冰脹應力導致的混凝土變形開裂分析

王趕，錢偉，尹志偉

（1. 為海集團，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）

冰脹應力導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，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）

本文主要根據某工程設備減振柱混凝土突然開裂的現象，從施工工藝、氣溫環境和裂縫形狀分析出冰脹應力導致的混凝土變形開裂，以供類似條件混凝土施工做好預防措施，避免發生工程質量問題。

混凝土；冰脹應力；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）直接應力的作用；（2）間接應力的作用；（3）混凝土早期變形產生的應力作用。

抗凍耐久性指數是混凝土的一項耐久性指標，其主要表現混凝土在凍融環境作用下抵抗凍脹應力的能力。截至目前，對混凝土凍害的研究主要集中在混凝土內部自由水因受凍體積變化對混凝土產生的凍脹應力造成損害，如早期凍脹應力對混凝土強度及耐久性的影響[2]、受凍條件下混凝土凍脹應力的研究[3]等，而對于硬化混凝土內一定體積的水結冰產生的冰脹應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設備減振柱混凝土澆筑于2015年5、6月，至2016年2月時，技術人員巡查過程中發現局部柱身出現側面混凝土開裂現象，嚴重的開裂后有混凝土塊掉落在四周。減振柱混凝土內預埋有100mm×150mm×150mm 的金屬盒，金屬盒上部有內徑為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側，離側面水平距離為100mm，混凝土柱寬度為400mm。預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）設備減振柱內都預埋金屬盒，金屬盒連通于構件端面；

（2）至設備安裝前（發現開裂）混凝土構件暴露于自然環境中；

（3）2016年1月下旬當地遭遇強寒流天氣。

圖1 剖面尺寸圖

圖2 開裂

2.2 直觀分析

（1）經現場察看，沒有金屬盒預埋件的柱都未出現開裂，出現開裂的柱內都有金屬預埋件，可以推定預埋金屬盒與開裂有一定關系；

（2）開裂嚴重的露出預埋金屬盒的混凝土部位可以看到金屬盒嚴重變形或撕裂（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力，且該應力超過了金屬盒自身的極限抗拉強度；

（3）發現開裂是在強寒流天氣之后，此時混凝土同條件養護齡期遠超過累計600℃·天，并且開裂混凝土柱側面經回彈強度推定值超過35MPa，說明該開裂現象與寒流天氣有關，結合“間接應用作用”的現象，可以推斷開裂是由水結冰體積膨脹所致。

2.3 金屬盒變形破壞分析

根據2.1條的特定環境分析，在無遮擋情況下，一定量的雨水經金屬管件后匯集于預埋金屬盒內。

2.3.1 水變成冰的線膨脹率

0℃ 水質量： G1=999.87kg/m3

0℃ 水變成0℃ 冰質量：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，屈服強度 fγ=235MPa

在彈性范圍內 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，鋼材的應變遠小于水變成冰的線膨脹率。

2.3.3 冰脹應力

依據2.3.2條計算結果，水變成冰的線膨脹率是鋼材應變的25.8倍，在彈性范圍內，金屬盒內水結冰，對金屬盒壁產生的壓強為：

遠大于 Q235鋼材的極限抗拉強度（375～500MPa）。

因金屬盒和冰等面積接觸，金屬盒邊框厚度只有2mm，則等面積的水結冰后的冰脹應力遠大于等面積鋼材的極限承拉力，從而導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，軸心抗拉強度標準值 ftk=2.20MPa[2]，在彈性范圍內 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等級混凝土的應變遠小于水變成冰的線膨脹率。

2.4.2 冰脹應力

根據2.3.2計算結果，金屬盒破壞后，冰脹應力直接作用于混凝土，對混凝土產生的壓強為

金屬盒側面混凝土的冰脹應力

則混凝土柱側面承受的冰脹應力產生的壓強為

遠大于 C35混凝土的抗拉強度，造成側面混凝土變形破壞。

若水充滿金屬盒，則水結冰時對垂直向的混凝土也產生冰脹應力。

金屬盒頂面混凝土的冰脹應力

則混凝土柱水平面承受的冰脹應力產生的壓強為Nc2=Fc1/A11= (13852.5×1000)/(400×400) =86.58(MPa)，遠大于 C35混凝土的抗拉強度，造成混凝土水平向斷裂。

3 結論

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

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

（3）由于冰脹應力對混凝土的破壞非常嚴重，在含有較大空隙預埋件的混凝土構件施工過程中，應采取措施阻止水進入預埋件內，預防冰脹應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，2013(4)：32-37．

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

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

[4] GB50010—2010．混凝土結構設計規范[S]．

［通訊地址］江蘇省泰州市姜堰區民營經濟開發區北工業園區 為海（泰州）建材有限公司（225500）

王趕（1981—），男，工學學士，工程師，主要研究混凝土質量控制技術。