基于試驗的超長混凝土墻體溫度應力計算及開裂原因分析*

葉 林，張同波，李翠翠，許衛曉，張慶浩

(1.青建集團股份公司，山東 青島 266071； 2.青島理工大學，山東 青島 266033)

本文在2個工程的地下室墻體上進行了溫度與應變監測試驗，其中工程1墻體上出現很多條貫穿性裂縫，而工程2經過現場勘察未發現貫穿性裂縫。為了得出工程1地下室外墻開裂原因，以提出避免開裂的技術措施，特依據該工程的試驗數據，并與工程2未開裂墻體的試驗數據作對比，進行了相關研究分析。

1 工程開裂情況統計分析

通過現場勘察、測量、統計，將工程1地下4層至地下2層墻體裂縫分布情況進行整理(見圖1)。由于地下4層裂縫已做處理，無法測量裂縫寬度，僅對地下3層和地下2層墻體的裂縫寬度做了統計，如表1，2所示。圖1中標灰色部位是墻體試驗應變計的安裝位置，可看出大部分應變計未在裂縫上。

圖1 墻體裂縫分布

1)通過現場量測發現，墻體上出現的裂縫高度為2～3m。由表1，2可看出，地下3層墻體裂縫數量要多于地下2層，地下3層裂縫寬度在0.9～0.2mm，地下2層裂縫寬度在0.5～0.13mm，即下部開裂情況要比上部嚴重，這也說明下部墻體受到的約束較大。

表1 地下3層墻體裂縫寬度 mm

表2 地下2層墻體裂縫寬度 mm

2)由表1，2還可看出2塊墻體的豎向裂縫都是中間寬、兩頭窄呈梭形，且墻中部裂縫寬度較大。

3)現場統計的裂縫寬度分布如圖2所示，可發現裂縫寬度分布按長墻開裂的有序性原則。即在開裂前中部的約束應力最大，所以中部裂縫最先出現，且裂縫最寬。墻體第1次開裂后應力重分布，依然是每塊墻體中部的應力最大，所以在每塊墻體中部會發生第2次開裂，且裂縫寬度要小于第1次開裂。最后一次裂縫開裂的寬度最小，當混凝土的抗拉強度大于墻體的約束應力時，開裂便穩定在此狀態。

圖2 墻體裂縫寬度分布和平面位置關系

2 開裂原因對比分析

2.1 溫度與應變數據分析

為了判斷墻體開裂時間，以及開裂前后收縮應力隨溫度的變化，對試驗中觀測的應變和溫度數據，以及工程2未開裂墻體的試驗數據進行對比分析。

理論和試驗監測數據均證明長墻的最大應力，分布在墻長度方向的中部下端位置。溫度與應變、約束應力計算分析時，均選擇工程1和工程2墻體的中部下端試驗測點數據。前期溫度變化與應變數據如表3所示，3個試驗墻體的約束應變與溫差比隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 墻體的約束應變溫差比隨時間變化曲線

由表3和圖3可看出：

表3 墻體前期溫度與應變數據

1)工程1墻體帶模時間長，其水化熱階段為11d，工程2墻體約為5d。工程1地下4層墻體在第1天降溫最大，其余2塊墻體在第2天降溫最大，工程1墻體降溫幅度在9～10℃，工程2墻體在8℃左右，之后3塊墻體降溫變緩，但工程1墻體的降溫速率始終大于工程2墻體。

2)工程1地下4層墻體和工程2墻體第2天的實際應變增量最大，地下3層墻體第1天最大，工程1墻體前2d實際應變增量相差23～35με，工程2墻體前2d的實際應變增量基本相同，約為20με，之后實際應變增量都變得非常小。

3)工程1地下3層墻體的約束應變增量在第1天最大，其余2塊墻體在第2天最大，工程1墻體的最大約束應變增量在124～146με，之后增量出現波動。工程2墻體的最大約束應變增量為110με，小于工程1墻體，之后約束應變增量逐漸變小。

4)工程1墻體的實際應變、約束應變增量與溫差之比，在第3天有明顯突變。地下4層墻體約束應變增量溫差比第3天降低2/3，之后有較大波動；地下3層墻體約束應變增量溫差比第3天降低到之前的1/9，之后穩定在-7με/℃左右。工程2墻體的實際應變增量、約束應變增量與溫差之比較穩定，實際應變溫差增量比大部分在0.1～0.19με/℃，約束應變溫差增量比在11～15με/℃。

由上述分析可看出，不開裂的工程2墻體的應變溫差增量比較穩定，而開裂的工程1墻體的實際應變、約束應變增量與溫差比在第3天均有突變，大幅度減小，之后較穩定，因此可判斷墻體的開裂時間應為第3天。

2.2 約束應力與墻體開裂分析

2.2.1基于應變數據計算的前期約束應力分析

溫度約束應力由式(1)用增量疊加法進行計算。經過計算，工程1地下3層和地下4層墻體中部下端測點7d內修正后的約束應力如表4所示。

表4 地下3層和地下4層墻體3號測點7d內修正后的約束應力

(1)

由表4可看出，地下3層和地下4層墻體的約束應力均在第3天和混凝土的抗拉強度接近?；趹償祿募s束應力的計算結果也說明，墻體在第3天最接近開裂。

2.2.2基于測溫數據計算的前期約束應力分析

根據測溫數據，取約束系數分別為1.0，1.5N/mm3，用如下公式采用增量疊加法計算。將地下3層和地下4層墻體前期的約束應力結果匯總于表5，6中。

表5 地下3層墻體前期約束應力

ΔTiEi(t)Hi(t,τi)

(2)

表6 地下4層墻體前期約束應力

1)計算溫度應力的溫差為測溫差與計算的當量溫差之和，而計算的當量溫差中并未考慮摻加膨脹劑對當量溫差的影響，所以基于測溫數據計算的溫度應力均小于混凝土抗拉強度。為了與第3天墻體開裂的結果相吻合，需增加前3d的溫差，重新進行溫度應力計算。

2)據測溫數據的應力計算結果看，地下3層在第3天時、地下4層在第6天時最接近開裂。綜合前面的分析，可判斷工程1墻體的開裂時間應為第3天。

2.2.3引起開裂的溫差增量分析

為了使基于測溫數據計算的溫度應力結果與第3天開裂的情況相吻合，將前3d每天增加相同的溫差，至墻體開裂的限值，所增加的溫差即為開裂溫差增量。按此方法計算的地下3層、地下4層墻體溫度應力和溫差增量結果分別如表7，8所示?？煽闯?，墻體3d開裂時，地下3層需增加溫差10℃左右，為開裂總溫差的39%；地下4層需增加溫差15℃左右，為開裂總溫差的70%。由于地下3層的試驗數據較穩定，所以選擇地下3層的開裂溫差增量作為進一步分析的依據。

表7 地下3層墻體開裂溫差增量(℃)與約束應力(MPa)計算

表8 地下4層墻體開裂溫差增量(℃)與約束應力(MPa)計算

2.3 混凝土配合比對墻體開裂的影響分析

2.3.1混凝土配合比與水化熱對比分析

工程1墻體每立方材料用量，水泥為310kg，砂1為590kg，砂2為245kg，石子為873kg，水為175kg，粉煤灰為50kg，礦粉為80kg，外加劑1為11.90kg，膨脹劑為27kg，質量配合比為0.70∶1.31∶0.56∶1.98∶0.40∶0.11∶0.18∶0.027∶0.06，水膠比0.40，標準養護，坍落度180mm，砂率48.9%，7d強度29.0MPa，28d強度49.2MPa。工程2墻體每立方材料用量，水泥為280kg，砂1為439kg，砂2為293kg，石子為937kg，水為150kg，粉煤灰為103kg，礦粉為84kg，外加劑1為14.01kg，質量配合比為1.00∶1.57∶1.05∶3.35∶0.54∶0.37∶0.30∶0.05，水膠比0.32，標準養護，坍落度180mm，砂率44%，7d強度33.1MPa。

由以上內容可看出：

1)工程2墻體的混凝土強度等級為C35，工程1墻體的混凝土強度等級為C40。工程2墻體較薄，厚度為350mm，且配合比經過優化，水泥用量較小，粉煤灰用量大；工程1墻體較厚，厚度為600mm，水泥用量較大，粉煤灰摻加較少，且摻加了膨脹劑。

2)工程1墻體每立方混凝土中水泥與礦粉的總量為390kg，工程2墻體水泥與礦粉的總量為364kg，較院士港少26kg。

3)試驗監測工程2墻體水化熱最高溫和溫差分別為41.5，18.25℃，明顯小于工程1(地下3層墻體)的水化熱最高溫和溫差63.5，30.25℃。可見，工程1墻體的混凝土強度等級高，水泥、礦粉用量大，所造成的水化熱溫差大，以及摻加膨脹劑是引起開裂的主要原因。

2.3.2膨脹劑對收縮(當量溫差)的影響分析

2.3.2.1膨脹劑的作用機理分析

膨脹劑的作用機理：硫鋁酸鈣類膨脹劑加入水泥后，自身組成中的無水硫鋁酸鈣水化或參與水泥礦物的水化或與水泥水化產物反應，形成三硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)，鈣礬石的生成使體積增加很大，而引起表觀體積膨脹，反應的化學方程式如下：

6CaO+Al2O3+3SO3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(3)

由式(3)可看到，膨脹劑水化需大量水，所以在混凝土養護不好的情況下，膨脹劑會因為缺水而產生收縮，這會使得混凝土開裂。缺水條件下摻加膨脹劑的混凝土與基準水泥配合比、摻加減縮劑混凝土的干縮對比試驗如圖4所示，可看出摻加膨脹劑的混凝土收縮最大。實際工程中的養護條件達不到膨脹劑需要的濕度條件，所以摻加膨脹劑的工程均出現嚴重開裂現象。

圖4 膨脹劑在缺水狀態下的收縮變化

2.3.2.2摻加膨脹劑的溫差對比

根據應變數據、基于應變和測溫數據計算的約束應力結果看，3d時墻體混凝土開裂可能性最大，但在無膨脹劑情況下，測溫與當量溫差之和并不能引起墻體開裂。因此，可認為摻加膨脹劑造成的收縮增大，是引起墻體開裂的主要原因。由于地下3層3號測點的試驗數據較穩定，下面選擇地下3層3d開裂時分析膨脹劑對溫差的影響，結果如表9所示。由表9可看出，膨脹劑使總溫差由16.62℃增加至27.12℃，溫差增加63%。膨脹劑使當量溫差由0.61℃增加至11.11℃，當量溫差為不摻加膨脹劑的18.21倍?？梢姡蛎泟┛墒够炷燎捌诋a生較大收縮，相當于增加60%以上的溫差。

表9 摻加膨脹劑溫差對比 ℃

3 結語

1)數據分析證明，膨脹劑是引起墻體開裂的主要因素；實際工程的養護條件無法滿足膨脹劑所要求的濕度環境，摻加膨脹劑會導致更嚴重收縮。膨脹劑使混凝土前期產生的收縮增量變大，相當于增加了60%以上溫差。因此，在超長混凝土結構中不得摻加膨脹劑和任何膨脹劑類外加劑。

2)墻體開裂時間為第2天到第3天，前期的溫差過大，混凝土抗拉強度過低，也是引起墻體開裂的原因之一。因此，前期的保溫、保濕養護是極重要的技術措施。

3)該工程水泥與礦粉的用量為390kg，膠凝材料用量過大，產生的水化熱過大是引起開裂的原因之一?？梢?，超長混凝土結構施工時，混凝土配合比設計是減少溫差、控制裂縫的關鍵技術措施。因此，實際工程的混凝土配合比設計應控制水泥用量在260kg之內，增加粉煤灰用量，減少礦粉用量。

4)裂縫形態分布表面，上層墻體的裂縫寬度小于下層墻體的裂縫寬度，證明下層墻體受到的約束較大，上層墻體受到的約束較小。同一塊墻體中部裂縫較寬，且一再從中部開裂。同一條豎向裂縫中間寬、兩頭窄，呈梭形。