淺談混凝土的施工溫度與裂縫

王長軍 趙明霞

[關鍵詞]混凝土;溫度;裂縫

混凝土在現(xiàn)代工程建設中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂縫較為普遍,在橋梁工程中裂縫幾乎無所不在。盡管我們在施工中采取各種措施,小心謹慎,但裂縫仍然時有出現(xiàn)。究其原因,我們對混凝土溫度應力的變化注意不夠是其中之一。

一、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,以及結構不合理,原材料不合格(如堿骨料反應),模板變形,基礎不均勻沉降等?；炷劣不陂g水泥放出大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或老混凝上的約束,又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時,即會出現(xiàn)裂縫。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)護不周、時干時濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也往往導致裂縫。混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,短期加荷時的極限拉伸變形只有(0.6～1.0)×104,長期加荷時的極限位伸變形也只有(1.2～2.0)×104,由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象,在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低,易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中,拉應力主要是由鋼筋承擔,混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內(nèi)出現(xiàn)了拉應力,則需依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現(xiàn)拉應力或者只出現(xiàn)很小的拉應力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩(wěn)定溫度,往往在混凝土內(nèi)部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其他外荷載所引起的應力,因此掌握溫度應力的變化規(guī)律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

二、溫度應力的分析

根據(jù)溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:(1)早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約30天。這個階段的兩個特征,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,這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應力。(2)中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止,這個時期中,溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,在此期間混凝土的彈性模量變化不大。(3)晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

根據(jù)溫度應力引起的原因可分為兩類:(1)自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內(nèi)部溫度是非線性分布的,由于結構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力。例如,橋梁墩身,結構尺寸相對較大,混凝土冷卻時表面溫度低,內(nèi)部溫度高,在表面出現(xiàn)拉應力,在中間出現(xiàn)壓應力。(2)約束應力:結構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力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。

三、溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫,減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手?？刂茰囟鹊拇胧┤缦?(1)采用改善骨料級配,用干硬性混凝土,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;(2)拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;(3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;(4)在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫;(5)規(guī)定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;(6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷季節(jié)采取保溫措施;

改善約束條件的措施是:(1)合理地分縫分塊;(2)避免基礎過大起伏;(3)合理地安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露;

此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養(yǎng)護,防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫是十分重要,應特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復其結構的整體性是十分困難的,因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

加筋對大體積混凝土的溫度應力影響很小,因為大體積混凝土的含筋率極低。只是對一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下,鋼的各項性能是穩(wěn)定的,而與應力狀態(tài)、時間及溫度無關。為保證混凝土工程質(zhì)量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑,筆者在實踐中總結出其主要作用為:

(1)混凝土中存在大量毛細孔道,水蒸發(fā)后毛細管中產(chǎn)生毛細管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力,但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在上世紀60年代就已被國際上所確認。

(2)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%。

(3)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補充。

(4)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。

(5)提高水泥漿與骨料的黏結力,提高的混凝土抗裂性能。

(6)混凝土在收縮時受到約束產(chǎn)生拉應力,當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產(chǎn)生。減水防裂劑可有效地提高混凝土抗拉強度,大幅提高混凝土的抗裂性能。

(7)摻加外加劑可使混凝土密實性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,減少碳化收縮。

(8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當,在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。

(9)摻外加劑混凝土和易性好,表面易抹平,形成微膜,減少水分蒸發(fā),減少干燥收縮?！?編輯/丹桔)