某高炉出铁场平台梁板裂缝的成因分析及其处理措施

摘要 通过对某高炉出铁场平台梁板裂缝的成因分析与处理，仅就施工技术措施和设计构造措施而言，关于如何控制和处理长期处于高温环境下的现浇钢筋混凝土结构的裂缝，本文提出了几点建议，以供同仁参考。

关键词 出铁场平台；裂缝；高温环境；现浇钢筋混凝土结构

中图分类号 TF54 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0126-02

裂缝是混凝土工程中最常见的一种缺陷。这里所说的裂缝是指肉眼可见的宏观裂缝，而不是微观裂缝，其宽度应在0.05mm以上。工程中混凝土结构的裂缝可以分为：承载受力裂缝、温度-收缩裂缝、强迫位移裂缝、结构构造裂缝、施工裂缝、预应力裂缝、装配裂缝、耐久性裂缝以及偶然作用裂缝等。混凝土结构中的构件除少数是静定构件（如简支板、简支梁、悬臂构件等）以外，绝大多数构件由于浇筑的混凝土在凝固以后已融为一体，多成为具有多余约束的超静定结构。超静定结构由于其连续性强而具有很好的整体稳固性和抗震性能。但由于变形、位移受到制约，往往在微小的外界作用下即会产生约束作用。而当约束拉应力（拉应变）积聚到一定程度以后，就会在抗拉性能很差的混凝土中引起裂缝，这种非荷载因素引起的裂缝通常称为“间接裂缝”。温度裂缝是指在变形受到约束的超静定结构内，由于温度变化而造成的应变差异所形成的裂缝。引起温度变化和差异的原因是热量，混凝土中热量的来源有两个途径，其一是水泥的水化热，其二是外界环境温度的变化。

多数轻微细小的宏观裂缝，对工程结构的承载能力、使用功能和耐久性不会有大的影响，只是有损结构的外观，引起对工程质量的疑虑。当可见的宏观裂缝较宽较深时，会影响结构的抗渗性能，导致水分及有害物质渗入，诱发钢筋锈蚀或加速混凝土的自然老化，从而损害工程结构的承载能力、使用功能和耐久性。所以必须采取各种措施预防或减少产生宏观裂缝，一旦出现宏观裂缝，就须分析其原因，并采取适当修补措施[1]。

高炉出铁场平台属于特种结构，多为现浇钢筋混凝土结构，主要用于支承出铁用铁沟和除渣用渣沟及其附属设施。铁水和熔渣的温度很高，虽然铁沟和渣沟的侧面及底部设置了隔热层等防护措施，但热量还是会传至结构面，使该区域混凝土结构长期处于高温作用下，从而导致温度裂缝的产生。

本文以某高炉出铁场平台梁板产生的裂缝为例，分析裂缝产生的原因，并介绍不同形状裂缝的修补措施以及由于裂缝而可能导致破坏的平台梁的加固处理措施等。

为便于描述裂缝，本文对裂缝宽度特作以下约定：细小裂缝，裂缝宽度为0.2mm以下；中等裂缝，裂缝宽度为0.2～0.4mm；较粗裂缝，裂缝宽度为0.4mm以上。

1 某高炉出铁场平台梁板裂缝的形状

某高炉出铁场平台结构设计时，铁沟和渣沟两侧挡砂墙及该区域平台板采用C30级耐热混凝土，耐热度为300°C，其余均采用C30级普通混凝土。该高炉于2007年施工完成后投入生产，2012年由于各方面原因进行中修改造。高炉停止生产后，检修时发现铁沟和渣沟区域的出铁场平台梁板出现了很多不同形状的裂缝。

1.1 板裂缝

铁沟和渣沟区域的出铁场平台板底出现了大量呈龟裂形状的细小裂缝，凿开裂缝后发现裂缝深度较浅，未至钢筋面，为表面裂缝。如图1所示。

图1 板裂缝

1.2 梁裂缝主要分为以下三类

1）Ⅰ类梁裂缝：梁侧有几条细小横向裂缝（垂直裂缝），沿梁跨方向分布较均匀，凿开裂缝后发现裂缝深度较浅，未至钢筋面，为表面裂缝。如图2所示。此类梁数量最多，分布较广。

图2 Ⅰ类梁裂缝

2）Ⅱ类梁裂缝：梁侧有几条细小或中等横向裂缝，沿梁跨方向分布较均匀，凿开裂缝后发现裂缝深度较浅，未至钢筋面，为表面裂缝；同时该梁侧面在靠近高炉侧距梁端约1/3跨度处有一条较粗横向裂缝，梁侧和梁底均有，凿开裂缝后发现裂缝向梁内延伸较深，已见钢筋，且裂缝宽度没有逐渐减小的趋势，为三面贯穿裂缝。如图3所示。此类梁数量较少，分布在出铁口附近贮铁主沟处。

图3 Ⅱ类梁裂缝

3）Ⅲ类梁裂缝：梁侧有几条细小或中等横向裂缝，凿开裂缝后发现裂缝深度较浅，未至钢筋面，为表面裂缝；同时该梁两端各有一条斜向裂缝：在靠近高炉侧梁侧有一条约50°的斜向裂缝，该裂缝向上至平台板底，向下至梁底以上约200～300mm处；在远离高炉侧梁侧有一条约60°的斜向裂缝，该裂缝自次梁底开始，向下几乎延伸至梁底。此两条斜向裂缝中间宽而两端窄，最大裂缝宽度约有1mm。如图4所示。此类梁数量最少，仅有一根，分布在撇渣器附近贮铁主沟处。该梁由于工艺要求，梁高很高，跨高比约为2，为深梁。

图4 Ⅲ类梁裂缝

以上所述梁板经现场测量，无明显变形，也没有发现有混凝土压酥现象。

2 该高炉出铁场平台梁板裂缝的成因分析

发现裂缝后，对该高炉出铁场平台进行了重新复核计算，不计温度作用效应，原结构满足《混凝土结构设计规范》GB50010-2002所规定的设计要求；同时对铁沟和渣沟进行热传导计算分析得出，铁沟和渣沟两侧挡砂墙结构面温度大约为300°C，该区域平台板顶面温度大约为200°C。

由于时间间隔较长，该高炉出铁场平台的施工记录难以完全知晓，故分析裂缝成因时忽略施工因素和水泥的水化反应所产生的水化热的影响。

2.1 平台板裂缝的成因分析

平台板裂缝属于比较典型的表面温度裂缝，是板顶局部温度过高造成的。设计时该区域平台板钢筋为HRB335钢筋16@100双层双向，钢筋配置较密，有效的约束了裂缝的开展，裂缝宽度很小。

2.2 平台梁裂缝的成因分析

1）Ⅰ类梁裂缝的产生原因主要有三种可能性，其一是使用阶段梁内外温差造成的；其二是使用阶段梁处于高温下，停炉后梁逐渐冷却，由于混凝土材料的热胀冷缩性，温度降低时混凝土沿梁长度方向的纵向收缩而发生梁侧横向裂缝。由于受顶部平台板和底部纵向钢筋的制约，只在梁侧面产生横向裂缝；其三是以上两种原因共同作用而造成的。

Ⅱ类梁裂缝的产生原因基本同Ⅰ类梁裂缝。但要指出的是Ⅱ类梁分布在出铁口附近贮铁主沟处，该处铁沟内长期有残熔铁贮存，环境温度最高，冷却后混凝土沿梁长度方向的纵向收缩较大而造成三面贯穿横向裂缝。

3）Ⅲ类梁裂缝的产生原因基本同Ⅰ类梁裂缝。不同的是该梁为深梁，深梁的受力性能与普通尺寸的梁有很大区别，并且出铁场平台梁采用的是C30级普通混凝土，而工作环境温度为200°C时普通混凝土的强度仅为常温时的50%。由于混凝土强度的降低，根据深梁受力性能的分析，在该梁两端产生了斜向裂缝。

综上所述：该高炉出铁场平台梁板裂缝基本上都是温度-收缩裂缝，仅Ⅲ类梁出现了由于高温作用导致混凝土强度降低而产生的承载受力裂缝。

3 该高炉出铁场平台梁板裂缝的处理措施

对该高炉出铁场平台进行中修改造时，炼铁专业进行了优化设计，改进了铁沟和渣沟的结构构造，从而降低了传至结构面的温度。

根据裂缝的现状及成因分析，对已出现的裂缝采取了以下几种修补处理和加固处理措施。

1）对于梁板的细小裂缝采用表面处理法。首先用钢丝刷清除混凝土表面附着物，再用水冲洗后充分干燥，最后用耐高温环氧树脂涂刷两遍。

2）对于梁侧的中等裂缝采用压力灌浆法。首先根据裂缝的长宽设置注入口，用钢丝刷和压缩空气清除裂缝两侧混凝土表面的灰尘、油污、松动物等，再用耐高温环氧树脂进行注胶直至裂缝全部注满，最后待灌缝胶固化后，铲除注胶嘴和封缝材料，并将表面清理干净。

3）对于产生三面贯穿裂缝的Ⅱ类梁和斜向裂缝的Ⅲ类梁，由于结构的承载能力受到较大损害，故在梁底设置钢结构框架以支承该梁。钢结构框架在原有平台柱基础上用化学锚栓固定柱脚，钢框架梁顶面与混凝土底面之间预先留出80mm空隙，用无收缩高强灌浆料填实以保证两者之间相互完全贴紧，钢框架柱用化学锚栓与邻近出铁场平台柱连接以保证钢框架的稳定。钢结构框架形式如图5所示。

图5 钢结构框架简图

该高炉中修改造施工完成后投入生产至今，根据现场的反馈信息，出铁场平台使用情况良好，梁板裂缝未见发展，可见所采取的裂缝修补处理和加固处理措施是行之有效的。

4 结论

混凝土是高度的非均质材料，影响温度作用的因素也很多，因此高温环境下现浇钢筋混凝土结构的温度作用效应难以用理论公式量化计算，必须依赖于广泛的试验数据和工程实践经验。故本文仅就施工技术措施和设计构造措施而言，对如何控制和处理长期处于高温环境下的现浇钢筋混凝土结构的裂缝，提出以下几点建议：

1）优化工艺设计，从而改善现浇钢筋混凝土结构的工作环境。此点至关重要。

2）高温环境下不仅现浇钢筋混凝土结构的平台板要采用耐热混凝土，平台梁也要采用耐热混凝土。

3）现浇钢筋混凝土结构施工时，应采取有效的施工措施如加强混凝土的振捣和养护、适当添加外加剂、合理控制用水量等，从而保证混凝土的施工质量以减少材料本身的缺陷和混凝土的干燥收缩量。

4）高温环境下现浇钢筋混凝土结构的平台梁腰筋应按“细而密”的原则设置，从而有效的制约混凝土沿梁长度方向的纵向收缩。笔者认为腰筋间距宜为100mm，不应大于150mm。

5）对高温环境下现浇钢筋混凝土结构应形成定期检查制度，发现产生裂缝后，应根据裂缝的现状及成因分析、结构所处的环境及继续使用的年限、要求结构恢复程度等因素，并结合现场实际情况，因地制宜，采用合理的修补处理和加固处理措施。

以上建议有待在以后的工程实践中求得验证和改进。

参考文献

[1]韩素芳，耿维恕.钢筋混凝土结构裂缝控制指南（第二版），化学工业出版社，2006.

[2]徐有邻，顾祥林.混凝土结构工程裂缝的判断与处理，中国建筑工业出版社，2010.

[3]中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范（GB 50010-2002），中国建筑工业出版社，2002.