談現澆大體積混凝土的溫度開裂控制

張靈坤 杜云晶

(山東省聊城市規劃建筑設計院，山東 聊城 252000)

1 概述

大體積混凝土由于其體積龐大，一次性混凝土澆筑量大，水泥用量很多，產生大量的水化熱導致混凝土結構溫度應力的急劇增長，極易誘發溫度裂縫，對于需要進行“抗裂”的大體積混凝土結構產生嚴重危害。因此，對大體積混凝土裂縫進行有效的預防，成為工程界普遍關注的課題。

2 大體積混凝土產生裂縫的原因

1)水泥水化熱是大體積混凝土產生裂縫的主要因素。

水泥在水化過程中產生大量的熱量，由于大體積混凝土結構斷面較厚，在混凝土結構內部積聚的大量熱量難以散失，使混凝土內外環境出現溫度差，引發熱脹冷縮效應，溫度應力也由此產生。隨著澆筑后混凝土力學性能的提升，混凝土內部各個區域間的約束越來越強，而混凝土的抗拉強度又是一個非常脆弱的特性，當約束力達到了混凝土的抗拉強度后，裂縫也就隨之而來。

2)受外部條件約束的影響。

大體積混凝土往往是澆筑于地基之上，二者由于材料性質往往不同，在溫度的影響下變形無法協調，尤其是在混凝土水化后期，由于水化過程速度減慢，溫度降低，由此引發的混凝土結構收縮會受到地基的約束，拉應力的產生對于混凝土脆弱的抗拉強度又是一個不利因素。

3)外界氣溫變化的影響。

外界氣溫即是大體積混凝土所處的外部環境，混凝土水化過程導致混凝土溫度場產生很大的變化，而外界氣溫的突變會嚴重導致混凝土結構內外溫度差的形成，更加容易誘發溫度應力，導致大體積混凝土裂縫的產生。

4)混凝土抗拉能力低。

混凝土是脆性材料，抗壓能力較高，抗拉能力較低。大體積混凝土受到的溫度應力以及變形約束產生的拉應力很容易超過本就不強的混凝土的抗拉強度而使混凝土產生裂縫。

3 國內外控制大體積混凝土水化熱的措施

美國在大體積混凝土施工中采用了多種方法[1]:混凝土澆筑時埋置冷卻水管，其中通入循環水，可以對混凝土澆筑后水化產生的高溫有“消峰”的作用，稱之為后冷卻法;預冷卻法是采用碎冰進行混凝土的制備，再一個就是對骨料提前冷卻，都可以在一定程度上降低混凝土的水化熱。

除此之外，對混凝土配合比的設計也是一個很重要的措施，包括對水泥、骨料、外加劑等的研究。比如，采用水化熱低的水泥;在滿足混凝土強度要求的前提下摻入粉煤灰以減少水泥用量;選用熱膨脹系數低的骨料從而減少溫度可能引發的骨料變形，降低誘發骨料和水泥漿體間交界面處裂縫的可能性;選擇高級配的水泥砂漿，也可以減少水泥的用量;采用減水劑可以減少混凝土拌合用水的使用量，同樣也可降低混凝土的水化釋放的熱量。

我國在大體積混凝土的施工中，一般也參照國外通常的做法，我國學者也通過研究得到了關于大體積混凝土材料的選用及配合比設計上有價值的成果。比如研制出礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和火山灰硅酸鹽水泥等水化釋放熱量低，后期強度高的新型水泥，以及諸如奈系，聚羧酸等能夠提高混凝土性能的混凝土外加劑品種。

4 鋼筋對混凝土的“限裂”與“抗裂”

對混凝土結構進行適當配筋，鋼筋將結束混凝土的塑性變形，從而分擔混凝土的內應力，推遲混凝土裂縫的出現，即提高了混凝土的抗拉能力[2]。

對于素混凝土，當由于溫度應力超過混凝土的抗拉強度而誘發裂縫后，會在混凝土的結構上形成一個貫穿整個界面的裂縫;如果配置了鋼筋，則由于鋼筋和混凝土之間的粘結作用，使得混凝土不能再自由回縮;混凝土開裂后，此處的鋼筋會承擔起原有混凝土開裂面所負擔的拉力，減小了裂縫開展寬度和深度，還會使得混凝土的應力水平在一定的長度范圍都要小于混凝土的抗拉強度，起到分散裂縫的作用。鋼筋拉應力或拉伸應變愈小，就意味著裂縫寬度愈小，裂縫條數愈多，裂縫間距愈近。所以，在混凝土內配置鋼筋，不但對減小結構早期的溫度應力具有積極的作用，而且還可以增強混凝土的抗拉強度，并在一定程度上阻止和限制裂縫的產生。

對于一個軸心受拉桿，在截面開裂前鋼筋和混凝土的粘結良好，二者應變應相等:

鋼筋與混凝土應力比為:

混凝土的應力為:

其中，P為總荷載;A為構件的截面面積，ρ=As/A。

鋼筋與混凝土共同工作的基礎是兩者之間的粘結力。由于鋼筋的彈性模量要遠高于混凝土的彈性模量，所以當混凝土內應力達到抗拉強度而開始開裂時，此時鋼筋的應力很小，一般認為鋼筋所起的作用是有限的。

混凝土材料結構是一種多相材料，當混凝土梁承受拉力作用時截面中各質點受力不均勻。若在梁中適當配筋，鋼筋將約束混凝土塑性變形，提高混凝土梁的整體抗拉能力，限制裂縫擴展。當梁內配筋率一定時，鋼筋與混凝土的粘結力隨鋼筋表面積增加而增長，因此裂縫的開展程度會隨著鋼筋根數的增加而降低，式(4)是得到的關于配筋率和抗拉強度對混凝土極限拉伸影響的經驗公式[3]:

其中，εpa(t)為配筋后的混凝土極限拉伸，mm/mm;Rf為混凝土的抗裂強度，N/mm2;d為鋼筋的直徑，cm;ρ為截面配筋率，即ρ=As/A。

5 溫度荷載下鋼筋混凝土構件

已有研究表明，鋼筋對混凝土溫度場和溫度應力是有一定影響的。鋼筋的加入可以提高混凝土的導熱性能，減小混凝土的比熱。混凝土材料這兩種性能的改變，對于減小結構早期的溫度應力具有積極的作用。

導熱性能的提高可以加快混凝土內部不同區域之間的熱量傳遞和熱交換，從而可以減小結構內部由于溫度不同引起的內部約束，降低溫度應力的影響。混凝土比熱的減小可以加快結構的升溫速度，溫度差的形成可以加快大體積混凝土結構和環境之間的熱交換，也可以減小結構由于溫度差引起的約束力。

到目前為止，大多數關于混凝土開裂研究都是基于素混凝土。但是，需要我們引起注意的是:鋼筋所起“抗裂”作用有限是基于短期荷載下的結論。混凝土從澆筑開始，就進行了水化熱，這類結構的水泥水化熱難以及時發散，在體內積累了大量不必要的熱量，致使混凝土內部溫度大大高于環境溫度;而在水化熱后期隨著水化熱的減少，溫度降低，使得混凝土收縮。溫度的上升與下降使混凝土時時刻刻受到周圍的各種約束，也就使混凝土處于一種“長期荷載”的環境下，而非“短期荷載”的環境;而且大量的工程實踐表明配有鋼筋的混凝土構件開裂幾率要低于素混凝土，配置鋼筋是可以延遲混凝土開裂的。

對早齡期約束鋼筋混凝土構件:

其中，εtot為總變形量;εelastic為彈性變形量;εcreep為徐變量;εautoshrinkage為自收縮量;εthermal為熱變形量。

由式(5)可以看出，溫度荷載下混凝土的應變水平受多個參數的影響，對于配有鋼筋的大體積混凝土，如果混凝土與鋼筋的粘結完好，即:

其中，εsteel為鋼筋應變;εconcrete為混凝土應變。素混凝土由于徐變引起的應力松弛可以借助鋼筋的“幫助”得到一定的釋放，從而減小混凝土的應力，使得混凝土的拉應力可以延緩到達抗拉強度，也就是增強了整個構件的抗拉能力。

其中，σconcrete為混凝土的應力;Econcrete為混凝土的彈性模量;ft為混凝土的抗拉強度。因此，素混凝土和鋼筋混凝土以及不同水灰比，骨料等級等因素下混凝土的開裂荷載都會不同，這也是尚需進行試驗和理論分析的部分。

6 結語

如果能夠進一步細致研究鋼筋混凝土構件在各個變化參數條件下受徐變影響的性能，將對我國大體積混凝土澆筑過程中的裂縫控制有新的理論和試驗研究，發揮鋼筋更大的作用。

[1] 潘家錚.水工建筑物的溫度控制[M].北京:水利電力出版社，1990.

[2] 李潘武，李慧民.大體積混凝土溫度構造鋼筋的配置[J].四川建筑科學研究，2005，31(2):31-35.

[3] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建工出版社，1997.