淺析混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生與控制

路東生

[摘要]通過(guò)多年施工經(jīng)歷及現(xiàn)場(chǎng)觀察，本文對(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)行了闡述。

[關(guān)鍵詞]混凝土；溫度應(yīng)力；裂縫

混凝土的裂縫較為普遍，本文從分析施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫的原因人手，就溫度應(yīng)力、溫度控制及溫度裂縫處理做了一探討。

1溫度裂縫的原因

混凝土產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要有溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，結(jié)構(gòu)的不合理，原材料不合格(如堿骨料反應(yīng))，模板變形以及基礎(chǔ)不均勻沉降等。其中，溫度變化是施工中產(chǎn)生裂縫常見(jiàn)的原因。其機(jī)理大致如下：

1.1混凝土是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1／10左右，由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。

1.2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)力超出混凝土的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。

1.3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)于時(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。

1.4在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土或鋼筋混凝土的邊緣部位，如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度，往往在這些部位易引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，從而也易出現(xiàn)裂縫。

由上可見(jiàn)，由于溫度變化導(dǎo)致混凝土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力是施工中裂縫產(chǎn)生的最主要、最常見(jiàn)的原因。

2溫度應(yīng)力的分析

溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下三個(gè)階段：

2.1早期：自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天。這個(gè)階段的兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是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)形成了殘余應(yīng)力。

2.2中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中，溫度應(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)力疊加形成。

2.3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)力相迭加形成拉應(yīng)力。相應(yīng)溫度應(yīng)力引起的原因，混凝土中溫度應(yīng)力可分為如下兩類：

2.3.1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。

2.3.2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。此外，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，減輕溫度應(yīng)力，筆者認(rèn)為應(yīng)從控制溫度和改善約束條件兩方面著手。

3.1控制溫度的措施

3.1.1改善骨料級(jí)配，用于硬性混凝土，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。

3.1.2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。

3.1.3熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱。

3.1.4在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫。

3.1.5規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫。在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高，此時(shí)拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一定拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，因此，在混凝土的施工中，在混凝土的施工中，應(yīng)考慮拆模的適當(dāng)時(shí)間。如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一層輕型保溫材料，如泡沫海綿等，對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

3.1.6混凝土的早期養(yǎng)護(hù)?；炷恋脑缙陴B(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，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。適宜的溫濕條件有兩個(gè)方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫度、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面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。

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)。

3.2改善約束條件的措施

3.2.1合理地分縫分塊。

3.2.2避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏。

3.2.3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。

3.2.4大體積混凝土中合理加筋。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。在溫度不太高及應(yīng)力低于屈服極限的條件下，鋼筋的各項(xiàng)性能是穩(wěn)定的，其應(yīng)力狀態(tài)與時(shí)間及溫度無(wú)關(guān)。鋼筋的線脹系數(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。由于鋼筋的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍，當(dāng)混凝土內(nèi)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)100～200Kg/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。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。

3.2.5正確使用外加劑。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，例如使用減水防裂劑，筆者在實(shí)踐中總結(jié)出其主要作用為：(1)混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形，增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。因而，使用減水劑降低混凝土的用水量，可有效減少混凝土的收縮。(2)水泥用量也是混凝土收縮的重要因素，摻加減水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，從而提高混凝土抗裂性能。(5)混凝土在收縮時(shí)受到約束拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)產(chǎn)生。減水劑可有效的提高的混凝土抗拉強(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。(8)摻外加劑混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮。

我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究，正確使用外加劑，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結(jié)束語(yǔ)

總之，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的。

本文只對(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)踐上的初淺探討，具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現(xiàn)問(wèn)題后多分析、多總結(jié)，結(jié)合多種預(yù)防處理措施，混凝土的裂縫是完全可以避免的。