大體積混凝土結構溫度裂縫的成因及其控制

(湖南省建筑工程集團總公司　湖南　長沙　410000)

一、引言

隨著我國經濟的發展，對工程建設規模的擴大，大體積混凝土結構得到了越來越廣泛的應用，大體積混凝土的溫度裂縫問題也較為突出，成為一個相當普遍的問題。對于大體積混凝土，由于體積大，水化熱的熱傳導路徑和環境，從而導致結構的溫度分布極不均勻，造成混凝土開裂。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，影響結構的整體性和耐久性；其次，在施工過程中，溫度變化對結構的應力狀態的影響。溫度裂縫是長期困擾大體積混凝土的一個主要問題，其中涉及的因素很多，如建筑材料、設計、施工和管理。我們遇到的主要問題是施工中的溫度裂縫，因此本文對施工中混凝土裂縫的原因及處理措施進行分析。

二、大體積混凝土裂縫類型

(1)硬化過程中水分蒸發引起的體積縮小，出現收縮裂縫。

(2)混凝土硬化水泥在溫度裂縫中釋放出大量的水化熱，內部溫度升高，在表面產生拉應力，不能自由拉伸，在混凝土的拉應力范圍內產生。如果固化不好、時干時濕、表面干縮變形受到內部混凝土的約束導致裂縫產生;

(3)施工裂縫時，活性混合料應用不當，混凝土水灰比較大，振動時混凝土離析，如局部太薄過濕、過早拆模、起吊和加載容易使混凝土開裂；

(5)原材料的裂紋活性砂泥量超過規定標準的，可憐的水泥穩定導致混凝土強度和收縮裂縫；水泥和混凝土中的堿含量高，化學腐蝕的堿骨料反應和鋼筋銹蝕導致開裂。

三、大體積混凝土溫度裂縫的成因

如上所述，結構物在實際使用中承受各種載荷。當結構的抗拉強度不足以抵抗荷載時，結構中可能出現裂縫。外荷載直接應力和二次應力、溫度變化、收縮和不均勻沉降都會產生裂縫。混凝土是脆性材料，抗拉強度約為抗壓強度的1/10。實踐證明，裂紋形成的原因主要有以下幾個方面：變形、載荷和材料性能，由裂紋引起的載荷占1/5左右，絕大多數是由膨脹和收縮引起的溫度變化引起的。主要原因是：

(一)溫度和溫度效應

混凝土結構的溫度分布是指某一時刻混凝土結構內部及表面各點的溫度狀態，當澆筑的混凝土結構，由于混凝土內部和外部的太陽輻射等因素的影響溫度變化的水化熱，混凝土內部會有不同的溫度狀態。由于混凝土結構受各種自然環境條件的影響。結構的內表面通過輻射、對流和傳導與周圍的空氣介質不斷交換。

(二)大體積混凝土結構的約束

當結構產生相對變形時，結構和內部點之間就會產生約束。約束可以分為“外部約束”和“內部約束”。

大體積混凝上受到的約束也包括外約束和內約束。外部約束通常來自地基土、基礎等混凝土膨脹或收縮變形的障礙。內部約束主要是由于大體積混凝土溫度分布不均勻造成的。由于大體積混凝土整體不能冷卻升溫和同步，而從混凝土內部到外部溫度變化是非線性的，這使得混凝土內部和外部部分之間存在著約束關系。在加熱階段，外部混凝土限制了內部混凝土的膨脹。在冷卻階段，內部混凝土限制了外部混凝土的收縮，這是混凝土本身的約束(自我約束)。這種非線性非均勻變形發生在外部混凝土的拉應力，即約束應力。

由于對環境溫度影響的混凝土和水泥的水化熱，大體積混凝土的溫度會發生變化，但由于混凝土的導熱性能較差，在混凝土結構或構件將出現較大的溫度梯度，溫度變化發生作用下混凝土的變形，但是因為這外部和內部制約因素的存在，混凝土變形受到抑制，當結合超過強度極限時，混凝土開裂。

內部約束通常導致局部裂縫，對結構整體受力裂縫和混凝土耐久性有影響，而外部的限制可能會導致貫穿性裂紋，裂紋會嚴重影響混凝土的耐久性和承載能力。

(三)外界溫度變化的影響

在施工階段的混凝土，澆注溫度，溫度與外界有直接的關系，外面的空氣溫度高，混凝土澆筑的溫度也高，如果外界溫度下降，內、外混凝土之間的溫差會很大增加，產生較大的溫度應力，大量的實踐證明，寒冷地區，室外空氣溫度的變化是大體積混凝土溫度裂縫產生的主要原因。

四、大體積混凝土結構溫度裂縫的控制措施

(一)適當調節溫差

溫度裂縫的主要原因是各種溫度差異太大，為了防止裂縫必須提供各種溫度的差異，包括內部和外部的溫度差，內部溫度差(如果舊混凝土或巖石地基應嚴格控制內部溫度，防止裂縫的產生。內部溫差值一般為12～20度)。通常采用陡降的溫度值是10度。在大體積鋼筋混凝土結構類，基本約束條件下，內外溫差可控制在25以內。

(二)原料的合理選擇

盡量選用低熱或中熱水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)配制混凝土，或使用適量粉煤灰摻入混凝土中，或使用后期強度為90～180d的混凝土，減少水泥用量以減少水化熱。為了減少混凝土中的水泥用量，它用于改善骨料級配，與硬混凝土混合，添加引氣劑或增塑劑。在混凝土中加入緩凝劑減慢澆注速度，有利于散熱。

(三)避免大體積混凝土在炎熱的天氣澆筑

避免在炎熱的天氣進行澆筑，可以用冷水或深井水攪拌混凝土，或設置簡易遮陽裝置和水預冷骨料，減少混凝土攪拌和澆注溫度。氣溫高澆灌混凝土時減少澆灌厚度以及每次的澆灌體積，利用澆灌層面散熱。分層澆筑混凝土，每層厚度不大于20cm以加速熱分布和溫度分布均勻，且易于振動壓實。大體積混凝土應預留一定的孔，宜采用冷水或冰冷卻。大量的混凝土可以埋在水管里，在冷水中冷卻。

(四)冬季施工應加強養護

在寒冷的天氣里，混凝土表面應該與寒潮絕緣。對于薄壁結構，必須適當延長拆卸時間以減緩溫度。拆模時，中間塊和表面溫度不超過20度，以防止急速冷卻造成表面裂紋。拆除基本混凝土，及時修復地基。在寒冷季節，對混凝土澆筑面或薄壁結構采取保溫措施是必要的。蒸汽養護組件時，控制升溫速度不大于25℃/小時，降溫時不超過20℃/小時，緩慢揭蓋，脫模及時，避免造成大溫度應力。

(五)提供合理的拆卸時間

表面絕緣進行溫度驟降時避免在混凝土表面形成急劇的溫度梯度。在混凝土澆筑初期，引起的水化熱表面拉應力損失大，表面溫度高于正常的溫度，然后如果拆除模板，表面溫度下降會引起溫度梯度，從而附加拉應力和表面應力的疊加和水化熱，結合混凝土的干燥收縮，表面張力應力達到很大的數值，導致裂縫。如果表面覆蓋有輕質保溫材料，如泡沫和海綿，對防止混凝土表面產生過大的張力有顯著效果。

五、結語

總結大體積混凝土裂縫的產生，一般有下列規律:大體積混凝土體積大，容易開裂；結構的約束越強，就越容易開裂；有較高的溫度差和溫度，容易開裂；更大的收縮力度與更快的收縮速度，容易開裂。因此，混凝土開裂不僅是施工技術問題，而且與材料、結構設計和施工環境的選擇息息相關。這就要求我們在具體的工程實踐中，考慮因素、選材、優化設計、精心施工、及時維護，從多方面積極采取措施避免大體積混凝土溫度裂縫。隨著工程技術的不斷發展，新的施工技術和新材料不斷涌現，大體積混凝土溫度裂縫的工程問題才得以徹底解決。