關于混凝土的施工溫度與裂縫控制

李掇

摘 要 經過多年現場施工觀察，結合有關混凝土內部應力方面的知識，對混凝土溫度裂縫產生的原因、現場混凝土溫度的控制和預防裂縫的措施進行等進行闡述。

關鍵詞 混凝土 溫度應力 裂縫 控制

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，盡管在施工中采取各種措施，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，因此為確保結構砼具有耐久性、經濟性、足夠的強度以及滿足施工的和易性，應針對不同使用要求的砼采取相應技術措施，配制滿足特定性能要求的高標號和高性能砼。

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上的約束，又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在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。如養護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1／10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104， 長期加荷時的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104由于原材料不均勻，水灰比不穩定，及運輸和澆筑過程中的離析現象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應力主要是由鋼筋承擔，混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內出現了拉應力，則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度，往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力，因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

2 溫度應力的分析

根據溫度應力的形成過程可分為以下三個階段：

（1）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，二是混凝上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，在此期間混凝上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。

根據溫度應力引起的原因可分為兩類：

（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。

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，具體計算這里就不再細述。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

(1) 防止碳化措施

使用對防止碳化較有利的硅酸鹽水泥；使用減水劑，改善砼的施工特性，制取密實的砼；使用密實透氣性小的骨料；采用水灰比小、單位水泥用量大的砼配合比；加強砼的養護、砼振搗密實、避免出現裂縫、蜂窩、氣孔等，保證鋼筋的保護層厚度；用水泥砂漿進行砼表面處理，防止砼的碳化。

(2) 砼配合比設計原則

選用較普通砼略低的水灰比，以提高砼的體積穩定性，提高工程結構的耐久性。

選用適中的漿骨比，兼顧砼拌和物的可泵性及降低砼的收縮徐變，提高砼彈性模量及抗裂能力。

適當提高砂率，以確保砼的可泵性及填充性，同時也兼顧大體積砼要求的低收縮徐變的體積穩定性及高彈性模量。

(3) 原材料的選用原則

1) 水泥及摻和料

為減少水泥用量，實現砼低收縮徐變的體積穩定性，降低砼拌和物凝結水化熱。選用質量穩定、含堿量低、強度富余系數大的普通硅酸鹽水泥。

2) 細骨料

為減少拌和物用水量，降低水灰比，增強砼的體積穩定性，選用機制粗砂與細度模數滿足配合比要求的河砂混合配制成細骨料，進一步提高細骨料的細度模數及改善級配，從而增強預應力砼的體積穩定性。

3) 粗骨料

針對當前國內采石工藝及破碎工藝相對落后的現狀，生產的碎石料形不良，特別是級配差，10mm以下顆粒少。為改善粗骨料級配，減少填充骨料間空隙漿體量，從而減少水泥用量，進而減少砼的收縮并有利于防裂。本工程粗骨料均選用粒形及級配良好的碎石，必要時可采用雙級配粗骨料，即（質量比）30%的5-10mm級配與70%的10-20mm級配的雙級配碎石，或30%的5-16mm級配與70%的10-25mm（31.5mm）的雙級配碎石。

4) 外加劑

為降低水灰比，改善水泥水化條件和提高砼的體積穩定性及抗滲耐久性，實現砼拌和物具有較好流動性并能延長流動性損失時間的可泵性，本工程混凝土應摻入減水劑、緩凝劑、流變劑及引氣劑等復合而成的高效流化泵送劑，另摻加微膨脹劑一起共同形成“雙摻”技術，從而達到減少砼收縮，避免開裂等質量缺陷現象。

(4) 砼的攪拌

砂、石骨料含水量對高性能砼的性能有明顯影響，故工程施工中，應根據天氣變化及時測定砂、石含水率，作為對當班澆筑砼施工配合比加水量調整的依據。

高性能砼用水量小、粘性大、不易拌合均勻，應比普通砼延長攪拌時間1-1.5分鐘。

(5) 砼的輸送

高性能砼雖然具有較好的可泵性，但拌合物流動性損失較快，容易變稠，造成泵送困難，故在泵送施工時也要根據輸送距離，粗骨料粒徑選用性能合適的砼輸送泵及正確安裝輸送泵管。

(6) 砼的澆筑

因高性能砼流動性較好，側壓力較大，故對模板及支撐系統必須認真進行力學計算設計和精心施工。

因高性能砼用水量小、粘性大、空氣不易排出，故仍應加強振搗，并應加強砼表面抹壓，防止表面砼形成硬殼開裂。

4 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也容易形成裂縫。因此說混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。

從溫度應力觀點出發，保溫應達到下述要求：

1）防止混凝土內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。

3）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。混凝上的保溫措施常常也有保濕的效果。

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。

5 結束語

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。