淺議大體積混凝土溫度裂縫的成因及控制方法

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大體積混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，施工中的大體積混凝土溫度裂縫問題日顯突出，并成為具有相當(dāng)普遍性的問題。本文從大體積混凝土溫度裂縫的成因出發(fā)，從兩個(gè)方面分析了裂縫產(chǎn)生的原因，并針對裂縫產(chǎn)生的原因提出了相應(yīng)的控制措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土 溫度裂縫 成因 控制方法

一、引言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用，如各種形式的混凝土大壩、高層建筑的地下室混凝土底板以及很多大型設(shè)備的基礎(chǔ)承臺等都是用大體積混凝土澆筑而成的。對于大體積混凝土，由于體積大，水化熱量與環(huán)境的熱交換路徑長，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布極不均勻，嚴(yán)重時(shí)引起混凝土開裂。因此，對于大體積混凝土溫度問題所引起的裂縫的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

二、大體積混凝土溫度裂縫的成因

結(jié)構(gòu)物在實(shí)際使用中承受各種荷載，當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)就可能出現(xiàn)裂縫。外荷載的直接應(yīng)力和次應(yīng)力、溫度變化、縮脹以及不均勻沉降等都會產(chǎn)生裂縫。簡單地說，大體積混凝土由溫度引起的裂縫是一種由變形變化引起的裂縫。這種裂縫的起因是溫度變化引起變形，當(dāng)變形得不到滿足才引起應(yīng)力，且應(yīng)力超過一定數(shù)值時(shí)就會使混凝土產(chǎn)生裂縫。其主要成因是:

1、溫度及溫度效應(yīng)

混凝土結(jié)構(gòu)物的溫度分布是指某一時(shí)刻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面各點(diǎn)的溫度狀態(tài)，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)澆筑后，由于混凝土內(nèi)部的水化熱、外界的太陽輻射以及氣溫變化等因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會處于不同的溫度狀態(tài)。影響混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布的因素主要有內(nèi)部和外部兩大類:

(1)外界條件的影響

自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)物，受大氣溫度變化作用，而各種氣象因素在一年四季、每天甚至每時(shí)每刻都在發(fā)生變化?；炷两Y(jié)構(gòu)中發(fā)生的溫度變化，與結(jié)構(gòu)的方位、表面朝向很有關(guān)系。結(jié)構(gòu)的水平表面最高溫度發(fā)生在中午太陽輻射最強(qiáng)烈時(shí)刻之后，同時(shí)在混凝土結(jié)構(gòu)物的向陽面與背陽面間發(fā)生最大溫差；垂直表面上的最高溫度隨表面朝向不同在不同時(shí)刻出現(xiàn)，同時(shí)發(fā)生壁厚方向的最大溫差分布。

(2)內(nèi)部條件的影響

混凝土的基本材料之--水泥，是一種在水化時(shí)會釋放出大量熱量的材料。水泥水化釋放的水化熱會引起混凝土澆筑塊內(nèi)部溫度劇烈變化，是影響混凝土溫度分布的主要內(nèi)部因素。

2、大體積混凝土結(jié)構(gòu)的約束

當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對變形時(shí)，結(jié)構(gòu)之間、結(jié)構(gòu)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間都可能產(chǎn)生約束。約束可以分為“外約束”與“內(nèi)約束”兩大類。

(l)外約束

一個(gè)物體的變形可能受到其它物體的阻礙、一個(gè)結(jié)構(gòu)的變形可能受到其他結(jié)構(gòu)的限制，這種物體與物體之間、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的相互牽制作用稱為“外約束”。如混凝土筏板熱脹冷縮時(shí)受到樁、地基土等的阻礙即屬于外約束。

(2)內(nèi)約束

一個(gè)物體或構(gòu)件本身各質(zhì)點(diǎn)之間的相互牽制作用稱為“內(nèi)約束”。通常，在一個(gè)物體或構(gòu)件的不同部位可能有不同的溫度和收縮變形，例如一個(gè)混凝土筏板，其截面上各點(diǎn)的溫度一般呈現(xiàn)非線性關(guān)系，從而產(chǎn)生非線性不均勻變形，使筏板內(nèi)產(chǎn)生自約束及自約束應(yīng)力。但是由于這種自約束應(yīng)力是由非線性的不均勻變形引起的，所以只能使構(gòu)件產(chǎn)生局部裂縫(表面或中部)。

三、控制方法

在大體積混凝土工程施工中，控制混凝土澆筑塊體因水化熱引起的溫升、混凝土塊體的內(nèi)外溫差及降溫速度，是防止混凝土出現(xiàn)有害溫度裂縫的關(guān)鍵。

1、設(shè)計(jì)階段控制

（1）盡可能選用強(qiáng)度等級低的混凝土，充分利用后期強(qiáng)度

隨著高層建筑和超高層建筑的不斷出現(xiàn)，大體積混凝土的強(qiáng)度日益增大，出現(xiàn)C40--C50等高強(qiáng)混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度過高，水泥用量大，水化熱量高。而高層建筑的建設(shè)周期長，在混凝土的早齡期，荷載遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)荷載值，可以利用混凝土的60d或90d后期強(qiáng)度，這樣可以減少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土澆筑塊體的溫度升高。

（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段考慮溫度應(yīng)力和設(shè)計(jì)荷載共同作用，對結(jié)構(gòu)的溫度場進(jìn)行仿真分析，確定最高溫度以及溫差最大的位置，對溫度應(yīng)力和收縮力進(jìn)行驗(yàn)算，為施工階段進(jìn)行有目的地控制提供理論依據(jù)，同時(shí)為合理進(jìn)行分塊分層澆筑混凝土提供指導(dǎo)。

（3）設(shè)置構(gòu)造鋼筋

大體積混凝土基礎(chǔ)除應(yīng)滿足承載力和構(gòu)造要求外，還應(yīng)增配承受因水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力控制裂縫開展的鋼筋，以構(gòu)造鋼筋來控制裂縫，配筋盡可能采用小直徑、小間距。

（4）選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和分縫分塊

結(jié)構(gòu)形式對溫度應(yīng)力以及裂縫的產(chǎn)生具有重要影響。特別是在寒冷地區(qū)，應(yīng)盡量少用薄壁結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸”诮Y(jié)構(gòu)對溫度變化很敏感。澆筑塊尺寸對溫度應(yīng)力也有重要影響，澆筑塊越大，溫度應(yīng)力也越大，越容易產(chǎn)生裂縫。。

2、施工階段控制

（1）合理選擇原材料、優(yōu)化混凝土配合比

按照混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求合理選擇原材料、優(yōu)化混凝土配合比使混凝土的絕熱溫升較小、抗拉強(qiáng)度較大、極限拉伸變形能力較大、線膨脹系數(shù)較小。

（2）用分層連續(xù)澆筑或推移式連續(xù)澆筑混凝土

為了有效降低大體積混凝土的內(nèi)外溫差，在大體積混凝土施工過程中常采用分塊澆筑。分塊澆筑又可分為分層澆筑法和分段跳倉澆筑法兩種。

（3）保溫養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完畢后，應(yīng)及時(shí)按溫控技術(shù)措施的要求進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，并應(yīng)符合下列規(guī)定：①保溫養(yǎng)護(hù)措施，應(yīng)使混凝土澆筑塊體的里外溫差及降溫速度滿足溫控指標(biāo)的要求；②保溫養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)溫度應(yīng)力(包括混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力)加以控制、確定，但不得少于15d，保溫覆蓋層的拆除應(yīng)分層逐步進(jìn)行；③在保溫養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)保持混凝土表面的濕潤。

（4）采用二次振搗技術(shù)，改善混凝土強(qiáng)度，提高抗裂性

當(dāng)混凝土澆筑后即將凝固時(shí)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)再振搗，可以增加混凝土的密實(shí)度，減少內(nèi)部微裂縫。但必須掌握好二次振搗的時(shí)間間隔(2h為宜)，否則會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，起到相反的結(jié)果。

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作者簡介：劉德軍，濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主攻方向：建設(shè)工程計(jì)量與計(jì)價(jià)！