煙囪筒壁內(nèi)部平行于表面的裂縫成因分析

廖杰洪

武大巨成結(jié)構(gòu)股份有限公司 武漢430233

1 項目概況

檢測鑒定中發(fā)現(xiàn)極少量混凝土煙囪采用取芯法檢測混凝土質(zhì)量和強度時，存在混凝土分層現(xiàn)象，即筒壁存在平行于表面的裂縫。煙囪在使用過程中表面的橫向、豎向、不規(guī)則裂紋常見，對此也有不少研究成果，但內(nèi)部出現(xiàn)平行于表面的情況研究成果少見。近年典型此類情況工程概況如表1 所示，裂紋圖片如圖1 所示。1#和2#皆為單筒式煙囪，位于北方，冬季溫度低于冰點，在現(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)均有冬期施工現(xiàn)象。除筒壁內(nèi)部混凝土分層外，上述兩處工程筒壁均有局部空鼓、混凝土脫落、露筋、鋼筋銹蝕、腐蝕滲漏等情況。

表1 項目概況Tab.1 Project summary

圖1 煙囪筒壁芯樣內(nèi)部裂紋Fig.1 Chimney shell core sample

本文分建成階段和建造階段（早齡期）兩個時間段來分析裂縫產(chǎn)生的原因。

2 建成階段的分析

2.1 凍融破壞

凍融破壞是混凝土內(nèi)部空隙中的水隨溫度變化凍結(jié)和融化，數(shù)次凍結(jié)-融化循環(huán)后，混凝土內(nèi)部開始萌生裂紋并逐漸擴展而破壞［1，2］。因此其裂縫主要是由表及里的裂縫，平行于表面的裂縫并非由凍融破壞而形成。

2.2 荷載/溫度作用

在外力如風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)可能在受拉區(qū)破壞，這種狀態(tài)下主要是在受拉一側(cè)的外表面出現(xiàn)裂紋，此類裂縫應(yīng)該出現(xiàn)在筒壁外側(cè)。

一般情況下煙氣溫度高于常溫，當(dāng)出現(xiàn)外部降溫時，圓環(huán)內(nèi)部溫度高，外部溫度低時，內(nèi)部膨脹，此類問題導(dǎo)致的裂縫應(yīng)該為筒壁外側(cè)的豎向裂紋。在其他溫度荷載作用下，可以簡化為受到偏心的彎矩，這時裂縫也應(yīng)該出現(xiàn)在筒壁的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)表面。

根據(jù)以上分析，建成階段各工況均不會導(dǎo)致筒壁分層；建造過程中早齡期混凝土的特點與建成相差較大，本文著重分析早齡期情況。

3 早齡期受凍分析

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工程存在冬期施工。這時可能出現(xiàn)外側(cè)混凝土與冷空氣的熱交換快于內(nèi)側(cè)，外側(cè)混凝土可能先達到冰點，這時出現(xiàn)外側(cè)凍結(jié)膨脹，而內(nèi)側(cè)由于降溫收縮。

3.1 混凝土早齡期受凍變形

混凝土在早齡期受凍時，水結(jié)成冰晶，體積增大，當(dāng)其受到約束時產(chǎn)生凍漲應(yīng)力。根據(jù)巴恒靜［3，4］等的研究，在-5℃、-10℃、-15℃的受凍混凝土凍漲壓力達到0.4MPa～0.5MPa，其凍漲壓力主要在5h～12h快速增長，受凍后混凝土后期強度下降約30%。

于海洋［5］研究了新拌混凝土在-10℃、-20℃、-30℃負溫養(yǎng)護7d 后轉(zhuǎn)入+20℃養(yǎng)護的變形，混凝土的變形主要經(jīng)過六個階段：負溫收縮，負溫凍脹，負溫變形穩(wěn)定，正溫收縮，正溫膨脹，正溫變形穩(wěn)定，如圖2 所示，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。于海洋研究發(fā)現(xiàn)正溫養(yǎng)護一段時間后收縮和凍漲變形明顯減小。

圖2 負溫對早期混凝土變形的影響［5］Fig.2 Influence of negative temperature

表2 負溫變形曲線特征值［5］Tab.2 Eigenvalues of deformation curves

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

將煙囪筒壁簡化分為兩部分，外側(cè)為凍漲，混凝土壓應(yīng)力σ2，內(nèi)側(cè)混凝土冷縮，拉應(yīng)力σ1，簡化為均勻應(yīng)力，受力如圖3 所示。

圖3 筒壁受力示意Fig.3 Schematic diagram of chimney shell stress

根據(jù)力的平衡條件，分界面拉應(yīng)力σr與壓應(yīng)力σ2關(guān)系為：

式中：θ為σr與水平方向的夾角；r2為筒壁外半徑；r0為凍漲和冷縮分界面的半徑；r1為筒壁內(nèi)半徑。

假定彈性模量E一致，平均應(yīng)變ε與自由凍漲ε2、自由冷縮ε1關(guān)系為：

σ2、σr根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求得：

3.3 開裂分析

早齡期混凝土在受力或者變形時，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時混凝土開裂?？梢杂脩?yīng)力σr與混凝土的抗拉強度ft之比η 來判斷是否開裂。

當(dāng)η ＜0.7 時一般不開裂，0.7 ＜η ＜1.0，混凝土可能開裂，η ＞1.0 時混凝土開裂［6，7］。

劉加平［6，7］等采用水化程度αc為主要變量的力學(xué)性能發(fā)展模型來計算混凝土的早期彈性模量E（αc）和抗拉強度f（αc），并通過試驗獲得相關(guān)參數(shù)，據(jù)此可以求得E/ft的數(shù)值。

ε2、ε1與水化程度有關(guān)聯(lián)，但目前沒有相關(guān)成果可供參考，取E/ft=40 ×104進行試算。在于海洋［5］的研究中，混凝土經(jīng)過12h的養(yǎng)護（20℃）再進入負溫條件，其負溫收縮比立即進入負溫條件的收縮降低約90%，此時ε1=（150～200）×10-6；負溫凍漲降低約80%，此時ε2=（500～1000）×10-6，可見正常養(yǎng)護一段時候后受凍冷縮和凍漲都快速降低。取ε2=（4000～1000）×10-6、ε1=2000 ×10-6和ε1=150 ×10-6進行試算，結(jié)果如表4 所示?？梢娫诙谑┕r周邊環(huán)境低于0℃，如果缺乏有效保溫措施，當(dāng)筒壁外側(cè)降溫比內(nèi)側(cè)快導(dǎo)致外側(cè)凍漲而內(nèi)側(cè)冷縮時，煙囪筒壁可能出現(xiàn)內(nèi)部分層開裂。

表3 早齡期混凝土參數(shù)Tab.3 Parameters of early age concrete

表4 混凝土開裂工況試算Tab.4 Trial calculation for concrete cracking condition

3.4 開裂條件分析

根據(jù)上述分析，出現(xiàn)平行于筒壁表面裂縫的條件是早齡期混凝土受凍導(dǎo)致。凍漲導(dǎo)致混凝土服役期間吸水率、吸水孔隙率增加［8］，進而導(dǎo)致其在凍融環(huán)境下更容易發(fā)生破壞，本文1#、2#煙囪伴隨一定程度的凍融破壞，也進一步佐證其在早齡期發(fā)生凍漲。

《煙囪工程技術(shù)標準》（GB/T 50051—2021）冬期施工要求持續(xù)加熱養(yǎng)護后的強度，1/2 高度以下部分應(yīng)達到設(shè)計強度70%以上，1/2 高度以上部分應(yīng)達到設(shè)計強度50%以上。達到設(shè)計強度50%以上時，養(yǎng)護一般超過3d，此時進入負溫條件后冷縮和凍漲變形較小，出現(xiàn)筒壁內(nèi)部分層的可能性低，即按照規(guī)范要求施工一般不會發(fā)生由受凍導(dǎo)致的筒壁內(nèi)部分層。

4 結(jié)論

1.冬期施工煙囪在早齡期未正確進行加熱養(yǎng)護導(dǎo)致受凍，可能形成筒壁內(nèi)部平行于表面的裂縫（混凝土分層）。

2.煙囪按當(dāng)前照規(guī)范要求進行冬期施工，一般不會發(fā)生筒壁混凝土分層。