大體積混凝土早期溫度開裂成因及防控

摘要:現代高層建筑結構、大規模基礎設施建設中大體積砼早期溫度開裂非常常見，砼開裂會嚴重降低砼結構的承載力及耐久性。本文分析了大體積砼早期溫度開裂的原因及特征，從優化配合比設計、調整施工控制及合理養護等方面綜合控制大體積砼溫度開裂。

關鍵詞:大體積砼 溫度開裂 綜合控制

0 引言

伴隨著我國經濟的飛速發展，現代高層建筑、大規模的基礎設施建設如雨后春筍迅速崛起;在工程建設中常會遇見大體積砼施工。大體積砼早期溫度開裂非常常見，已成為困擾工程技術人員的焦點問題。裂縫在荷載、侵蝕介質等外界因素的作用下使建筑構件承載力和耐久性逐漸降低，所以必須將砼開裂的潛在危險性降至最低。本文分析了大體積砼早期溫度開裂的特征及原因，從優化配合比設計、調整施工控制及合理養護等方面綜合控制大體積砼溫度開裂。

1 何為大體積砼

大體積砼是個相對概念。各國建筑學會對其有不同的解釋，我國學界的定義也不盡相同。有的規定建筑物的基礎最小邊尺寸在1～3m范圍內就是大體積砼。也有的規定砼結構物實體最小尺寸≥1m，或預計會因為水化熱引起砼內外溫差過大而導致裂隙的砼稱為大體積砼。我個人認為，不能簡單規定砼的某個尺寸或某個內外溫差，而應根據實際澆筑時的外界情況而需采取溫控措施最小體積的砼稱為大體積砼。

2 大體積砼早期溫度開裂的特征

大體積砼溫度裂縫屬變形荷載引發裂縫，有別于外荷載引發裂縫，主要體現在以下兩個方面:①溫度裂縫的起因為水化導致內部溫升從而引發砼發生體積變形，在外部約束與內部約束共同作用下產生溫度應力，當溫度應力超過砼抗拉強度時就會發生溫度開裂。砼雖然屬于脆性材料，但早期砼處于粘彈狀態，在內部拉應力的作用下產生拉伸徐變，拉伸徐變在很大程度上釋放了砼內部的溫度應力。所以拉伸徐變就成為大體積砼早期溫度開裂區別于荷載產生裂縫的主要特點，在大體積砼早期內部應力計算時應充分考慮。②大體積砼早期內部溫度應力隨水化反應進行發展變化，應力的發展直至溫度開裂產生是一個逐漸變化的過程，所以大體積砼的溫度應力應按分段疊加的方法來求得。而按普通外荷載計算原則，從外荷載作用，結構內力形成，直至裂縫的出現與擴展，都是在一瞬間完成的。

3 大體積砼早期溫度開裂成因分析

3.1 膠凝材料早期水化放熱 早期砼內部溫度及溫度應力是隨時間發展變化的，在砼澆筑后的幾個小時，砼內部由于溫度升高會產生壓應力作用，但因此時砼彈性模量較低，故壓應力值不大。溫度至峰值后，砼內部壓應力會隨溫度不斷降低而迅速減小;這時砼逐漸處于零應力狀態。當砼為零應力狀態時，其內部溫度僅比峰值時低幾度。以后砼內部溫度進一步降低，這時砼內部逐漸產生拉應力，而此時砼已具有較高的彈性模量，同時隨著砼硬度和剛度的不斷提高，砼對于應力的釋放作用也在減弱，所以砼內部拉應力發展較快導致其增加開裂潛在的可能性。

溫度應力可表達成溫差、彈性模量以及混凝土熱膨脹系數的方程，而砼早期的熱膨脹系數與砼內部濕度狀況相關。若對大體積砼早期溫度應力做出準確的評估，必須研究砼早期熱膨脹系數及其隨時間發展變化情況。而早期砼屬于彈塑體，因此應用線形變形測試手段監測其熱膨脹系數存在一定難度。砼早期熱膨脹系數并非定值，是隨齡期逐漸變化，在澆筑幾小時后，砼熱膨脹系數變化尤為明顯。所以在砼溫度應力計算中將砼的熱膨脹系數視為定值處理與實際情況存在較大偏差。另外，當砼產生大量水化熱時砼內外就形成很大溫差，而導致砼內部就存在溫度梯度，溫度梯度會導致溫度變形梯度以及層間約束形成，加劇了表層砼內部所受拉應力作用，導致表層砼開裂危險性的提高。

3.2 外界氣候環境對砼裂縫的影響 大體積砼在施工階段，內部溫度應力會受外界氣溫變化影響。外界氣溫高，其澆筑溫度也高;外界溫度下降則增加砼的降溫幅度。砼內部溫度是水化熱的溫度、澆注溫度和結構物的散熱降溫等各種溫度的疊加，而溫度應力則是由溫差引起的溫度變形造成的;溫差愈大，溫度應力就越大，當溫度應力超出砼抗拉強度時，就會出現溫度開裂。

3.3 砼的早期養護不良 早期砼處于凝結硬化過程，內部結構比較疏松，當表面養護不當時，水分遺失就會使砼表面干燥和干縮變形，表層砼的干縮變形受到基體的約束使得內部產生拉應力。干縮變形受到約束產生的拉應力與溫度應力的疊加效果和綜合作用增加了大體積砼表面干裂的潛在可能性。

4 控制砼溫度開裂的綜合措施

分析砼開裂的原因與特征后得知:導致大體積砼產生溫度裂縫的主因有:膠凝材料早期水化放熱、外界氣候變化、施工及養護等，所以在砼施工中可以針對這幾個方面考慮溫度裂縫的預控。

4.1 降低膠凝材料早期水化放熱 降低水泥水化熱主要手段是減少水泥用量和使用低水化熱品種水泥。具體可以通過以下幾項措施來達到目的。

4.1.1 優化砼的配合比設計 在保證砼強度的前提下，通過降低成分中水泥的使用量，而降低砼水化熱溫度升值，優選粗細骨料粒徑和級配連續的、粒徑較大的粗骨料配置混凝土。

4.1.2 摻合料和外加劑的使用 砼內適當摻Ⅱ級以上粉煤灰來減少水泥用量，粉煤灰取代水泥劑量不得超過規范規定，同時摻加緩凝劑與減水劑，使緩凝時間在8h以上，從而改善砼拌和物的流動性、粘聚性和保水性，在降低用水量和提高后期強度的同時，降低水化熱、推遲放熱峰值出現時間。

4.1.3 使用低水化熱水泥 采用低水化熱的粉煤灰水泥或礦渣硅酸鹽水泥，控制砼內部溫升。

4.2 降低外界影響，合理采用施工工藝 砼施工應快速連續，砼運輸、澆筑都會對其坍落度和溫度有較大影響，所以在施工過程中要對以下項目做重點監控。

4.2.1 砼運輸及澆筑設備應采取的適當溫控措施，且運轉正常。

4.2.2 根據現場情況進行必要的溫度監控及應對措施。

4.2.3 施工人員與機具準備充足。

在砼澆筑過程中采用斜面分層、薄層澆筑、連續推進的方式。分層厚度以30cm～50cm之間為宜，采用插入式振動器振搗，插點間距和振搗時間應按施工規范要求執行。在澆筑前預先在砼模內按1m層距布設降溫冷卻水管，待每層循環水管被砼覆蓋后進行該層水管通水，使砼內部溫度降低。另外還需埋設測溫管，及時觀察和掌握砼內外溫差，以便采取相應的措施防止溫度裂縫。

4.3 合理有效的進行砼養護 為確保大體積砼的質量，做好砼的保溫保濕養護非常重要:

4.3.1 拆模養護是使砼不造成損傷時就要及時松開模板，然后在砼上露表面灑水。水溫不應低于砼溫度11℃以上，這可以很大程度上減少溫度應力所產生的裂縫。

4.3.2 抹面后最初的幾小時最需要潮濕養護，為防止砼外露表面干燥，抹面結束后應盡可能早地進行潮濕養護，而且持續養護的時間不少于24h。

潮濕養護結束后，砼的表面應緩慢干燥以減少表面出現裂紋和開裂。

5 結語

大體積砼早期溫度開裂不同于外部荷載作用而產生的開裂，其開裂過程是逐漸的且伴著拉伸徐變對于應力的釋放作用;其開裂的決定性因素有膠凝材料早期水化放熱、外界氣候變化、施工及養護等;在實際溫度應力計算中不可將熱膨脹系數視為定值，用定值計算會與實際情況發生較大偏差;分析大體積砼早期開裂的原因及特征，針對性采取必要控制措施降低或避免溫度裂縫的產生，使建筑結構能夠充分發揮作用是完全可能的。

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