工程建設(shè)中混凝土的施工溫度與裂縫研究

范志濤 張 強(qiáng)

摘要:根據(jù)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀察,查約有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專著,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)行簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞:混疑土;溫度應(yīng)力;裂縫;控制

混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。而混凝土的裂縫較為普遍,盡管在施工中采取各種措施,但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)。對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。在大體積混凝土中,溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。首先,在施工中混凝土常出現(xiàn)溫度裂縫,影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次,在混凝土施工過(guò)程中,溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫,因此本文僅對(duì)施工中混凝土裂縫的成因和處理措施進(jìn)行探討。

1 裂縫的原因

混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結(jié)構(gòu)不合理,原材料不合格(如堿骨料反應(yīng)),模板變形,基礎(chǔ)不均勻沉降等。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,導(dǎo)致內(nèi)部裂縫?；炷潦且环N脆性材料,抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右,短期加荷時(shí)的極限拉伸變形與長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限拉伸變形相差不大。由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,以及運(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)度又不均勻,存在著許多抗拉能力很低、易出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。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。在素混凝土內(nèi)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,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使用時(shí)期的穩(wěn)定溫度,往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力可超過(guò)其它外荷載所引起的應(yīng)力,因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。

2 溫度應(yīng)力的分析

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為三個(gè)階段:

早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束,一般約為30天。其特征是,一是水泥放出的大量的水化熱,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)形成殘余應(yīng)力。

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)力相疊加,在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

晚期:混凝土完全冷卻以后的使用時(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。

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類:

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,由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。

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。

這兩種溫度應(yīng)力和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小比較復(fù)雜,計(jì)算混凝土溫度應(yīng)力時(shí),必須考慮徐變的影響。

3 溫度的控制和防止裂縫的兩項(xiàng)措施

3.1 控制溫度的措施如下:

采用改善骨料級(jí)配,用干硬性混凝土,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;拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻降低混凝土的澆筑溫度;熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;在混凝土中埋設(shè)水管,通過(guò)冷水降溫;規(guī)定合理的拆膜時(shí)間,氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇溫度梯度;施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu),在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

3.2 改善約束條件的措施:

合理的分縫分塊;避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏;合理的安排施工工序,避免過(guò)大高差的側(cè)面長(zhǎng)期暴露。

改善混凝土的性能,提高抗裂能力,防止表面于縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫十分重要,應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性十分困難,因此施工中應(yīng)以預(yù)防裂縫的發(fā)生為主。

混凝土的施工中,為了提高模板的周轉(zhuǎn)率,要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間,以免引起表面的早期裂縫。新澆筑混凝土早期拆模,在表面引起很大的拉應(yīng)力,出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在澆筑初期,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)混凝土表面溫度亦較環(huán)境氣溫高,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-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),但可以在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋輕型保溫材料。鋼筋對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小,只對(duì)一般鋼筋混凝土有影響。溫度不太高及應(yīng)力低于屈服極限的條件下,鋼的各項(xiàng)性能是穩(wěn)定的,而與應(yīng)力狀態(tài)、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,溫度變化時(shí)兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應(yīng)力。鋼筋的彈性模量為混凝土彈性模量的7-15倍,當(dāng)內(nèi)混凝土應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開裂時(shí),鋼筋的應(yīng)力將不超過(guò)100-200kg/cm2。利用鋼筋防止細(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。

為保證混凝土工程質(zhì)量,防止開裂,提高混凝土耐久性,正確使用外加劑是減少開裂的措施之一。如使用減水防裂劑,筆者在實(shí)踐中總結(jié)出其主要作用:

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,是混凝土干縮變形。增大毛細(xì)管孔徑可降低毛細(xì)管表面張力,但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低;水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%;水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂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;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;提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力,提高的混凝土抗裂性能;混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(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。減水防裂劑可有效提高的混凝土抗拉強(qiáng)度,大幅提高混凝土抗裂性能;外加劑可使混凝土密實(shí)性好,有效地提高混凝土抗碳化性,減少碳化收縮;減水防裂劑可使混凝土緩凝時(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)的塑性收縮增加;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。

4 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明,混凝土常見(jiàn)不同深度的表面裂縫,其主要原因是溫度梯度造成寒冷地區(qū)的溫度驟降形成的裂縫。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā),保溫應(yīng)達(dá)到下述要求:

防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫。

防止混凝土超冷,應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。

防止老混凝土過(guò)冷,以減少新老混凝土間的約束。

混凝土的早期養(yǎng)護(hù),主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達(dá)到兩個(gè)方面的效果,一是使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮。二是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。

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。

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,表面混凝土容易直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵時(shí)期.在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來(lái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

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)踐上的初步探討,雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論,但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見(jiàn)比較統(tǒng)一,在實(shí)踐中的應(yīng)用效果較好,具體施工中要靠多觀察、多比較,多分析、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防處理措施,混凝土的裂縫是可以避免的。