淺談混凝土的施工溫度與裂縫

張建立 孫繼紅

0 引言

混凝土在現代工程建設中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂縫較為普遍,在橋梁工程中裂縫幾乎無所不在。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。究其原因,我們對混凝土溫度應力的變化注意不夠是其中之一。

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。

1 混凝土裂縫的分類

混凝土裂縫是混凝土的一種常見病和多發病。病情絕大多數發生于施工階段,其原因復雜多變,一般可分為微觀裂縫和宏觀裂縫兩大類。

微觀裂縫是指肉眼看不到的、混凝土內部固有的一種裂縫,它是不連貫的。寬度一般在 0.05mm以下,這種混凝土本身固有的微觀裂縫,荷載不超過設計規定的條件下,一般視為無害。

宏觀裂縫寬度在0.05mm以上,并且認為寬度小于0.2mm～0.3mm的裂縫是無害的,但是這里必須有個前提,即裂縫不再擴展,為最終寬度。

2 混凝土裂縫的成因

裂縫產生的形式和種類很多,有設計方面的原因,但更多的是施工過程的各種因素組合產生的,要根本解決混凝土中裂縫問題,還是需要從混凝土裂縫的形成原因入手。正確判斷和分析混凝土裂縫的成因是有效地控制和減少混凝土裂縫產生的最有效的途徑。

2.1 混凝土的收縮

收縮是混凝土的一個主要特性,對混凝土的性能有很大影響。由于收縮而產生的微觀裂縫一旦發展,則有可能引起結構物的開裂、變形甚至破壞。產生收縮裂縫的原因,一般認為在施工階段因水泥水化熱及外部氣溫的作用引起混凝土收縮而產生的裂縫,多為規則的條狀,很少交叉。常發生在結構變截面處,往往與受力鋼筋平行。收縮裂縫多發生在大體積混凝土中,梁、板、柱等小塊體構件,預應力構件極少產生收縮裂縫。混凝土收縮裂縫危害較大,尤其是暴露在大氣中的構筑物,影響更大。如不加以防治,可能會造成嚴重后果。

2.2 混凝土材料及配合比

配合比設計不當直接影響混凝土的抗拉強度,是造成混凝土開裂不可忽視的原因。配合比不當指水泥用量過大,水灰比大,含砂率不適當,骨料種類不佳,選用外加劑不當等,這幾個因素是互相關聯的。有關試驗資料顯示：用水量不變時,水泥用量每增加 10%,混凝土收縮增加 5%;水泥用量不變時,用水量每增加10%,混凝土強度降低 20%,混凝土與鋼筋的粘結力降低 10%。其原因有如下方面：

1)粗細集料含泥量過大,造成混凝土收縮增大。集料顆粒級配不良或采取不恰當的間斷級配,容易造成混凝土收縮的增大,誘導裂縫的產生。

2)骨料粒徑越細、針片含量越大,混凝土單方用灰量、用水量增多,收縮量增大。

3)混凝土外加劑、摻合料選擇不當或摻量不當嚴重增加混凝土收縮。

4)水泥品種原因,礦渣硅酸鹽水泥收縮比普通硅酸鹽水泥收縮大。

5)水泥等級及混凝土強度等級原因：水泥等級越高、細度越細、早強越高對混凝土開裂影響越大。混凝土設計強度等級越高,混凝土脆性越大、越易開裂。

2.3 使用原因(外界因素)

1)構筑物基礎不均勻沉降,產生沉降裂縫。2)使用荷載超負。3)周圍環境影響,酸、堿、鹽等對構筑物的侵蝕,引起裂縫。4)意外事件,火災、輕度地震等引起構筑物的裂縫。

3 溫度應力的分析

3.1 溫度應力的形成過程

1)早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約 30 d。這個階段的兩個特征：a.水泥放出大量的水化熱;b.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。

2)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。

3)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,這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

3.2 引起溫度應力的原因

1)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例如,橋梁墩身,結構尺寸相對較大,混凝土冷卻時表面溫度低,內部溫度高,在表面出現拉應力,在中間出現壓應力。

2)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。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。

4 溫度的控制和防止裂縫的措施

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。

4.1 控制溫度的措施

1)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;

2)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;

3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;

4)在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫。

4.2 改善約束條件的措施

1)合理地分縫分塊;

2)避免基礎過大起伏;

3)合理的安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露。

5 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,因此說混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。

1)從溫度應力觀點出發,保溫應達到下述要求：a.防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫。b.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。c.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。另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。

2)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。但由于蒸發等原因常引起水分損失,從而推遲或妨礙水泥的水化,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。

6 結語

以上對混凝土的施工溫度與裂縫之間的關系進行了理論和實踐上的初步探討,雖然學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論,但對于具體的預防和改善措施意見還是比較統一,同時在實踐中的應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,混凝土的裂縫是完全可以避免的。

[1] 李竹君.混凝土設計與控制[M].重慶：重慶大學出版社, 2006.

[2] [美]科斯馬特卡.混凝土設計與控制[M].第 14版.重慶：重慶大學出版社,2005.