土木工程中大體積混凝土溫度裂縫控制

毛婷　鄒翔

摘要：本文介紹了土木工程中大體積混凝土溫度裂縫形成的原因及針對(duì)其原因提出了三種控制大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的措施：改善混凝土中的水泥的使用材料，改善溫度控制條件和改變約束條件。這三種措施可有效的為土木工程中的大體積混凝土的溫度裂縫問(wèn)題并為以后相關(guān)方面的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：溫度裂縫；大體積混凝土裂縫控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674—3024（2017）06—0052—02

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)土木工程的不斷發(fā)展，大體積混凝土的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)。如何對(duì)大體積混凝土的施工中的溫度裂縫控制已成為一個(gè)技術(shù)難題。大體積混凝土的溫度的裂縫主要原因是水泥中水化熱造成的，為了使大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量提高，則要控制大體積混凝土的施工和在大體積混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中由于水泥水化放熱所產(chǎn)生的溫度變化和溫度應(yīng)力。由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)體系自身的復(fù)雜性和所處環(huán)境的多樣性，大體積混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題必須考慮其養(yǎng)護(hù)過(guò)程中溫度應(yīng)力的影響。本文針對(duì)大體積混凝土的產(chǎn)生裂縫的獨(dú)特性，提出控制產(chǎn)生裂縫的措施。

1混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土產(chǎn)生裂縫的兩個(gè)必要條件是：一是要有溫差，二是要有約束。

1.1溫差產(chǎn)生的原因

混凝土中的水泥會(huì)與水發(fā)化學(xué)反應(yīng)，混凝土在凝結(jié)的過(guò)程中水泥不斷產(chǎn)生水化熱，且混凝土外部散發(fā)熱量的速率大于其內(nèi)部，從而導(dǎo)致混凝土的內(nèi)外溫差較大。溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。

1.2約束產(chǎn)生的原因

混凝土的約束有兩個(gè)：一是外部約束，二是內(nèi)部約束。

1.2.1外部約束產(chǎn)生的原因

一個(gè)物體的變形受到其它物體的阻礙，一個(gè)結(jié)構(gòu)的變形受到另一個(gè)結(jié)構(gòu)的阻礙，這種結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間，物體與物體之間，物體與構(gòu)件之間，基礎(chǔ)與地基之間的相互牽制作用稱(chēng)作“外約束”。

1.2.2內(nèi)部約束產(chǎn)生的原因

一個(gè)物體或構(gòu)件本身各質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用叫做“內(nèi)約束”。混凝土在凝結(jié)過(guò)程不斷產(chǎn)生水化熱，在混凝土的外表面熱量通過(guò)與外界的接觸散發(fā)，而混凝土中心的熱量則向外部傳遞，且相對(duì)于外部的熱量的散發(fā)速率小很多。混凝土中心的溫度最高，且向四周呈非線性減小。因此，由于“熱脹冷縮”效應(yīng)，內(nèi)部膨脹的比外部多，從而導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部產(chǎn)生拉應(yīng)力，逐漸產(chǎn)生裂縫。

當(dāng)溫度分布在x軸上（y_e=0），內(nèi)部約束引起的溫度應(yīng)力最大值的計(jì)算公式為：

2大體積混凝土溫度裂縫研究的方法

2.1大體積混凝土的概念

JGJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)大體積混凝土是這樣定義的：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸大于或等于1m時(shí)，或預(yù)計(jì)會(huì)因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大而導(dǎo)致裂縫的混凝土稱(chēng)為大體積混凝土。對(duì)于大體積混凝土，都要進(jìn)行其溫度，水分等的控制。

2.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土木工程中大體積混凝土的研究日益增加，美國(guó)主要使用的是有限元時(shí)間分析法，法國(guó)主要使用的是ABAQUS及ANSYS等有限法分析軟件，日本主要使用的是約束系數(shù)矩陣法。美國(guó)的威爾遜博士是最早使用有限元時(shí)間過(guò)程分析法來(lái)分析混凝土溫度場(chǎng)的，日本的專(zhuān)家學(xué)者考慮到了混凝土的收縮徐變過(guò)程，我國(guó)的朱伯芳院士，劉光廷等編制了用于分析溫度應(yīng)力的相關(guān)軟件。

2.3溫度裂縫的研究方法

溫度應(yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫的過(guò)程有兩個(gè)：一是由于混凝土中的水泥與水反應(yīng)生成熱量的速率過(guò)快，在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，在升溫過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫屬于第一種裂縫。二是由于混凝土在冷卻的過(guò)程中內(nèi)外散熱的速率相差過(guò)大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生溫差過(guò)大，導(dǎo)致產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫屬于第二種裂縫。對(duì)于裂縫成產(chǎn)生過(guò)程中的溫度應(yīng)力場(chǎng)，可進(jìn)行有限元分析法進(jìn)行數(shù)值模擬，并針對(duì)實(shí)際過(guò)程中由于混凝土的收縮徐變的影響提出綜合的控制措施。

3大體積混凝土的防裂控制措施

從上述的分析可知，對(duì)于土木工程中大體積混凝土的防裂可從改善混凝土的水泥使用材料，改善溫度條件和改變約束三個(gè)方面去控制。

3.1材料的選用

由于礦渣水泥在大體積混凝土中的水化熱產(chǎn)生的相對(duì)較少，所以在使用混凝土的水泥時(shí)，在滿(mǎn)足強(qiáng)度條件的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用礦渣水泥。

3.2改善溫度條件

可通過(guò)使用在澆筑好的大體積混凝土上澆水及在進(jìn)行水管冷卻的方法。但在溫度冷卻的過(guò)程中不宜冷卻過(guò)快及溫度過(guò)低，這樣會(huì)致使混凝土產(chǎn)生收縮過(guò)大，產(chǎn)生裂縫（可將溫度控制在25左右）。同時(shí)，也可使用預(yù)冷骨料和在混凝土的拌合時(shí)加入冰塊。

3.3改變約束條件

3.3.1改變內(nèi)部約束條件

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，總膠凝材料的用量越多，水化熱越劇烈，越容易產(chǎn)生溫度裂縫。因此，應(yīng)進(jìn)行合理的混凝土的配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)，可摻加減水劑，粉煤灰，沸石粉等。

3.3.2改變外部約束條件

外部約束過(guò)大影響混凝土的拉伸與收縮過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。可通過(guò)在混凝土建筑底部設(shè)置“有彈性的滑動(dòng)式”墊層。通過(guò)墊層的設(shè)置，可有效的改善混凝土的外部約束條件，使混凝土的收縮與拉伸過(guò)程更加順暢，有效的控制了混凝土的開(kāi)裂過(guò)程。

4結(jié)論

本文對(duì)土木工程中大體積混凝土的裂縫控制提出以下的措施：（1）改善混凝土的水泥使用材料，盡量使用產(chǎn)生水化熱較少的礦渣水泥；（2）改善溫度條件，使溫度控制在25左右，不宜過(guò)高也不宜過(guò)低；（3）改變外部及內(nèi)部的約束條件，進(jìn)行合理的混凝土的配合比設(shè)計(jì)及設(shè)置“有彈性的滑動(dòng)式”墊層。