中通常会出现不同程度、不同形式的裂缝。当混凝土构件的裂缝发展到一定程度, 通常会使内部钢筋产生腐蚀, 降低钢筋混凝土构件的承载能力、耐久性以及抗渗能力, 严重时将会威胁建筑结构的安全。
2 裂缝成因及分类
2.1 荷载作用下产生的裂缝
这种裂缝是结构在荷载作用下变形过大而产生的裂缝。一般有两种情况:一是在混凝土结构未达到设计要求的强度时受外部物体作用造成的变形缝;二是混凝土已经达到了设计强度, 但在混凝土墙壁或薄壁结构物上撞击或超荷载堆放而造成的裂缝。一般多出现在构件的受拉区域、受剪区域或振动严重等部位, 通常受力裂缝的方向大致是与主拉应力方向正交。产生的主要原因是结构设计、施工错误、承载能力不足、地基不均匀沉降等。
2.2 非荷载作用下产生的裂缝
在钢筋混凝土结构工程中大量出现的裂缝, 并非与荷载作用有直接关系, 而是由于变形作用引起的。包括温度变形、收缩变形及地基不均匀沉降变形等引起的裂缝。
2.2.1 温度裂缝
温度裂缝由大气温度变化、周围高温环境的影响和大体积混凝土施工时产生的水化热等因素造成。
2.2.2 干缩裂缝
这种裂缝主要有材料的缺陷引起的, 一般出现在混凝土较薄的结构。如现浇楼板混凝土、道路混凝土、地坪等混凝土。这种裂缝产生的原因是混凝土拌合物在浇捣完毕后, 内部的水份一部分泌出流失, 一部分被水泥水化所用, 一部分被蒸发, 尤其是在干热、风较大的季节以及在空中的薄壁结构板, 混凝土拌合物更容易出现失水干缩而发生裂缝。
2.2.3 地基不均匀沉降引起的裂缝
构件由于结构和构件下面的地基未经夯实和必要的加固处理, 或地基受到破坏, 使混凝土浇筑后, 地基产生不均匀沉降。另外, 由于模板刚度不足、支撑间距大、支撑松动、过早拆模或拆模时混凝土受到较大的外力撞击等, 均可导致产生不均匀沉降裂缝。这种裂缝多属贯穿性的, 其走向与沉陷情况有关, 一般与地面成45°或90°方向发展, 裂缝的宽度与荷载的大小有关, 而且与不均匀沉降值成正比。
2.2.4 钢筋腐蚀引起的裂缝
由于有害离子Cl-, SO24-, Mg2+等侵入混凝土内部, 使钢筋锈蚀膨胀, 导致混凝土构件本身酥松、开裂、剥落、强度降低等而出现后期膨胀裂缝。
3 裂缝机理的分析理论
钢筋混凝土构件出现受拉裂缝 (N>Ncr, M>Mc r) 后, 裂缝的数量逐渐增多, 间距减小, 宽度增大。由于影响混凝土裂缝发展的因素很多, 以及混凝土的非均匀性和材性的离散度较大, 裂缝的开展和延伸有一定的随机性, 使构件表面的裂缝状况变异性大, 对其准确地认识和分析的难度也大, 出现了多种不同的观点和相应的计算方法。
3.1 粘结滑移理论
由D.Watstein等人在20世纪40~60年代建立和发展起来的裂缝计算理论, 一直被认为是“经典的裂缝理论”。这个理论认为裂缝控制主要取决于钢筋和混凝土之间的粘结性能, 当裂缝出现后, 钢筋和混凝土之间的粘结发生局部破坏, 这时, 在裂缝处钢筋与混凝土之间的变形不再协调, 出现相对滑移。而在一个裂缝区间 (裂缝间距lcr) 内, 钢筋伸长和混凝土伸长之差就是裂缝开展宽度δf, 因此, lcr越大, δf也越大, 而lcr又取决于钢筋与混凝土之间粘结应力的分布和大小。根据这一理论, 影响裂缝间距lcr的主要因素是钢筋直径d与配筋率μ的比值, 而影响裂缝宽度的主要因素是裂缝间距lcr和钢筋的平均应变, 同时, 这一理论还意味着混凝土表面裂缝宽度与钢筋表面处的裂缝宽度是一样的。
3.2 无滑移理论
1966年英国水泥混凝土学会G.D.Bas e、J.B.Re ad等人提出无滑移理论。在通常允许的裂缝宽度范围内, 钢筋与混凝土之间的粘结力并不破坏, 相对滑移很小可以忽略不计, 钢筋表面处的裂缝宽度要比构件表面的裂缝宽度小得多。表面裂缝宽度是由钢筋至构件表面的应变梯度控制的, 钢筋的混凝土保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素。
3.3 综合理论
即为粘结滑移理论与无滑移理论的综合。1971年日本的Y.Goto在轴心拉杆的钢筋周围预埋导管并用墨汁注入, 试验后剖开试件发现在主裂缝附近变形钢筋的周围形成内部微裂缝, 主裂缝附近区段粘结力遭到破坏, 同时证明裂缝宽度在构件外表面处最大, 钢筋表面处最小。这为综合理论的研究提供了试验观察现象。综合理论既考虑了保护层厚度对裂缝宽度δf的影响, 也考虑了钢筋和混凝土之间可能出现的滑移, 这无疑比前两种理论更为合理。
4 裂缝宽度的计算与分析
受拉和受弯的混凝土构件, 在使用荷载作用下的裂缝宽度, 各国参照已有的试验研究结果和分析提出了多种计算方法。我国在不同专业领域 (如建筑, 公路, 水工等) 针对由荷载原因引起的钢筋混凝土结构构件的受力裂缝均有相应的计算方法规定, 计算公式各异但各规定的计算公式原理上基本是一致的, 都是采用的半理论半经验公式。卢召红等对高强钢筋混凝土梁在静载作用下的裂缝开展、挠度和平均裂缝间距进行了数值分析, 采用ANSYS软件建立了有限元模型, 利用逐渐增大荷载的方法对模型施加静载, 分析其裂缝性能。与普通钢筋混凝土试件模拟结果对比表明:相同配筋率下, 高强钢筋混凝土梁抗裂性能明显优于普通钢筋混凝土梁;相同荷载下两者的变形较小, 但随着荷载的加大高强钢筋混凝土梁的挠度增大幅度明显小于普通钢筋混凝土梁的增大幅度;其裂缝平均宽度与规范给出的计算方法所得的结果吻合良好。高强钢筋混凝土梁在静载作用下, 裂缝通常首先在跨中或集中荷载作用点的附近出现。
5 结语
钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的, 但其有害程度是可以控制的。现浇混凝土梁板结构裂缝预控的主要方法与措施是通过设计、施工、材料等方面综合技术措施将裂缝控制在无害范围内。对已出现的结构裂缝则应根据裂缝的大小、性质、现场环境和用途, 运用综合经验方法进行有效处理, 使裂缝对于结构的功能影响降至最低。
参考文献
[1]过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京:清华大学出版社, 1999.
浅析混凝土的施工温度与裂缝 篇9
混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂缝较为普遍，在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施，小心谨慎，但裂缝仍然时有出现。究其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。
在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝，因此本文仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一探讨。
1.裂缝的原因
混凝土中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，以及结构不合理，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，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。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，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变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（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上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它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。
2.温度应力的分析
根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：
（1）早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。
（2）中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。
（3）晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。
3.温度的控制和防止裂缝的措施
为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
控制温度的措施如下：
（1）采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，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）拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度。
（3）热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热。
（4）在混凝土中埋设水管，通入冷水降温。
（5）规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。
（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。
4.混凝土的早期养护
实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：
（1）防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。
（2）防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
（3）防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
5.结论
温度裂缝机理 篇10
塑封电子元器件诞生于20世纪60年代底, 凭借其成本低、重量轻以及可大量生产的优势, 得到了工业界的高度认可与推广应用。近年来, 通过相关领域的共同努力, 塑封器件在封装材料、生产工艺, 以及芯片钝化等方面越来越成熟, 但是诸如腐蚀失效、爆米花失效等问题依然影响着器件的可靠性。因此, 必须要加强对塑封电子元器件的研究, 尤其要重点探究其温度失效机理, 进而提高塑封电子元器件的可靠性与实用性。
1 塑封电子元器件的温度失效机理概述
塑封电子元器件的温度失效机理主要包括以下三个方面内容:
1) 塑封电子元器件中存有的分层问题, 尽管会在环境应力的作用下进一步发生扩展, 但是扩展是有限度的。塑封电子元器件的这个特征能够有效应用于塑封电子元件器的筛选, 进而促进产品可靠性的提高[1]。
2) 塑封电子元器件中的键合线断裂问题需要工作人员格外注意。热膨胀系数的不匹配会使得分层界面产生应力, 假如键合线从分层界面穿过, 在受到温度应力的影响时, 键合线势必会出现疲劳断裂的情况, 最终使得电子元器件出现功能异常或性能异常。
3) 在使用硅橡胶灌封电子元器件时, 灌封材料内部会由于收缩产生一定的内应力, 在低温时, 在光滑的界面处会产生分层现象, 导致温度失效。所以, 在应用这种类型的电子元器件时, 需要高度注意温度极限的使用, 避免分层现象。与此同时, 对于那些自行生产的大量的灌封组件, 要能够在一些连续的界面处设置分隔结构, 诸如加强框等, 以此来有效阻止器件缺陷的进一步扩展, 同时提高电子产品的安全性与实用性。
2 塑封电子元器件的失效机理
2.1 冲温与低温失效
由于受到外界温度变化的冲击, 或者低温环境下受到塑封料与芯片间应力, 模制化合物和基片之间, 以及与引线框架之间出现的分裂与分层现象, 就是所谓的冲温或低温失效。塑封料和芯片的膨胀系数相差非常大, 温度的变化势必导致塑封料和芯片之间发生移动, 进而导致芯片的机械应力产生, 并且会随着温度的降低而增大, 进而导致芯片表面出现划痕或刺破现象。美国的相关研究表明, 热应力的引起主要是塑封料、芯片、焊接剂, 以及引线框架等材料的线膨胀系数发生不匹配情况导致, 进而出现元器件分层集中应力的现象[2]。因此, 工作人员要选择合适的与热膨胀系数相匹配的材料, 同时要尽量避免应力集中出现, 进而避免元件器分层失效的现象。实践证明, 有限元分析能够有效完成塑封电子元器件温度失效机理的探究。
2.2 潮气入侵
在众多导致塑封电子元器件失效的因素中, 潮气入侵是最直接的。潮气入侵会导致诸如腐蚀失效、爆米花失效等问题。潮气能够通过外引线框和塑封料的界面进入电子元器件的管壳, 然后沿着塑封料和内引线的界面进入芯片。再者, 塑封料本身就具有一定的透水性, 潮气也能够直接从其扩散到芯片上。潮气中含有非常多的离子沾污物, 一旦与芯片的键合区或者金属层发生反应, 必然导致电流增大、电路断裂等情况的发生, 从而影响电子元器件的正常工作。针对这种问题, 工作人员可以改进芯片钝化层, 提高芯片的工艺质量, 通过塑封料透水性与吸水性的优化来避免潮气对塑封电子元器件的消极影响[3]。
信息产业部对电流的抗湿性能进行了研究, 实验证明采用透水率较低、内应力较小的塑封料能够对电路表面的吸附水汽向芯片渗漏起到有效阻止, 进而提高电路的抗湿性。与此同时, 塑封材料的吸湿性较强, 如果长时间在相对潮湿的环境里, 必然会吸附一定的潮气, 进而消弱塑封材料与芯片材料的粘接强度。塑封料的内部吸水性只是导致塑封元器件开裂的外部原因, 其内部原因才是根本, 即塑封元器件结构中的芯片粘接剂、塑封料, 以及引线框架共同产生的热应力引起的。因此, 要想表面分层与分裂现象, 工作人员就必须要加强电子元器件的封装改造工作, 通过采取一系列有效措施来避免开裂现象的发生。
2.3 塑封工艺缺陷
塑封电子元器件的失效除了受到外界因素的影响之外, 塑封工艺缺陷也是导致电子元器件功能失效的重要原因, 诸如芯片粘贴工艺缺陷、材料空洞等。同时, 芯片与框架吸附的水汽同样也能够使得元器件出现分层失效的现象, 这样的问题可以通过烘烤芯片与框架来避免。芯片开裂是由于塑封工艺自身的缺陷而导致的处于工作状态下的元器件粘片层应力过大造成的[4]。
为了减少芯片开裂这种工艺缺陷, 工作人员可以选择那些热膨胀系数和芯片相匹配的粘接材料, 或者选择那些芯片焊区与封装材料相匹配的粘接材料, 同时, 工作人员需要对粘接工艺中的潮气浓度进行合理控制, 避免材料吸入过多潮气。此外, 封装缺陷还包括诸如气泡、引线弯曲不当, 以及剖离等。通过以上研究发现, 各种封装失效的情况之间是相互影响的, 随着塑封工艺的进步, 封装工艺的缺陷发生的可能性必然降低, 合理优化参数能够进一步避免封装缺陷问题。
3 结语
随着塑封器件在材料、设计以及生产工艺等方面的改进, 塑封电子器件在电子市场中的地位逐渐提高。但是, 塑封电子元器件的温度失效问题一直受到社会与相关人士的高度关注, 加强对其失效问题的研究, 势在必行。塑料封装正在朝着高密度、高性能的方向发展, 相信在不久的将来, 功能完善的塑封电子元器件会应用于社会的各个领域。
摘要：塑封电子元器件在如今的封装产业中有着其他器件不可替代的优势, 对其性能与功能的研究引起了社会的高度关注。文章首先从三个方面对塑封电子元器件的温度失效问题进行了详细地概述, 然后从冲温与低温失效、潮气入侵、以及塑封工艺缺陷3个方面对塑封电子元器件的失效机理一一阐述清楚, 希望对同行业朋友有所参考价值。
关键词：塑料封装,电子元器件,温度,失效机理
参考文献
[1]路浩天, 卢晓青, 蔡良续, 等.塑封电子元器件温度失效机理研究[J].装备环境工程, 2013 (6) :36-39;43.
[2]李新, 周毅, 孙承松, 等.塑封微电子器件失效机理研究进展[J].半导体技术, 2008, 33 (2) :98-101.
[3]张鹏, 陈亿裕.塑封器件失效机理及其快速评估技术研究[J].半导体技术, 2006, 31 (9) :676-679.