大體積混凝土溫度應(yīng)力場(chǎng)與溫控對(duì)策探究

劉生蔭

山西開放大學(xué) 山西 太原 030027

由于中國(guó)城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，各種建筑物的規(guī)模也在迅速發(fā)展和擴(kuò)大，大型建筑物的數(shù)量逐年增加。混凝土結(jié)構(gòu)具有裝飾方便、承載力大、原材料經(jīng)濟(jì)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，大型建筑物結(jié)構(gòu)的主體部分可以用大體積混凝土。我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于大體積混凝土，規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)的最小幾何尺寸至少應(yīng)為1m，否則由于混凝土中的膠凝材料水化，預(yù)固混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生有害裂縫。根據(jù)美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)的說法，“如果要注入的混凝土尺寸足夠大，它能夠處理產(chǎn)生的大量熱量，并能夠最大限度地防止開裂，這種混凝土就可以大量生產(chǎn)。”混凝土是石頭、沙子、水泥與水混合而成的復(fù)合材料，混凝土澆筑后具有堅(jiān)固耐用的特性，在現(xiàn)代建筑中占有重要且不可替代的地位。根據(jù)中國(guó)建筑協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，由于溫度和收縮，只要混凝土結(jié)構(gòu)的厚度超過0.8m，溫度應(yīng)力就遠(yuǎn)大于外荷載，溫度應(yīng)力起著很大的作用。然而，在澆筑過程中混凝土開裂是很常見的，主要原因是在澆筑過程中沒有注意應(yīng)力的變化，對(duì)混凝土的溫度變化沒有很好的了解。因此加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土的溫度控制和溫度應(yīng)力控制非常重要。

1 大體積混凝土概述

大體積混凝土被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，其在水利工程和建筑工程的使用更為普遍。在水利工程中，臨海建橋，修建水壩，可以促進(jìn)我國(guó)大部分地區(qū)的水利和交通運(yùn)輸大發(fā)展；在建筑工程中，現(xiàn)代城市擁有許多高層建筑，既美觀又節(jié)省空間，利用率得到了很大程度地優(yōu)化，高層建筑也代表著一座城市的發(fā)展水平。大體積混凝土已成為促進(jìn)人民生活和社會(huì)發(fā)展必不可少的重要因素。我國(guó)每年澆筑大體積混凝土僅來自水利工程的統(tǒng)計(jì)，就達(dá)到了1000萬m3的恐怖數(shù)字。在現(xiàn)代土木工程中，大體積混凝土的地位可見一斑。然而，大體積混凝土在工程應(yīng)用中也面臨諸多問題：在澆注結(jié)構(gòu)中，水泥會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，是因?yàn)橛捎谄洳牧系奶厥庑裕绻麥囟冗^高，這種熱量會(huì)在混凝土內(nèi)部積聚并產(chǎn)生壓應(yīng)力，還可能受到地形和天氣的影響，低溫、空氣循環(huán)和散熱都會(huì)使混凝土容易開裂，不僅影響建筑外表的美觀性，裂縫還會(huì)導(dǎo)致建筑物承載力不均勻，處理裂縫的過程也會(huì)延誤工期[1]。因此，如何做好大體積混凝土的溫度控制和溫度應(yīng)力顯得尤為重要。

2 大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

首先，水泥基材料（主要是水泥）水化過程中，一般存在有很大容量的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低，固結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。另外，混凝土的變形比較大，彈性模量仍然相對(duì)較小，因此大體積混凝土的中心溫度非常高。如果混凝土的外層溫度與中心溫度之間的溫差較大，大體積混凝土將會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。其次，由于混凝土是一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，也就決定了大體積混凝土的抗變形能力差，因此，大體積混凝土在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的拉應(yīng)力應(yīng)盡可能小。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析大量的工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，大體積混凝土受短期載荷的極限拉伸變形值為（1.2～2.0）×10-4m，受長(zhǎng)期載荷的極限拉伸變形值為（0.6～1.0）×10-4m，可見無論受載荷影響的時(shí)間長(zhǎng)短，其變形值均很小。第三，大體積混凝土中鋼筋的比例較低。如水工建筑物和大壩，其表面通常很少甚至沒有鋼筋，因此混凝土是產(chǎn)生拉應(yīng)力的主要原因。第四，大體積混凝土的結(jié)構(gòu)表面通常暴露在自然環(huán)境中，常和周圍環(huán)境中的空氣和水接觸，且環(huán)境溫度和水量大小全年都在不斷變化，容易引發(fā)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和體積的變化，內(nèi)部產(chǎn)生不易察覺的裂紋。因此，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用也給工程行業(yè)帶來一定的挑戰(zhàn)，所以，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的建筑工程需要特殊的施工條件，施工過程也較為復(fù)雜。造成混凝土裂縫的因素有很多，例如外力、鋼筋腐蝕等，水泥水化產(chǎn)生的拉應(yīng)力是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫最基本的原因，對(duì)混凝土大壩的早期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于水化熱引起的混凝土熱開裂非常普遍。在嚴(yán)重受損的混凝土大壩中，有很多是由溫度相關(guān)問題引起的。混凝土結(jié)構(gòu)中的大部分裂縫據(jù)統(tǒng)計(jì)，是由于變形引起的，其中收縮和溫度引起的變形占大多數(shù)。由于一次澆筑方量大，在實(shí)際工程中，水泥水化釋放的熱量很難在短時(shí)間內(nèi)傳遞，施工階段混凝土結(jié)構(gòu)的幾何尺寸大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度急劇上升，較大的溫差會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，與外部幾何形狀相對(duì)不同。當(dāng)表面的拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，影響結(jié)構(gòu)的完整性，就會(huì)出現(xiàn)裂縫，甚至威脅工程的安全，從而影響工程質(zhì)量。目標(biāo)裂縫控制方案和對(duì)策，可以在掌握大體積混凝土相關(guān)的溫度應(yīng)力及其溫度場(chǎng)變化規(guī)律的情況下制定，不僅提高了結(jié)構(gòu)的耐久性，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展非常重要，而且大大提高了工程質(zhì)量。所以，研究大體積混凝土溫度控制及溫度應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律措施是一個(gè)非常重要的課題。

3 溫度裂縫的產(chǎn)生及危害

在干燥硬化過程中當(dāng)混凝土產(chǎn)生大量水化熱，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)部溫度繼續(xù)升高時(shí)，冷卻過程中因干燥不均勻而產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果出現(xiàn)裂縫，是因?yàn)檫@些拉應(yīng)力超過混凝土的抗裂性，由于熱應(yīng)力引起的混凝土結(jié)構(gòu)開裂。熱應(yīng)力造成的裂縫在工程裂縫中，約占所有裂縫的80%，裂縫會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生許多負(fù)面影響。首先，結(jié)構(gòu)剛度降低。裂縫，特別是較大的裂縫，會(huì)降低基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度，影響建筑物的正常使用。其次，整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力降低了。整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化，是因?yàn)榛炷恋臏囟葢?yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加后造成的，裂縫會(huì)損害結(jié)構(gòu)的完整性，這將對(duì)未來的建筑物使用產(chǎn)生巨大影響，改變?cè)O(shè)計(jì)的力分布導(dǎo)致局部損壞以及危及整個(gè)結(jié)構(gòu)[2]。第三，影響使用結(jié)構(gòu)的功能。開裂后的第一個(gè)問題就是滲漏，大多數(shù)大批量混凝土都在連續(xù)運(yùn)行，地下結(jié)構(gòu)的滲漏修復(fù)難度大，工期也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，費(fèi)用高。凝結(jié)過程中混凝土內(nèi)部溫度的變化曲線如圖1所示。

4 大體積混凝土溫度應(yīng)力的類型及特點(diǎn)

大體積混凝土熱應(yīng)力的產(chǎn)生具體可以從以下三個(gè)階段分析：（1）后期應(yīng)力穩(wěn)定運(yùn)行期。在此期間，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度變化不會(huì)顯著影響混凝土內(nèi)部溫度，混凝土結(jié)構(gòu)的主要影響是外界氣溫的波動(dòng)，而且這種影響所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力，主要受溫度變化影響。（2）中期應(yīng)力——運(yùn)行初期。大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，從水化放熱幾乎完全結(jié)束到基本穩(wěn)定。混凝土在運(yùn)行初期繼續(xù)散熱，但逐漸接近穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。混凝土特性在此期間趨于穩(wěn)定，環(huán)境溫度影響溫度場(chǎng)。（3）初始應(yīng)力——從混凝土入倉(cāng)到水化放熱結(jié)束的澆筑期，有一個(gè)明顯的初始散熱過程，澆筑期約為一個(gè)月。在此期間，由于水泥的水化作用，混凝土釋放出更多的熱量，同時(shí)繼續(xù)在注射塊表面散熱，使絕對(duì)溫度升高約30℃。混凝土的形態(tài)28天后達(dá)到正常強(qiáng)度，也從最初的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。所以，在澆筑期間混凝土的力學(xué)和熱性能隨時(shí)間發(fā)生顯著變化。

澆筑期有兩個(gè)特點(diǎn)，一是該階段混凝土的彈性模量隨時(shí)間迅速增加。二是，大體積混凝土的溫度場(chǎng)，隨著水泥水化釋放的熱量顯著改變。

5 大體積混凝土溫控防裂措施

預(yù)防溫度裂縫，通過分析大體積混凝土溫度裂縫的原因，不僅要控制其他方面的改進(jìn)，還要控制內(nèi)外溫差和最高內(nèi)部溫度，優(yōu)化混凝土性能和結(jié)構(gòu)約束。下面的一些溫控防裂措施是相互關(guān)聯(lián)的，為了最大限度地發(fā)揮防裂效果，需要更具實(shí)際情況綜合采取相關(guān)措施。

5.1 設(shè)計(jì)措施

首先，設(shè)計(jì)時(shí)，C20～C35范圍內(nèi)的強(qiáng)度等級(jí)是合適的，使用中低強(qiáng)混凝土，盡量避免使用高強(qiáng)混凝土。其次，結(jié)構(gòu)形式選擇合理的方法，將其劃分為合理的分塊。第三，鋼筋的分布，使分布鋼筋間距緊密，應(yīng)盡量使用直徑小的鋼筋，8～14mm為鋼筋直徑，間距為10~15cm或更多。在0.3%～0.5%之間大體積混凝土的總截面鋼筋比為宜，至少應(yīng)為0.3%。使用細(xì)而密的分布桿的實(shí)驗(yàn)表明，有效防止開裂，可以降低混凝土的收縮和溫度應(yīng)力。第四，處理基礎(chǔ)。適當(dāng)處理地基從而降低熱應(yīng)力，可以降低大體積混凝土的約束阻力，防止熱裂縫的形成。可分為兩種不同的地基處理：①硬巖處理，允許在地基底部安裝滑動(dòng)層。安裝滑動(dòng)層實(shí)驗(yàn)表明，在外端的1/5到1/4內(nèi)可以改善結(jié)構(gòu)計(jì)算。②處理軟地層的地基，效果大大增強(qiáng)，軟地層的地基可用砂墊層加固，避免了地下水對(duì)地基的不利影響，減少了相應(yīng)的應(yīng)力，減少了地基對(duì)大體積混凝土的約束，有效防止了裂縫的發(fā)生。

5.2 原材料選擇措施

為了提高抗裂性，混凝土原材料的選擇和配合比必須符合標(biāo)準(zhǔn)，主要相關(guān)經(jīng)驗(yàn)有：首先，水泥的選擇。混凝土的主要熱源是，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，因水泥各成分（礦物質(zhì)）的不同混凝土的最終水化熱而有很大差異，低熱水泥品種是優(yōu)選的，以減少水泥水化釋放的熱量。其次，粗骨料和細(xì)骨料的選擇。在選擇粗骨料時(shí)，以碎石為佳，要選擇與自然連續(xù)級(jí)配相匹配的粗骨料，這是因?yàn)槭褂眠B續(xù)粗骨料的混凝土具有良好的和易性，可以制成均勻致密，獲得相同強(qiáng)度所需的水泥較少，具有較高的抗裂性和強(qiáng)度[3]。此外，必須使用中粗砂，在選擇細(xì)骨料時(shí)，因?yàn)槭褂弥写稚白鳛榧?xì)骨料可以減少水泥用量。據(jù)相關(guān)測(cè)試，每塊可節(jié)約水泥20-25kg/m3混凝土。此外，粗、細(xì)骨料含泥量過多，會(huì)增加收縮率，會(huì)降低混凝土的抗拉強(qiáng)度，還嚴(yán)重影響混凝土的抗裂性，必須嚴(yán)格控制粗、細(xì)骨料的含泥量。

5.3 澆筑措施

澆筑時(shí)的措施一般的澆筑方法如下，首先，第一層綜合混凝土澆筑完畢后，繼續(xù)澆筑第二層。此時(shí)，在未凝固狀態(tài)下澆注第三層，此時(shí)第一層混凝土尚未硬化，這種方式一般適用于平面尺寸不太大的場(chǎng)所，當(dāng)然，如果場(chǎng)地太大，也可以分成兩個(gè)部分。同時(shí)從兩端向中心按壓，或者從中心向側(cè)面推。其次，澆筑一段或一層混凝土?xí)r，需要從底部開始，留出一定的距離再澆第二層。所以澆完之后，從下往上。第一層混凝土還沒有開始凝固。此時(shí)，可以開始分階段輸液的第二階段，此方法用于工程要求較高而且工期較長(zhǎng)的項(xiàng)目。

6 采取保溫與降熱措施

首先，水管的冷卻。先將水管底部灌滿，待大體積混凝土完成后再連接冷水，使冷水帶走里面的熱量。當(dāng)然，因?yàn)樗牧鞒烫啵@種方法很耗時(shí)，步驟太多。但是，這種方法仍然非常有利于進(jìn)步，它具有極好的穩(wěn)定性。這有效地控制了人工冷卻溫度，請(qǐng)注意水量和溫度的變化。其次，保溫措施。混凝土常見問題是裂縫，雖然小裂縫對(duì)整體沒有那么有害。但是，表面的裂縫蔓延很深，仍然對(duì)耐用性非常不利，應(yīng)采取相應(yīng)的保溫措施，控制溫度應(yīng)力，使內(nèi)外溫度均勻。第三，溫度監(jiān)測(cè)。大體積混凝土必不可少的測(cè)試是溫度檢測(cè)，實(shí)施溫度檢測(cè)，及早預(yù)測(cè)并比較溫度，盡快得出結(jié)論，還要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整溫差，防止出現(xiàn)裂縫。

7 結(jié)束語

綜上所述，大面積混凝土的防治工作十分復(fù)雜，混凝土工程的優(yōu)劣一般決定了混凝土溫度控制的成敗。除降溫措施外，其他措施效率沒有那么高，且相對(duì)被動(dòng)，嚴(yán)查混凝土質(zhì)量，降低后期裂縫發(fā)生的可能性，改進(jìn)對(duì)策加強(qiáng)管理。首先要對(duì)混凝土原材料進(jìn)行合理選擇，然后對(duì)材料進(jìn)行科學(xué)管理和配比。施工期間，特別是混凝土的養(yǎng)護(hù)，涉及的因素很多，應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行施工。因地制宜地采取措施，要及早管理好今后的具體工作，做好防控工作，可以更好地控制可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)個(gè)裂縫的問題。另外，大體積混凝土中可能出現(xiàn)的情況有很多，本文只是一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，在具體研究中可能無法給出全面的解釋，希望未來能夠技術(shù)創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)。