大體積混凝土結(jié)構(gòu)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(jīng)濟的發(fā)展，對工程建設(shè)規(guī)模的擴大，大體積混凝土結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)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(dǎo)路徑和環(huán)境，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(xiàn)溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性；其次，在施工過程中，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)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(shè)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(fā)引起的體積縮小，出現(xiàn)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(nèi)部溫度升高，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，不能自由拉伸，在混凝土的拉應(yīng)力范圍內(nèi)產(chǎn)生。如果固化不好、時干時濕、表面干縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生;

(3)施工裂縫時，活性混合料應(yīng)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(guī)定標準的，可憐的水泥穩(wěn)定導(dǎo)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(xué)腐蝕的堿骨料反應(yīng)和鋼筋銹蝕導(dǎo)致開裂。

三、大體積混凝土溫度裂縫的成因

如上所述，結(jié)構(gòu)物在實際使用中承受各種載荷。當結(jié)構(gòu)的抗拉強度不足以抵抗荷載時，結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)裂縫。外荷載直接應(yīng)力和二次應(yīng)力、溫度變化、收縮和不均勻沉降都會產(chǎn)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(shù)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(yīng)

混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布是指某一時刻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面各點的溫度狀態(tài)，當澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土內(nèi)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(nèi)部會有不同的溫度狀態(tài)。由于混凝土結(jié)構(gòu)受各種自然環(huán)境條件的影響。結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面通過輻射、對流和傳導(dǎo)與周圍的空氣介質(zhì)不斷交換。

(二)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的約束

當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對變形時，結(jié)構(gòu)和內(nèi)部點之間就會產(chǎn)生約束。約束可以分為“外部約束”和“內(nèi)部約束”。

大體積混凝上受到的約束也包括外約束和內(nèi)約束。外部約束通常來自地基土、基礎(chǔ)等混凝土膨脹或收縮變形的障礙。內(nèi)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(nèi)部到外部溫度變化是非線性的，這使得混凝土內(nèi)部和外部部分之間存在著約束關(guān)系。在加熱階段，外部混凝土限制了內(nèi)部混凝土的膨脹。在冷卻階段，內(nèi)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(fā)生在外部混凝土的拉應(yīng)力，即約束應(yīng)力。

由于對環(huán)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(fā)生變化，但由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，在混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件將出現(xiàn)較大的溫度梯度，溫度變化發(fā)生作用下混凝土的變形，但是因為這外部和內(nèi)部制約因素的存在，混凝土變形受到抑制，當結(jié)合超過強度極限時，混凝土開裂。

內(nèi)部約束通常導(dǎo)致局部裂縫，對結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(guān)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(nèi)、外混凝土之間的溫差會很大增加，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，大量的實踐證明，寒冷地區(qū)，室外空氣溫度的變化是大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因。

四、大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的控制措施

(一)適當調(diào)節(jié)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(nèi)部和外部的溫度差，內(nèi)部溫度差(如果舊混凝土或巖石地基應(yīng)嚴格控制內(nèi)部溫度，防止裂縫的產(chǎn)生。內(nèi)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(jié)構(gòu)類，基本約束條件下，內(nèi)外溫差可控制在25以內(nèi)。

(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(shè)置簡易遮陽裝置和水預(yù)冷骨料，減少混凝土攪拌和澆注溫度。氣溫高澆灌混凝土?xí)r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(yīng)預(yù)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(yīng)加強養(yǎng)護

在寒冷的天氣里，混凝土表面應(yīng)該與寒潮絕緣。對于薄壁結(jié)構(gòu)，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(fù)地基。在寒冷季節(jié)，對混凝土澆筑面或薄壁結(jié)構(gòu)采取保溫措施是必要的。蒸汽養(yǎng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力和表面應(yīng)力的疊加和水化熱，結(jié)合混凝土的干燥收縮，表面張力應(yīng)力達到很大的數(shù)值，導(dǎo)致裂縫。如果表面覆蓋有輕質(zhì)保溫材料，如泡沫和海綿，對防止混凝土表面產(chǎn)生過大的張力有顯著效果。

五、結(jié)語

總結(jié)大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，一般有下列規(guī)律:大體積混凝土體積大，容易開裂；結(jié)構(gòu)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(shù)問題，而且與材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工環(huán)境的選擇息息相關(guān)。這就要求我們在具體的工程實踐中，考慮因素、選材、優(yōu)化設(shè)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(shù)的不斷發(fā)展，新的施工技術(shù)和新材料不斷涌現(xiàn)，大體積混凝土溫度裂縫的工程問題才得以徹底解決。