大體積混凝土裂縫及溫度應(yīng)力研究

周欣欣+李鐵軍

摘要：混凝土中的水泥在水化過程中放熱使混凝土溫度升高，造成混凝土體積膨脹，當(dāng)放熱減少會造成混凝土體積減小，這樣一來就形成了混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉抗剪強(qiáng)度時會產(chǎn)生裂縫，輕者降低混凝土的使用性和耐久性，嚴(yán)重時將影響混凝土的結(jié)構(gòu)及使用安全。文章對大體積混凝土裂縫及溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；溫度裂縫；溫度應(yīng)力；溫控防裂措施；配合比；工程建設(shè) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU55 文章編號：1009-2374（2017）06-0141-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.071

在工程建設(shè)中，一些大型工程如泵站、港口、橋梁等都涉及到大體積混凝土結(jié)構(gòu)，這些工程的結(jié)構(gòu)尺寸大，在現(xiàn)場澆筑以后，混凝土內(nèi)部的水泥水化熱量大，易造成混凝土溫度升高同時熱量難以散發(fā)，在混凝土邊緣和內(nèi)部形成較大的溫差，進(jìn)而引發(fā)溫度應(yīng)力。在溫度應(yīng)力作用下，混凝土體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生開裂。盡管造成大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因很多，除了人為設(shè)計的不合理、混凝土配合比不當(dāng)、施工環(huán)境差以及材料本身的問題外，最復(fù)雜也最難以控制的是混凝土內(nèi)部水泥水化熱散失后，在大型混凝土內(nèi)部因為降溫而產(chǎn)生溫度裂縫。因此，研究混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因以及溫度對裂縫的控制機(jī)理，對研究相應(yīng)的溫度裂縫控制措施具有重要的意義。

1 混凝土溫度應(yīng)力

1.1 基本概念

物體在受到溫度變化的影響時會產(chǎn)生溫度變形，將物體四周固定好，物體升溫時會發(fā)生膨脹，由于四周的限制，物體無法膨脹而會在內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；物體降溫時發(fā)生收縮受到四周的限制，因為溫度的變化使得物體內(nèi)產(chǎn)生的力無法傳遞至外界，內(nèi)部會產(chǎn)生壓應(yīng)力或拉應(yīng)力，這種因溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力就是溫度應(yīng)力。當(dāng)混凝土的溫度降低時，混凝土內(nèi)部降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力可能使其內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力裂縫。對于處于嵌固狀態(tài)新澆筑的混凝土，當(dāng)混凝土內(nèi)部的升降溫的幅度達(dá)到12℃～20℃時，后期混凝土降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超過混凝土的極限拉應(yīng)力而造成混凝土被拉裂。

1.2 產(chǎn)生原因

混凝土在進(jìn)行澆筑時候，其組成成分水泥遇水發(fā)生水化作用，并釋放大量熱量。研究表明，水泥的水化放熱量一般為200～400kJ/kg。對于大體積混凝土，這種熱量可以使內(nèi)部的混凝土溫度上升超過30℃，加上混凝土本身的溫度，則混凝土中的最高溫度會達(dá)到70℃。大體積混凝土由于水泥水化時放出大量的熱量，加上本身體積較大、密封性好，因此具有一定的保溫性能，往往會導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部溫升幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面溫升幅度。由于大體積混凝土在升溫峰值后會發(fā)生降溫，且內(nèi)部因為密封性導(dǎo)致其降溫速度又比表面慢。在這些溫度變化過程中，混凝土不斷發(fā)生溫度的升降變化，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。對于大體積混凝土而言，其熱量散發(fā)周期長，一般將混凝土放熱分為兩個階段：在初期階段，混凝土中放熱速度很快，尤其是內(nèi)部的發(fā)熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散熱速度，內(nèi)部溫度急劇升高，大體積混凝土在內(nèi)部熱量集聚的情況下受熱后體積發(fā)生膨脹；在后期階段，大體積混凝土放熱量大幅度降低，隨著持續(xù)對外大量散熱而溫度降低，混凝土發(fā)生體積收縮。由于混凝土在不斷膨脹或收縮過程中會受到地基或基礎(chǔ)的約束，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力。

1.3 分類

1.3.1 自生應(yīng)力。當(dāng)混凝土沒有其他空間限定條件時，無論混凝土內(nèi)部溫度如何變化，都不會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)混凝土受到外界約束，混凝土內(nèi)部的溫度變化在一定的約束條件下容易形成應(yīng)力，即為自生應(yīng)力。這種應(yīng)力的形成多是在混凝土澆筑初期混凝土內(nèi)部水泥水化作用釋放的熱量，短時間難以散發(fā)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高，體積膨脹應(yīng)力表現(xiàn)為混凝土表面的拉應(yīng)力。

1.3.2 約束應(yīng)力。當(dāng)大體積混凝土邊界受約束時，外界約束條件為限制內(nèi)外溫度差造成的變形而產(chǎn)生了溫度應(yīng)力。澆筑的試塊冷卻時受到地基的約束產(chǎn)生的應(yīng)力即為約束應(yīng)力。一般混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力為溫度應(yīng)力和約束應(yīng)力的疊加。混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力受混凝土彈性模量的變化及徐變特性造成影響?；炷翉椥阅Ａ繌臐仓胶笃谥鸩阶兇蟛②呄蚍€(wěn)定，由于后期的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前期的彈性模量，導(dǎo)致溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力在抵消溫升產(chǎn)生的壓應(yīng)力后仍會存在多余的拉應(yīng)力。盡管混凝土徐變對應(yīng)力的影響會逐漸減小，但對工程結(jié)構(gòu)而言，可減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力。

2 混凝土溫度裂縫產(chǎn)生原因

2.1 水泥水化熱

對于大體積混凝土，在混凝土澆筑和運(yùn)行中，由于體積過大，混凝土散熱差，水泥與水反應(yīng)所產(chǎn)生的水化熱不能及時從混凝土內(nèi)部散出，導(dǎo)致內(nèi)部中心部位溫度快速升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土表面溫度，這樣就在混凝土內(nèi)部形成分布不均的溫度場。由于內(nèi)外約束的存在，易產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力，當(dāng)其超過容許值時，會產(chǎn)生溫度裂縫。

2.2 環(huán)境及澆筑溫度

澆筑溫度是混凝土溫度場的環(huán)境溫度，也是混凝土內(nèi)部的初始溫度，環(huán)境溫度對混凝土溫度場的分布具有重要影響。當(dāng)澆筑溫度較高時或者混凝土受到較大幅度的環(huán)境溫度變化都會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，因此我國對混凝土的澆筑溫度給出了明確的規(guī)定，在28℃以內(nèi)為宜。

2.3 約束條件

混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力的一個關(guān)鍵因素就是約束條件。一旦混凝土因為溫度不均產(chǎn)生溫差時，如果沒有約束條件，自身變形沒有約束條件，應(yīng)力能得以釋放；但當(dāng)存在外界的約束時，使其自身變形得到約束，易形成溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的變形極限時就會產(chǎn)生溫度裂縫。

2.4 干縮影響

混凝土的凝結(jié)過程是由于水化反應(yīng)會消耗混凝土結(jié)構(gòu)中的水分，使得游離態(tài)的水分子變成結(jié)合態(tài)，與此同時，水化作用過程會產(chǎn)生大量的水化熱，加快水分的蒸發(fā)，這些過程均會導(dǎo)致混凝土發(fā)生收縮變形。當(dāng)混凝土受到外部約束時，在內(nèi)部會產(chǎn)生收縮應(yīng)力，同時因為水分的蒸發(fā)產(chǎn)生干縮應(yīng)力，導(dǎo)致干縮縫的產(chǎn)生。

3 混凝土溫控防裂措施研究

3.1 澆筑前材料預(yù)冷和澆筑后冷卻散熱

澆筑前預(yù)冷是在混凝土澆筑前提前對混凝土澆筑材料和混凝土澆筑設(shè)備等進(jìn)行冷卻，以使混凝土澆筑時的溫度低于設(shè)計的最高混凝土澆筑溫度。其中混凝土澆筑材料包括水泥、粗細(xì)骨料和鋼筋，澆筑拌合用水等。水泥通常堆放在冷棚或涼棚內(nèi)，粗細(xì)骨料堆場搭蓋涼棚，澆筑前灑冰水。拌合用水溫度控制在0℃～5℃之間，在混凝土中添加冰水混合物或冰粒也是一種可靠可行的降溫措施。

澆筑大體積混凝土所產(chǎn)生的水化熱是混凝土成型過程中主要的熱量來源，會導(dǎo)致內(nèi)部中心部位溫度快速升高。澆筑后冷卻散熱（即在混凝土澆筑完成后及時排走產(chǎn)生的水化熱）是最直接有效的散熱措施。通常在混凝土結(jié)構(gòu)中提前埋置蛇形冷卻管，在澆筑下料過程中和澆筑成型后，在冷卻管內(nèi)通冷卻水或冷卻空氣，及時排走混凝土內(nèi)部水化熱產(chǎn)生的熱量直至結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。該方法散熱效果更直接，冷卻效率高，施工靈活?；炷翝仓罄鋮s散熱能減少混凝土內(nèi)部高溫和表面低溫形成較大的溫度差，從而減少混凝土的開裂。

另外，混凝土運(yùn)輸過程中通過壓縮冷卻空氣來及時排走混凝土拌合過程中的水化熱也是一種切實可行的降低混凝土水化熱的措施。

3.2 外界溫度梯度控制

在施工準(zhǔn)備階段要做好外界環(huán)境、澆筑溫度等環(huán)境因素分析，提前做好溫控措施盡量使每個溫度梯度降至最低，在最大程度上控制結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。實踐表明，日內(nèi)氣溫的變幅、溫度的持續(xù)降低都會導(dǎo)致混凝土溫度應(yīng)力的提高，外界溫度高則有利于溫度應(yīng)力的減小，利于混凝土溫度的控制。在進(jìn)行大體積混凝土設(shè)計時，要參考當(dāng)?shù)氐臍鉁貧夂蛞?guī)律，在滿足工程整體工期的前提下，盡可能地選取回暖、晝夜溫差小的時段進(jìn)行澆筑。對大體積混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時，要確?；炷翜囟忍荻瓤刂圃诶瓚?yīng)力容許的范圍內(nèi)，結(jié)合相應(yīng)的人工措施，如鼓風(fēng)、灑水等，對溫度梯度進(jìn)行綜合全面控制。

3.3 外覆保溫層養(yǎng)護(hù)

通過對不同混凝土外覆不同的保溫層可有效降低混凝土的溫度應(yīng)力。由于其施工方便，且對混凝土溫度裂縫具有良好的控制作用，被廣泛應(yīng)用在大體積混凝土的工程施工中。要做好混凝土的保溫作業(yè)，可通過在混凝土表面敷設(shè)保溫材料來減小混凝土表面的放熱過程，實現(xiàn)對混凝土的保溫，降低混凝土溫度場的差異程度。保溫層的選擇在于保溫系數(shù)的選擇，保溫系數(shù)要根據(jù)工程投資、混凝土施工進(jìn)度、施工效率來綜合考慮。一般來說保溫層的放熱系數(shù)越小，外界對結(jié)構(gòu)溫度的影響越小，對混凝土的保溫效果也越好。因此要根據(jù)不同工程，綜合考慮實際施工條件、氣候環(huán)境和效率等因素，在條件允許的情況下，先對不同組合進(jìn)行仿真分析，綜合選擇最優(yōu)的保溫措施。

4 結(jié)語

大體積混凝土水化過程放熱量大，加上本身散熱環(huán)境差，容易造成體積膨脹；當(dāng)放熱減少又會造成混凝土體積的減小，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此要做好混凝土的溫度應(yīng)力控制，避免因過大的應(yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫。

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作者簡介：周欣欣（1986-），女，湖南長沙人，中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司工程師，研究方向：市政結(jié)構(gòu)。

（責(zé)任編輯：王 波）