紀(jì)文利等

摘 要：大體積混凝土由于體積厚大，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，水泥水化產(chǎn)生的熱量不容易散失，內(nèi)部的溫升會(huì)很高，從而產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)溫度裂縫。通過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀察和相關(guān)資料的積累，本文對(duì)混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：混凝土；溫度應(yīng)力；裂縫；控制

Abstract： Because of the bulky mass concrete， and the small thermal conductivity of concrete， with the hydration heat of mass concrete not emanating easily， its internal temperature can be too high to generate high thermal stress， and then the thermal cracking should come out. Through several years field observations and related accumulation in data， this paper analyses the cause of concretes thermal crack and also expounds the measure of controlling the temperature of spot concretes and the measure of preventing cracks.

Keywords： concrete； Thermal stress； Crack； Control

所謂大體積混凝土，一般是指現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土其尺寸大到必須采取措施以對(duì)付水泥水化產(chǎn)生的熱量以及伴隨發(fā)生的體積變化，盡量減少溫度裂縫[1]。在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文主要針對(duì)施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一闡述。

1.裂縫產(chǎn)生的原因

根據(jù)有關(guān)資料，由施工因素造成的混凝土早期裂縫占80%左右，因混凝土材料方面的原因造成的裂縫占15%左右，因設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的裂縫占5%左右。因此，下面主要從施工角度討論產(chǎn)生裂縫的原因[2]。

1.1違章施工、不當(dāng)施工造成混凝土裂縫

夏季施工時(shí)由于運(yùn)輸車交通不暢耽擱時(shí)間，在泵車出料時(shí)混凝土的經(jīng)時(shí)坍落度損失較大，混凝土的和易性和流動(dòng)性較差，現(xiàn)場(chǎng)工人人為加水，造成混凝土強(qiáng)度的降低，加水部分的混凝土水灰比和強(qiáng)度與原配合比的混凝土不同造成的凝縮裂縫和干縮裂縫。

主要結(jié)構(gòu)部位模板支撐不利，或拆模過(guò)早造成混凝土內(nèi)部受振，或者混凝土內(nèi)部在未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)超負(fù)荷造成裂縫。 施工時(shí)預(yù)留孔洞、預(yù)埋通風(fēng)采暖水電管道不引起重視，未采取鋼筋加強(qiáng)措施，造成裂縫?；炷琉B(yǎng)護(hù)工作管理不嚴(yán)，造成混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)失水，收縮量大，產(chǎn)生裂縫。 種種原因造成混凝土運(yùn)輸車不能及時(shí)到達(dá)及時(shí)供料，現(xiàn)場(chǎng)澆筑停歇時(shí)間超過(guò)混凝土終凝時(shí)間，而又沒(méi)有按施工縫處理好接頭部位等。

1.2振搗方式不當(dāng)引起裂縫

不正確的振搗方式會(huì)造成混凝土分層離析、表面浮漿而使混凝土面層開(kāi)裂，或造成混凝土砂漿大量向低處流淌致使混凝土產(chǎn)生不均勻沉降收縮而在結(jié)構(gòu)厚薄交界處出現(xiàn)裂縫。

商品混凝土由于采用攪拌車運(yùn)輸、泵送澆筑，混凝土坍落度比較大，凝結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，一般混凝土初凝時(shí)間都在10小時(shí)以上甚至更長(zhǎng)，即使在炎熱的夏天，在摻了高效緩凝減水劑后，澆搗好的混凝土表面被太陽(yáng)暴曬，水分蒸發(fā)很快，形成一層幾毫米厚的“被子”，看上去混凝土似乎己凝結(jié)，實(shí)際上內(nèi)部還遠(yuǎn)未達(dá)到初凝，甚至還能流動(dòng)。我們?cè)啻斡秘炄胱枇x測(cè)定摻了高效緩凝減水劑的混凝土砂漿在太陽(yáng)直曬之下的凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果初凝時(shí)間都在12～16小時(shí)。這樣的混凝土若不進(jìn)行二次振搗和多次抹面，混凝土表面不可避免會(huì)出現(xiàn)裂縫。開(kāi)始是淺表性的、窄細(xì)的，若不及時(shí)處理，裂縫就會(huì)擴(kuò)展，由于應(yīng)力集中，最終的裂縫很可能是貫穿性的。采用二次振搗可以消除因塑性沉降引起的混凝土內(nèi)分層，阻斷因泌水而留下的連貫通道，改善骨料界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B能力；采用二次以上抹面，可以有效提高因泌水而削弱的混凝土表面強(qiáng)度，消除“被子”現(xiàn)象，使混凝土因水分蒸發(fā)而引起的塑性裂縫及時(shí)得到愈合。

有人怕二次振搗會(huì)影響混凝土強(qiáng)度，實(shí)際上對(duì)初凝前的混凝土進(jìn)行二次振搗不僅不會(huì)降低強(qiáng)度，反而會(huì)使強(qiáng)度提高。我們?cè)鲞^(guò)試驗(yàn)，在進(jìn)行混凝土試塊制作的同時(shí)，留出一份試樣過(guò)三小時(shí)后再去做試塊，試壓結(jié)果是三小時(shí)后做的試塊強(qiáng)度反而高。這就說(shuō)明由于二次振搗消除了混凝土內(nèi)分層，改善了骨料界面狀況，提高了強(qiáng)度。

1.3養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引起混凝土開(kāi)裂

現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)是造成混凝土收縮開(kāi)裂最主要的原因。

混凝土澆筑后，若表面不及時(shí)覆蓋進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)，表面水分迅速蒸發(fā)，很容易產(chǎn)生收縮裂縫，特別是在氣溫高、相對(duì)濕度低、風(fēng)速大的情況下，干縮更容易發(fā)生。有資料表明，當(dāng)風(fēng)速為16m/s時(shí)，混凝土中的水分蒸發(fā)速度是無(wú)風(fēng)時(shí)的四倍。

目前，許多施工現(xiàn)場(chǎng)在澆筑混凝土?xí)r都不能做到及時(shí)覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)，一般總要等到最后一遍抹光結(jié)束后才覆蓋，還有很多工地根本就不予覆蓋，結(jié)果混凝土表面開(kāi)裂。正確的做法應(yīng)該是在第一次抹平后就立即用塑料薄膜覆蓋，不讓水分蒸發(fā)，依靠混凝土自身的水分進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。需進(jìn)行第二次抹光時(shí)，揭開(kāi)薄膜，抹完了再及時(shí)蓋上。

摻加粉煤灰時(shí)必須有充分的保水養(yǎng)護(hù)才能較好地發(fā)揮其功能性，而外加劑如微膨脹劑在反應(yīng)過(guò)程中也需要大量的結(jié)合水，否則影響其補(bǔ)償收縮、抵抗裂縫的效果，故養(yǎng)護(hù)時(shí)保濕工作未做好會(huì)導(dǎo)致混凝土的抗裂。

對(duì)于保濕養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，肯定是越長(zhǎng)越好。養(yǎng)護(hù)14天的混凝土的收縮比只養(yǎng)護(hù)3天的收縮降低約20%。因此，國(guó)家驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定混凝土澆筑后的保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14天，但由于工程工期的制約，絕大多數(shù)施工人員做不到，所以混凝土出現(xiàn)干縮裂縫就在所難免了。

2.溫度應(yīng)力的分析

2.1根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下三個(gè)階段：

（1）早期：自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天。這個(gè)階段的兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

（2）中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。

（3）晚期：混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

2.2根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：

（1）自生應(yīng)力：邊界上沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，混凝土冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

（2）約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算?；炷恋男熳兪箿囟葢?yīng)力有相當(dāng)大的松弛，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮徐變的影響，具體計(jì)算這里就不再細(xì)述。

3.溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫，減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手。

3.1控制溫度的措施如下：

（1）采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土，摻混合料，加入引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量；

（2）拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度；

（3）熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；

（4）在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫；

（5）規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度；

（6）施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施；

3.2改善約束條件的措施是：

（1）合理地分縫分塊；

（2）避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏；

（3）合理的安排施工工序，避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露；

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模，在表面引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高，此時(shí)拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值時(shí)，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋輕型保溫材料，如泡沫海綿等，對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

加筋對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小，因?yàn)榇篌w積混凝土的含筋率極低。只是對(duì)一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應(yīng)力低于屈服極限的條件下，鋼的各項(xiàng)性能是穩(wěn)定的，而與應(yīng)力狀態(tài)、時(shí)間及溫度無(wú)關(guān)。鋼的線脹系數(shù)與混凝土線脹系數(shù)相差很小，在溫度變化時(shí)兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應(yīng)力。由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍，當(dāng)內(nèi)混凝土應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開(kāi)裂時(shí)，鋼筋的應(yīng)力將不超過(guò)100～200kg/cm2。因此，在混凝土中想要利用鋼筋來(lái)防止細(xì)小裂縫的出現(xiàn)很困難。但加筋后結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫一般就變得數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小了。而且如果鋼筋的直徑細(xì)而間距密時(shí)，對(duì)提高混凝土抗裂性的效果較好。混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面常常會(huì)發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性仍有一定的影響。

為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開(kāi)裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開(kāi)裂的措施之一。例如使用減水防裂劑，筆者在實(shí)踐中總結(jié)出其主要作用為：

（1）混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。這個(gè)表面張力理論早在六十年代就已被國(guó)際上所確認(rèn)。

（2）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。

（3）水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量，其體積用增加骨料用量來(lái)補(bǔ)充。

（4）減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少沉縮變形。

（5）提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高的混凝土抗裂性能。

（6）混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土的抗裂性能。

（7）摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。

（8）摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長(zhǎng)期不凝而帶來(lái)的塑性收縮增加。

（9）摻外加劑混凝土和易性好，表面易抹平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮.

許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。

4.混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明，混凝土常見(jiàn)的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。

從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā)，保溫應(yīng)達(dá)到下述要求：

1）防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。

2）防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。

3）防止老混凝土過(guò)冷，以減少新老混凝土間的約束。

混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。

適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的?；炷系谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?。

從理論上分析，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或防礙水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來(lái)。

5.結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)踐上的初步探討，雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論，但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見(jiàn)還是比較統(tǒng)一，同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較好的，具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現(xiàn)問(wèn)題后多分析、多總結(jié)，結(jié)合多種預(yù)防處理措施，混凝土的裂縫是完全可以避免的。

參考文獻(xiàn)

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