大體積混凝土溫度裂縫分析與處理

谷 中

大體積混凝土是指最小斷面任何一個方向尺寸是0.8 m以上的混凝土結構，其尺寸已經大到必須采取相應的技術措施降低其溫差，控制溫度應力和裂縫開展的混凝土，一般來說，認為由于水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界溫差預計超過25℃時，這個溫差使得混凝土產生應力，導致開裂。為最大限度減少混凝土開裂，必須要解決水化熱以及隨之引起的體積變形問題。

大體積混凝土的材料構造特點主要有:1)混凝土澆筑后，由于斷面尺寸較大，水化熱釋放較慢，內外形成較大溫差;2)混凝土通常不配鋼筋或配置很少的鋼筋，需要依靠自身承受拉應力;3)混凝土所處的環境比較暴露，容易受到環境溫度變化的影響。

1 溫度應力與溫度裂縫的形成

混凝土結構內外較大的溫度差是大體積混凝土開裂的主要原因。結構的溫度差會導致溫度應力，所謂溫度應力是指由于溫度變化使得構件伸縮受到限制時內部產生的應力。大體積混凝土由于水化熱而產生的溫度應力及裂縫歸納為三個方面:1)內部約束引起;2)外部約束引起;3)二者共同作用。

內部約束是構件內外溫度差引起的開裂，水泥水化時發熱，內部溫度升高，由于散熱不均勻，表面降溫幅度比中心大，導致混凝土結構表面溫度低而中心溫度高，受熱脹影響，理論分析的結果是從中心到表面會形成應變梯度，中心混凝土變形大而表面小，這種結構變形的不協調將導致表面變形受到中心的抑制，使得中心產生壓應力而表面產生拉應力(見圖1)。當表面拉應力增長到一定程度時將會拉裂混凝土。如果某些特殊的大體積混凝土需要配筋且配筋率過高時，內部約束將會表現得更為明顯。

外部約束產生于超靜定結構當中，如巖石或地基上的大體積混凝土，路橋工程中群樁上的承臺基礎或建筑工程中的筏板基礎，這些大體積混凝土都會受到外部結構物的約束，并且在施工過程中，先澆筑部分硬化了的混凝土也會成為其上面新澆筑混凝土的約束，這種約束的機理在于當水化熱逐漸釋放，溫度下降而產生收縮，由于底部混凝土受約束無法自由變形，使其產生拉應力，當拉應力達到一定程度時拉裂混凝土。外部約束有時可以緩解內部約束帶來的上表面裂縫，使其部分裂縫閉合。而較嚴重的情況則會在垂直于約束面形成貫通裂縫。對于大部分大體積混凝土構件來說，這兩者共同作用才導致其開裂。

2 溫度裂縫的處理控制

影響大體積混凝土溫度開裂的主要因素有材料、結構和施工。合理地控制這些因素可以有效減少裂縫的發生。

材料的選擇包括水泥品種、摻合料種類及配比、添加劑、水泥用量、用水量和砂率的確定，這些關系到水化熱的大小以及釋放熱量的快慢。材料選用的原則是:1)保證強度;2)降低水化熱;3)加快散熱速度。

不同的水泥水化熱大小不同，并且致使混凝土溫度的經時變化不一樣，絕熱溫度上升量以及溫升速度較小，單方混凝土水泥用量少的配合比應予采用。根據混凝土絕熱升溫量與齡期的關系，單組分水泥中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱硅酸鹽水泥，雙組分水泥則采用粉煤灰水泥。

一般來說，混凝土的絕熱溫度上升量與單方水泥用量成正比，在確保單方水泥用水量(以保證坍落度)的前提下，同時保證28 d強度，盡可能降低單方水泥用量，以一部分礦物質摻合料取代部分水泥，加引氣劑或塑化劑也可以減少單方水泥用量，這些都是作為抑制水化熱的有效措施。

從結構上考慮，主要是為了防治內部和外部約束帶來的不利影響。對于內部約束，可以在表面設置少量構造鋼筋來防治內部約束產生的溫度裂縫。對于外部約束，可以設置一些滑動層改變約束條件。

施工方面的防治措施主要有:1)通過改善骨料加強振搗使得混凝土密實，提高其抗拉能力;2)采用分層連續澆筑，使混凝土充分散熱，降低內外溫度梯度;3)降低混凝土的澆筑溫度，采用冰水澆筑或者事先對骨料進行冰凍處理，嚴格控制混凝土出罐溫度以適應分層連續澆筑;4)采用表面蓄熱養護，使得內外溫差不大，熱脹變形得到協調，從而有效減少內部約束引起的裂縫，另外也使得混凝土降溫速度放緩，有利于提高混凝土抵抗外約束的抗拉能力;5)監控外界氣溫變化，選擇合理的拆模時間以便及時養護。

大體積混凝土的澆筑質量與外界氣溫密切相關，當外界氣溫高于混凝土水化熱引起的升溫值時，混凝土內部熱量不易散失，而當外界氣溫低于混凝土拌合物溫度時，尤其是溫度的突然下降，將會在混凝土中心和表面形成很大的溫度梯度，這兩種情況都很容易導致溫度裂縫。

對于必須在夏季進行的大體積混凝土澆筑，混凝土原材料的自然澆筑溫度不能滿足要求，因此需要人為改變原材料溫度，根據各原料對混凝土溫度的影響以及原材料密度、比熱等計算加冰拌和時所需的冰量或加涼水拌和時的水量。骨料可以事先預冷，預冷的方式通常有:1)自然冷卻降溫，露天堆放的骨料受氣溫影響很大，可采取高堆料廊道出料，采用6 m以上的堆料高度，100 m以上的出料地下廊道，堆料表面噴灑冷水，這些措施能使骨料溫度不受周圍氣溫變化的影響;2)水浸法冷卻骨料;3)冷氣預冷，將冷風直接送入拌和樓料倉;4)蒸汽制冷冷卻骨料;5)高壓水制冷;6)采用制氧廠剩余液氮冷卻混凝土或原料。

冬季混凝土受凍將引起強度降低及減弱混凝土接觸面的抗滲作用并增加混凝土透水性。因而冬季混凝土施工成本較高，施工難度大且難以控制施工質量，對迫不得已的冬季施工的要求如下:1)水泥選用硅酸鹽水泥而不是普通硅酸鹽水泥;2)骨料不得夾雜冰塊，雪團，骨料要保持清潔，級配良好，質地堅硬，不能含有易被凍壞的礦物和有機物質等;3)混凝土中可摻入適量外加劑，能改變混凝土的工藝性能，提高混凝土的耐久性并保證混凝土在低溫期的早強及負溫下的硬化，防止早期受凍;4)原材料一般需要加熱，加熱時優先考慮加熱水，水加熱的最高允許溫度是以水與水泥接觸后不致引起水泥假凝為依據，混合物與水泥接觸時，混合物最高溫度不得超過80℃。將水加熱到最高溫度，還不能滿足混凝土的溫度要求時，再考慮加熱骨料。

3 結語

大體積混凝土在結構上的特點使其比較容易產生溫度裂縫，溫度裂縫的形成與溫度應力密切相關，而溫度應力的大小則與混凝土內水泥水化熱導致的升溫以及后期溫度下降二者引起的內外溫度梯度正相關，基于不同的約束分析了應力產生的機理。

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