混凝土的施工溫度與裂縫解析

張峻峰

摘 要：通過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀察，查閱有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專(zhuān)著，對(duì)混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施等進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：混凝土； 溫度應(yīng)力； 裂縫控制

在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。主要有兩方面的原因： ①在施工中混凝土常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性； ②在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有不容忽視的影響。遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文僅對(duì)施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一探討。

1 裂縫的原因

混凝土中產(chǎn)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(jié)構(gòu)不合理、原材料不合格（ 如堿骨料反應(yīng)） 、模板變形、基礎(chǔ)不均勻沉降等。混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過(guò)程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝土的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)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(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周時(shí)干時(shí)濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫。

2 溫度應(yīng)力的分析

1） 根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下3 個(gè)階段： ①早期自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30d。這個(gè)階段有2 個(gè)特征： 水泥放出大量的水化熱； 混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。②中期 水泥放熱作用，基本應(yīng)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(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。③晚期 混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期，溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相疊加。

2） 溫度應(yīng)力引起的原因可分為： ①自生應(yīng)力 邊界上沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如： 橋梁墩身結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，混凝土冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。②約束應(yīng)力 結(jié)構(gòu)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(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算。混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松弛，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮徐變的影響，具體計(jì)算這里就不再細(xì)述。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫，減少溫度應(yīng)力，可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手。

1）控制溫度的措施如下： ①采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土，摻混合料，加引氣劑或塑化劑等措施，以減少混凝土中的水泥用量； ②拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻，以降低混凝土的澆筑溫度； ③熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱； ④在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫； ⑤規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度； ⑥施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

2） 改善約束條件的措施是： ①合理地分縫分塊； ②避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏； ③合理的安排施工工序，避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露。

3） 改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要。應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的。

4） 加筋對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小，因?yàn)榇篌w積混凝土的含筋率極低。只是對(duì)一般鋼筋混凝土有影響。鋼的線脹系數(shù)與混凝土線脹系數(shù)相差很小，在溫度變化時(shí)兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應(yīng)力。由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的7 ～ 15 倍，當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開(kāi)裂時(shí)，鋼筋的應(yīng)力將不超過(guò)1 ～ 2kN/cm2。因此，在混凝土中想要利用鋼筋來(lái)防止細(xì)小裂縫的出現(xiàn)很困難。但加筋后結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫一般就變得數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小了。而且如果鋼筋的直徑細(xì)而間距密時(shí)，對(duì)提高混凝土抗裂性的效果較好。混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面常常會(huì)發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性仍有一定的影響。

5） 為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開(kāi)裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開(kāi)裂的措施之一。其主要作用為： ①水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%； ②水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量，其體積用增加骨料用量來(lái)補(bǔ)充； ③減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少沉縮變形；④提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高混凝土抗裂性能；⑤減水防裂劑可有效地提高混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土的抗裂性能； ⑥摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮；⑦摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長(zhǎng)期不凝而帶來(lái)的塑性收縮增加； ⑧摻外加劑混凝土和易性好，表面易抹平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮； 許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能。在工程實(shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的試驗(yàn)對(duì)比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。

4 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明，混凝土常見(jiàn)的裂縫，大多數(shù)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(qū)的溫度驟降。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要，應(yīng)達(dá)到下述要求：

1） 防止混凝土內(nèi)外溫差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。

2） 防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。

3） 防止老混凝土過(guò)冷，以減少新老混凝土間的約束。混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果： ①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； ②使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的。混凝土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。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化，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(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來(lái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)踐上的探討。雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論，但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見(jiàn)還是比較統(tǒng)一，同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較好的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. GB 50204-2002 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2] 《建筑施工手冊(cè)》編寫(xiě)組. 建筑施工手冊(cè)（ 第三版） [M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] 陳堯啟，陳煜. 主體工程施工技術(shù)及質(zhì)量通病防治[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000.

[4] 柯國(guó)軍. 現(xiàn)澆混凝土施工監(jiān)理[J]. 建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2000（ 2） .

[5] 劉津明，孟憲海. 建筑施工[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.