大體積混凝土溫度裂縫的產生機理分析

(山東科技大學土木工程與建筑學院 山東 青島 266590)

引言

在現代房建工程建設進程中，高層和超高層建筑越來越多，因為基礎底板要承受上部結構的所有載荷，所以高層和超高層建筑的基礎底板通常較大較厚，一般屬于大體積混凝土工程。但由于大體積混凝土水泥的水化熱很大且不易散失出去，可能造成混凝土內部與其表面的溫差過大產生溫度應力，使混凝土產生溫度裂縫，而且大體積混凝土底板的裂縫在工程實踐中已是司空見慣。所以，必須把握大體積混凝土溫度裂縫產生原因，才能更好采取有效控制措施。

一、溫度裂縫簡述

(一)溫度裂縫分類。大體積混凝土內出現的裂縫按深度的不同分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發展為深層裂縫，最終形成貫穿裂縫。貫穿裂縫切斷了結構的斷面，可能破壞結構的整體性和穩定性其危害性是較嚴重的；深層裂縫部分地切斷了結構斷面，也有一定危害性；表面裂縫一般危害性較小[1]。

(二)溫度裂縫的允許值。出現裂縫并不是絕對地影響結構安全，裂縫都有一個最大允許值。處于室內正常環境的一般構件最大裂縫寬度<0.3mm，處于露天或室內高濕度環境的構件最大裂縫寬度<0.2mm。對于地下或半地下結構，混凝土的裂縫主要影響其防水性能。一般裂縫寬度在0.1-0.2mm時，雖然早期有輕微滲水，但經過一段時間后，裂縫可以自愈。在0.2-0.3mm時，則滲漏水量將隨著裂縫寬度的增加而迅速加大，如出現超過0.3mm的貫穿全斷面的裂縫則大大影響結構的使用，所以，在地下或半地下工程中應盡量避免出現這種裂縫，如出現，必須進行化學灌漿加固處理[2]。

二、溫度荷載的產生

基礎底板混凝土從澆筑開始，無時無刻不受到外界氣候的影響，混凝土表面以各種形式持續的與附近進行熱量交換。外界氣候對混凝土的作用形式有很多種，造成混凝土的溫度場不易把控，一般可以將外界氣候影響分為三類：1、氣溫日變化(如寒潮)；2、氣溫年變化；3、陽光照射。在任何時期，氣溫日變化(如寒潮)對于混凝土溫度場的影響都是最嚴重的，氣溫年變化的影響不大，陽光照射的影響主要在于直射混凝土表面時能夠引起表面溫度快速升高。并且氣溫日變化(如寒潮)是在很短的時間內對混凝土由外而內的造成影響，對整個的混凝土結構產生影響；氣溫年變化影響小，可忽略；陽光照射也屬于影響時間不長，但是只對混凝土外部有較大的影響。

當然，除了氣候的影響外，水泥水化反應放熱是因為自身材料原因，在澆筑期間的影響很大；混凝土建筑發生火災的情況下，混凝土的溫度會因急劇變化而不可控，對建筑構件造成破壞。

三、溫度應力影響因素

大體積混凝土溫度場變化的原因并不單一，從約束、材料、施工再到環境，諸多原因的影響程度也不同，只有了解各自的影響機理，才能找到突破點，從而改進現有的混凝土溫控措施，提高大體積混凝土結構的質量。

(一)水泥水化熱作用。水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量，而大體積混凝土結構斷面較厚，表面系數相對較小，所以水泥發生的熱量聚集在結構內部不易散失，以至于越積越高使內外溫差增大。大體積混凝土中水泥的水化熱導致了混凝土內部產生溫度梯度，大體積混凝土結構通常厚度大，水泥水化反應釋放的熱量在混凝土內部很難散發出去，故而容易造成溫度快速升高，水泥使用的種類與用量都直接影響混凝土澆筑后的溫度變化，所以降低水化熱的基本方法就是使用低熱水泥、使用外加劑、使用其他替代品減少水泥占比。澆筑早期混凝土強度低，水化熱引起的溫度應力較小，在混凝土的強度提高后，混凝土受約束增大，溫度應力增大，混凝土就很容易開裂。

(二)環境影響。環境主要影響拌合水溫、養護、分層澆筑、澆筑溫度以及骨料等，例如夏天中午，地面溫度四十多度，拌合水、骨料等所有材料甚至設備的溫度都會很高，應該避開在正午施工澆筑；再如冬天溫度過低，或者發生寒潮降溫，對已澆和待澆混凝土溫度都會形成影響，就要做好養護工作。分層澆筑時，每層間隔時間不能太長或太短，太長則混凝土散失水份開裂，太短則已澆混凝土強度不足。

(三)混凝土本身熱性質影響。混凝土構成原材料中的骨料品種、骨料使用量和混凝土用水量對混凝土熱學性能與熱學系數產生主要影響，齡期與灰水比對熱學系數的影響很小。使用砂巖，混凝土導熱系數為2.91-3.47 W/(m·℃)，使用玄武巖、石灰巖等為骨料，導熱系數為1.85-2.33 W/(m·℃)。如輕質骨料混凝土比熱為5.5×105-6.8×105 J·kg·℃，約為普通混凝土的0.6倍。水的導熱系數約是空氣的25倍，潮濕狀態混凝土散熱更快，所以混凝土澆筑前期水化熱散失快。

混凝土的導熱性是指混凝土傳導熱量的能力，而混凝土導熱系數較小，傳熱能力較差，導熱系數越小，熱傳導越慢，混凝土溫度越難降低，所以混凝土溫度很快能到最值。工程中，必須在散熱期間控制溫差不大于25℃。混凝土溫度最值出現時間除了與混凝土的導熱性有關外，還與混凝土的原料構成、混凝土的厚度等要素相關。混凝土結構越厚，熱量越不易散失，礦渣和粉煤灰等也能延遲最值出現的時間。

(四)收縮變形影響。混凝土收縮有干縮、冷縮、塑性收縮三種。

混凝土干縮是指水份蒸發導致的收縮，水大量充斥在混凝土孔隙與空隙中，混凝土外部水受環境影響散失，內部水先在大孔洞散失，之后是在毛細孔，在之后是在膠凝孔。水在大孔洞內散失通常不會造成太多收縮，而水在毛細孔和膠凝孔中開始散失之后，混凝土就會因為水份逐漸降低而收縮程度慢慢擴大。

混凝土冷縮分兩種，一種是混凝土表面的冷縮，一種是混凝土內部的冷縮。混凝土外部的冷縮是指外部混凝土散熱快，溫度下降，熱脹冷縮，混凝土形成裂縫。混凝土內部最初因為水化熱而溫度升高，水化反應結束后熱量散失溫度下降，混凝土收縮開裂。

混凝土的塑性收縮意思是混凝土在硬化前可塑，混凝土中水泥石水化凝結硬化體積會收縮。混凝土塑性變形時，混凝土水平方向有鋼筋網，豎向更易收縮，所以易于出現諸多不規律的塑性收縮裂縫。

(五)施工方法及控溫措施的影響。混凝土的施工技藝與溫控方式直接影響到混凝土建筑結構的質量，施工技術包含混凝土的運輸、澆筑、振搗、養護、測溫等，溫控方式分為動工之前的溫控、施工期間的溫控和施工結束后的溫控方式。采用有效的施工技術，不僅能夠保障混凝土建筑的質量，而且能夠限制溫度差異變化。動工之前的溫控方法基本包括混凝土原料的選擇、混凝土配比、原料溫控等，提前做好溫控工作將使后面的養護工作更可控更易實施，這樣還能夠在事前就降低混凝土水化反應釋放的熱量。施工期間的控溫方式側重于最大化的減弱外部環境對混凝土的作用，比如溫濕度。施工結束后的這期間是防止混凝土開裂最重要的一環，必須要按照溫差不大于25℃的規定實行及時的溫控，從而使混凝土溫度符合溫差不太大的要求，保障混凝土的質量。

四、結束語

大體積混凝土的開裂是目前學者和工程界關注的一個重要問題，溫度裂縫的產生，無論是對大體積混凝土結構還是對一般混凝土結構而言，都會不同程度地影響到混凝土結構的耐久性，從而影響到結構的使用安全，只有對其產生原因進行正確理解或認識，才能從根本上采取措施進行預防，做到防患于未然，從而確保工程質量。