冰脹應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土變形開裂分析

王趕，錢偉，尹志偉

（1. 為海集團(tuán)，江蘇 泰州 225500；2. 為海（泰州）建材有限公司，江蘇 泰州 225500；3. 泰州市為海混凝土有限公司，江蘇 泰州 225321）

冰脹應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土變形開裂分析

王趕1，錢偉2，尹志偉3

（1. 為海集團(tuán)，江蘇 泰州 225500；2. 為海（泰州）建材有限公司，江蘇 泰州 225500；3. 泰州市為?；炷劣邢薰?，江蘇 泰州 225321）

本文主要根據(jù)某工程設(shè)備減振柱混凝土突然開裂的現(xiàn)象，從施工工藝、氣溫環(huán)境和裂縫形狀分析出冰脹應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土變形開裂，以供類似條件混凝土施工做好預(yù)防措施，避免發(fā)生工程質(zhì)量問題。

混凝土；冰脹應(yīng)力；開裂；分析

0 引言

引起混凝土變形開裂的因素有很多，按其產(chǎn)生的原因可分為非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形。從受力角度分析，主要來自如下3個方面[1]：（1）直接應(yīng)力的作用；（2）間接應(yīng)力的作用；（3）混凝土早期變形產(chǎn)生的應(yīng)力作用。

抗凍耐久性指數(shù)是混凝土的一項耐久性指標(biāo)，其主要表現(xiàn)混凝土在凍融環(huán)境作用下抵抗凍脹應(yīng)力的能力。截至目前，對混凝土凍害的研究主要集中在混凝土內(nèi)部自由水因受凍體積變化對混凝土產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力造成損害，如早期凍脹應(yīng)力對混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響[2]、受凍條件下混凝土凍脹應(yīng)力的研究[3]等，而對于硬化混凝土內(nèi)一定體積的水結(jié)冰產(chǎn)生的冰脹應(yīng)力造成混凝土破壞的研究和分析較少。

1 工程概況

某廠房 C35設(shè)備減振柱混凝土澆筑于2015年5、6月，至2016年2月時，技術(shù)人員巡查過程中發(fā)現(xiàn)局部柱身出現(xiàn)側(cè)面混凝土開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重的開裂后有混凝土塊掉落在四周。減振柱混凝土內(nèi)預(yù)埋有100mm×150mm×150mm 的金屬盒，金屬盒上部有內(nèi)徑為40mm、長為1000mm 的金屬管連接于混凝土柱頂端，金屬盒邊緣定位偏向于混凝土柱內(nèi)側(cè)，離側(cè)面水平距離為100mm，混凝土柱寬度為400mm。預(yù)埋件及混凝土柱剖面尺寸見圖1。開裂情況見圖2。

2 開裂分析

2.1 特定條件

（1）設(shè)備減振柱內(nèi)都預(yù)埋金屬盒，金屬盒連通于構(gòu)件端面；

（2）至設(shè)備安裝前（發(fā)現(xiàn)開裂）混凝土構(gòu)件暴露于自然環(huán)境中；

（3）2016年1月下旬當(dāng)?shù)卦庥鰪?qiáng)寒流天氣。

圖1 剖面尺寸圖

圖2 開裂

2.2 直觀分析

（1）經(jīng)現(xiàn)場察看，沒有金屬盒預(yù)埋件的柱都未出現(xiàn)開裂，出現(xiàn)開裂的柱內(nèi)都有金屬預(yù)埋件，可以推定預(yù)埋金屬盒與開裂有一定關(guān)系；

（2）開裂嚴(yán)重的露出預(yù)埋金屬盒的混凝土部位可以看到金屬盒嚴(yán)重變形或撕裂（都是向體積增大方向），說明金屬盒受到了較大的向體積增大方向的拉應(yīng)力，且該應(yīng)力超過了金屬盒自身的極限抗拉強(qiáng)度；

（3）發(fā)現(xiàn)開裂是在強(qiáng)寒流天氣之后，此時混凝土同條件養(yǎng)護(hù)齡期遠(yuǎn)超過累計600℃·天，并且開裂混凝土柱側(cè)面經(jīng)回彈強(qiáng)度推定值超過35MPa，說明該開裂現(xiàn)象與寒流天氣有關(guān)，結(jié)合“間接應(yīng)用作用”的現(xiàn)象，可以推斷開裂是由水結(jié)冰體積膨脹所致。

2.3 金屬盒變形破壞分析

根據(jù)2.1條的特定環(huán)境分析，在無遮擋情況下，一定量的雨水經(jīng)金屬管件后匯集于預(yù)埋金屬盒內(nèi)。

2.3.1 水變成冰的線膨脹率

0℃ 水質(zhì)量： G1=999.87kg/m3

0℃ 水變成0℃ 冰質(zhì)量：G2=916.8kg/m3

1m3水變成冰的體積：V2=999.87/916.8=1.0906(m3)

線膨脹為1.09061/3=1.0293，線膨脹率為：

2.3.2 Q235鋼材彈性模量

E =2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度 fγ=235MPa

在彈性范圍內(nèi) E =σ/ε ；在臨界屈服荷載作用下 σ= fγ=235MPa

在臨界屈服荷載作用下，鋼材的應(yīng)變遠(yuǎn)小于水變成冰的線膨脹率。

2.3.3 冰脹應(yīng)力

依據(jù)2.3.2條計算結(jié)果，水變成冰的線膨脹率是鋼材應(yīng)變的25.8倍，在彈性范圍內(nèi)，金屬盒內(nèi)水結(jié)冰，對金屬盒壁產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：

遠(yuǎn)大于 Q235鋼材的極限抗拉強(qiáng)度（375～500MPa）。

因金屬盒和冰等面積接觸，金屬盒邊框厚度只有2mm，則等面積的水結(jié)冰后的冰脹應(yīng)力遠(yuǎn)大于等面積鋼材的極限承拉力，從而導(dǎo)致金屬盒變形至破裂。

2.4 混凝土開裂破壞分析

2.4.1 C35等級混凝土彈性模量

Ec=3.15×104MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ftk=2.20MPa[2]，在彈性范圍內(nèi) Ec=σc/εc；在臨界屈服荷載作用下 σc=ftk=2.20MPa

在臨界屈服荷載作用下，C35等級混凝土的應(yīng)變遠(yuǎn)小于水變成冰的線膨脹率。

2.4.2 冰脹應(yīng)力

根據(jù)2.3.2計算結(jié)果，金屬盒破壞后，冰脹應(yīng)力直接作用于混凝土，對混凝土產(chǎn)生的壓強(qiáng)為

金屬盒側(cè)面混凝土的冰脹應(yīng)力

則混凝土柱側(cè)面承受的冰脹應(yīng)力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為

遠(yuǎn)大于 C35混凝土的抗拉強(qiáng)度，造成側(cè)面混凝土變形破壞。

若水充滿金屬盒，則水結(jié)冰時對垂直向的混凝土也產(chǎn)生冰脹應(yīng)力。

金屬盒頂面混凝土的冰脹應(yīng)力

則混凝土柱水平面承受的冰脹應(yīng)力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為Nc2=Fc1/A11= (13852.5×1000)/(400×400) =86.58(MPa)，遠(yuǎn)大于 C35混凝土的抗拉強(qiáng)度，造成混凝土水平向斷裂。

3 結(jié)論

（1）由于有預(yù)埋金屬盒的混凝土柱長期暴露于自然環(huán)境中，匯集的雨水遇強(qiáng)冷空氣后結(jié)冰的冰脹應(yīng)力大于金屬材料本身的極限抗拉承載力，導(dǎo)致金屬盒變形破裂。

（2）該條件下金屬盒變形破裂后，冰脹應(yīng)力大于混凝土的抗拉承載力，導(dǎo)致混凝土開裂。

（3）由于冰脹應(yīng)力對混凝土的破壞非常嚴(yán)重，在含有較大空隙預(yù)埋件的混凝土構(gòu)件施工過程中，應(yīng)采取措施阻止水進(jìn)入預(yù)埋件內(nèi)，預(yù)防冰脹應(yīng)力引起的混凝土開裂。

[1] 繆昌文．混凝土的裂縫與控制[J]．中國工程科學(xué)，2013(4)：32-37．

[2] 譚春來．早期凍脹應(yīng)力對混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響[J]．低溫建筑技術(shù)，2008(4)：15-17．

[3] 吳宏陽．受凍條件下混凝土凍脹應(yīng)力的研究[J]．中國水運，2011(3)：218-219．

[4] GB50010—2010．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

［通訊地址］江蘇省泰州市姜堰區(qū)民營經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北工業(yè)園區(qū) 為海（泰州）建材有限公司（225500）

王趕（1981—），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要研究混凝土質(zhì)量控制技術(shù)。