混凝土溫度裂縫的成因及防治措施初探

任秋勇　王曉巖

摘要:混凝土技術應用在現代工程建設中占有重要地位,但是混凝土裂縫現象也較為普遍。盡管我們在施工中采取各種措施,小心謹慎,但裂縫仍然時有出現。調查表明混凝土溫度應力的變化是引起裂縫的主要因素,因此,我們應加倍關注此類問題,并加以研究探討。在大體積混凝土中,溫度應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溫度裂縫,影響到結構的整體性和耐久性。其次,在運轉過程中,溫度變化對結構的應力狀態具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫,因此本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一探討。

關鍵詞:混凝土施工;溫度裂縫;溫度應力

1 裂縫的原因

混凝土中產生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結構不合理,原材料不合格(如堿骨料反應),模板變形,基礎不均勻沉降等。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或老混凝土的約束,又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時,即會出現裂縫。許多混凝土的內部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發生劇烈變化。本文僅從溫度應力分析入手, 初探混凝土溫度裂縫的成因。

2 溫度應力的分析

2.1 根據溫度應力的形成過程可分為三個階段

早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約30天。這個階段的兩個特征,一是水泥放出大量的水化熱,二是混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內形成殘余應力。

中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止,這個時期中,溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這此應力與前兩種的殘余應力相迭加。

2.2 根據溫度應力引起的原因可分為兩類(自生應力、約束應力)

自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內部溫度是非線性分布的,由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。

約束應力:結構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力。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要想根據已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作。在大多數情況下,需要依靠模型試驗或數值計算。混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松馳,計算溫度應力時,必須考慮徐變的影響。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

3.1為了防止裂縫,減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。

3.1.1 控制溫度的措施

采用改善骨料級配,用干硬性混凝土,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量;拌合混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫;規定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度;施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷季節采取保溫措施。

3.1.2改善約束條件的措施

合理地分縫分塊;避免基礎過大起伏;合理的安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露;此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養護,防止表面干縮,特別是保證混凝土的質量對防止裂縫是十分重要,應特別注意避免產生貫穿裂縫,出現后要恢復其結構的整體性是十分困難的,因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。

在混凝土的施工中,有時為了提高模板的周轉率,往往是新澆筑的混凝土要盡早拆模。在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料,如泡沫海棉等,對于防止混凝土表面產生過大的拉應力,具有顯著的效果。

3.2 正確使用外加劑

為保證混凝土工程質量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,在實際混凝土施工中,正確使用外加劑也是減少混凝土表面開裂的措施之一。

混凝土中存在大量毛細孔道,水蒸發后毛細管中產生毛細管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力,但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在20世紀60年代就已被國際上所確認。

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

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補充。

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。

提高水泥漿與骨料的粘結力,提高混凝土抗裂性能。

混凝土在收縮時受到約束產生拉應力,當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水防裂劑可有效的提高混凝土抗拉強度,大幅提高混凝土的抗裂性能。

摻加外加劑可使混凝土密實性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,減少碳化收縮。

摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當,在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。

摻外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發,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,我們在工程實踐中應多進行這方面的試驗對比和研究,比單純的靠改善外部條件減少混凝土表面裂縫,效果可能會更加直接、經濟。

3.3 混凝土的早期養護

實踐證明,混凝土常見的裂縫,大多數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的溫度驟降。因此混凝土的保溫對防止表面早期產生裂縫尤其重要。從溫度應力觀點出發,保溫應達到下述要求:防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫;防止混凝土超冷,應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩定溫度;防止老混凝土過冷,以減少新老混凝土間的約束。

混凝土的早期養護,主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達到兩個方面的效果,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行,以期達到設計的強度和抗裂能力。

適宜的溫濕度條件是相互關聯的。混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。從理論上分析,新澆筑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護的關鍵時期,在施工中應切實重視起來。

4 結語

對于上述由溫度引起裂縫的預防和改善措施在實踐中得到了證實,效果較好。具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現問題后多分析、多總結,結合多種預防處理措施,混凝土的裂縫是基本可以避免的。

參考文獻

[1]龐強特,呂高昌.混凝土及混凝土制品工藝學 [M].中國建筑工業出版社1988.

[2]蔡銳華.混凝土技術問答[M].人民交通出版社1992.

作者簡介:任秋勇(1970-),男,黑龍江海林人,工程師,王曉巖(1969-),男,黑龍江湯原人,高級工程師。