大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫成因及預(yù)防

劉文化，劉艷玲

（1. 紹興工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，浙江 紹興 312000，2. 中國(guó)人民解放軍63888部隊(duì)，河南 濟(jì)源 454650）

1 引言

高層、超高層建筑以及高聳結(jié)構(gòu)建筑物、大型設(shè)備的基礎(chǔ)，都是截面尺寸較大、較厚的鋼筋混凝土底板，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

混凝土是一種多元、多相、非勻質(zhì)水泥基復(fù)合材料?；炷劣质菑椥阅Ａ枯^高而抗拉強(qiáng)度較低的材料，在受約束條件下只要發(fā)生少許收縮，產(chǎn)生的拉應(yīng)力往往會(huì)大于該齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫。大體積混凝土由于截面尺寸較大，在混凝土硬化期間水泥水化過(guò)程中所釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮，以及外界約束條件的共同作用，而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力是導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要因素。本文就重點(diǎn)談?wù)劵炷翜囟攘芽p產(chǎn)生的原因和防止產(chǎn)生裂縫的措施。

2 大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因分析

2.1 水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力和溫度變形，即內(nèi)外溫差影響

大體積混凝土澆筑后，水泥的水化熱很大，每克水泥水化熱釋放出大約500 J的熱量。另外，一般每100 kg水泥可使混凝土溫度升高 10 ℃左右，加上混凝土的入模溫度，在澆筑后的2 d～3 d內(nèi)，混凝土的內(nèi)部溫度可達(dá)到50 ℃～80 ℃。由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能低，使得熱量難以擴(kuò)散到環(huán)境中去，聚集在內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，混凝土的內(nèi)部溫度將顯著升高。同時(shí)由于混凝土表面散熱較快，這樣就容易形成較大的內(nèi)外溫差，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。而混凝土的線膨脹系數(shù)約為 10×10－6/℃，即溫度每升高或降低 10 ℃，混凝土?xí)a(chǎn)生0.01 %的線膨脹或收縮。溫度應(yīng)力與溫差成正比，溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。當(dāng)混凝土內(nèi)部與表面溫差過(guò)大時(shí)，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于此時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度較低，就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。而混凝土內(nèi)部的溫度與混凝土厚度及水泥用量有關(guān)，混凝土愈厚，水泥用量愈大，內(nèi)部溫度愈高。所形成的溫度應(yīng)力與混凝土的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸愈大，溫度應(yīng)力也愈大，因而引起裂縫的可能性也越大。

2.2 外界溫度變化的影響

大體積混凝土在施工階段，經(jīng)常受到外界氣溫變化的影響（如寒潮來(lái)臨、冷空氣影響、暴雨襲擊、保溫層失效、撤除保溫層時(shí)間不當(dāng)以及過(guò)早拆模等）。混凝土內(nèi)部溫度是水泥水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和混凝土的散熱溫度三者的疊加，其中澆筑溫度與外界氣溫有直接關(guān)系。一般而言，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也越高。當(dāng)氣溫下降，特別是氣溫驟降，會(huì)大大增加外層混凝土與混凝土內(nèi)部的溫度梯度，引起混凝土外表面與環(huán)境產(chǎn)生溫差，從而形成溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

2.3 內(nèi)部約束條件的影響

大體積混凝土澆筑在基巖或陳舊混凝土?xí)r，由于基巖或陳舊混凝土的壓縮模量或彈性模量較高，當(dāng)溫度變化時(shí)，所產(chǎn)生的溫度變形受到基巖或陳舊混凝土的約束限制，而在新澆混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力。混凝土在早期溫度上升階段，約束阻止新澆混凝土的溫度膨脹變形，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力；而在降溫階段，新澆混凝土收縮（降溫收縮與干縮）受到較強(qiáng)的地基或基礎(chǔ)的約束而在內(nèi)部形成拉應(yīng)力。由于升溫較快，此時(shí)新澆混凝土的彈性模量較低，且徐變影響又較大，因此壓應(yīng)力較?。坏墙?jīng)過(guò)恒溫階段的降溫時(shí)，新澆混凝土的彈性模量已較大，形成的拉應(yīng)力也較大，除了抵消升溫產(chǎn)生的壓應(yīng)力外，還存在較高的拉應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度較小且約束較大時(shí)，由于拉應(yīng)力分布較均勻，從而產(chǎn)生貫穿全斷面的裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和造成滲漏。[1]

3 防止大體積混凝土溫度裂縫的主要措施

為了有效地控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，必須從控制混凝土的水化升溫、延緩降溫速率、改善約束條件等方面全面考慮，結(jié)合實(shí)際采取切實(shí)有效的措施。

3.1 減少水泥用量，降低水泥水化熱

（1）合理選擇混凝土的配合比，盡量選用水化熱低和安定性好的水泥，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥等。

（2）在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的條件下，盡可能減少水泥的用量，以減少水泥的水化熱。根據(jù)試驗(yàn)，每立方米混凝土減少10 kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)降低1 ℃。

（3）在混凝土中摻加超細(xì)礦物粉（如粉煤灰、超細(xì)礦渣等）代替部分水泥，減少水泥用量。

（4）在混凝土中摻入高效減水劑，提高混凝土強(qiáng)度，以減少水灰比。

（5）利用60 d或90 d的強(qiáng)度代替28 d強(qiáng)度，以減少水泥用量。

（6）采用中砂、粗骨料，如用5 mm～40 mm的石子代替5 mm～20 mm的石子，可減少水泥用量。

（7）在無(wú)筋或少筋的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，征求設(shè)計(jì)單位或有關(guān)部門同意后，可摻加不超過(guò)混凝土總量20 %的大石塊，減少混凝土的用量，從而降低水泥用量和降低水化熱。

（8）摻入適量的微膨脹劑（如UEA），可減少水泥用量。

（9）采用保溫法施工控制內(nèi)外溫差，即通過(guò)保溫材料（如草袋、鋸末、塑料布等）提高混凝土表面及四周散熱面的溫度。

（10）采用分層與分段澆筑法，使混凝土的水化熱能盡快散失。

（11）當(dāng)大體積混凝土平面尺寸過(guò)大時(shí)，可適當(dāng)設(shè)置后澆帶，以減少外約束力和溫度作用，同時(shí)也利于散熱，降低混凝土的內(nèi)部溫度。

3.2 降低混凝土入模溫度

（1）選擇適宜的溫度和時(shí)間澆筑混凝土，盡量避免炎熱天氣，如采取晚上澆筑。

（2）夏季可采用低溫水或冰水?dāng)嚢杌炷?，?duì)骨料可進(jìn)行護(hù)蓋或設(shè)置避免暴曬設(shè)施，對(duì)運(yùn)輸工具也可設(shè)置暴曬設(shè)施等。

（3）摻加相應(yīng)的緩凝性減水劑，如木質(zhì)素磺酸鈣等。

（4）在混凝土入模時(shí)，采取措施改善和加強(qiáng)入模的通風(fēng)，加速模內(nèi)熱量的散失。

3.3 加強(qiáng)施工中的溫度控制

（1）規(guī)定合理的拆模時(shí)間，做好混凝土長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，延緩降溫時(shí)間和速度，充分發(fā)揮混凝土的“應(yīng)力松弛效應(yīng)”。

（2）在混凝土澆筑后，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，緩慢降溫，充分發(fā)揮徐變特性，減低溫度應(yīng)力，夏季應(yīng)注意避免暴曬，注意保濕，冬季應(yīng)采取措施保溫覆蓋，以免發(fā)生急劇的溫度梯度發(fā)生。

（3）加強(qiáng)測(cè)溫和溫度監(jiān)測(cè)與管理，實(shí)行信息化控制，隨時(shí)控制混凝土內(nèi)的溫度變化，內(nèi)外溫差控制在 25 ℃以內(nèi)，基面溫差和基底溫差均控制在 20 ℃以內(nèi)，及時(shí)調(diào)整保溫及保濕措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不致過(guò)大。

（4）合理安排施工程序，控制混凝土在澆筑過(guò)程中均勻上升，避免混凝土拌合物堆積過(guò)大高差。在結(jié)構(gòu)完成后及時(shí)回填土，避免其側(cè)面長(zhǎng)期暴露。

（5）當(dāng)存在內(nèi)部溫差控制要求時(shí)，除了采取切實(shí)措施降低澆筑溫度外，主要應(yīng)設(shè)法降低水泥水化熱升溫，即在混凝土內(nèi)埋設(shè)蛇形冷卻水管，進(jìn)行通水冷卻，可降低內(nèi)部溫度6 ℃～10 ℃。

3.4 改善約束條件，削減溫度應(yīng)力

（1）采用分層或分塊澆筑大體積混凝土，合理設(shè)置水平或垂直施工縫，或在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置后澆帶，以放松約束程度，減少每次澆筑長(zhǎng)度的蓄熱量，以防止水化熱的聚集，減少溫度應(yīng)力。[2]

（2）當(dāng)大體積混凝土基礎(chǔ)設(shè)置于巖石類地基或舊的混凝土基礎(chǔ)上時(shí)，宜在大體積混凝土基礎(chǔ)與基巖或基礎(chǔ)與墊層之間設(shè)置滑動(dòng)層，可采取以下做法來(lái)消除嵌固作用，釋放約束應(yīng)力：①可采用一氈二油，在夏季施工時(shí)也可采用一氈一油等瀝青油氈層作為緩沖層；②利用防水層上的保護(hù)層在早期強(qiáng)度較低時(shí)，澆筑底板大體積混凝土；③在基巖或舊混凝土地基的墊層上鋪設(shè)250 mm厚級(jí)配砂石，作為緩沖層。

（3）設(shè)備基礎(chǔ)合理設(shè)置分倉(cāng)縫，釋放約束應(yīng)力。

3.5 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明，混凝土常見(jiàn)的裂縫，大多數(shù)是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)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此，混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤為重要。

從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā)，保溫應(yīng)達(dá)到下述要求：

（1）防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面溫度梯度，防止表面裂縫。

（2）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。

（3）防止老混凝土過(guò)冷，以減少新老混凝土間的約束。

3.6 其他措施

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，特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫。在大體積混凝土表面增加鋼筋網(wǎng)片對(duì)防止混凝土表面開(kāi)裂或出現(xiàn)裂縫可起到一定的作用，同時(shí)正確使用外加劑也是減少開(kāi)裂的措施之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了初步的探討。工程實(shí)踐中對(duì)于裂縫具體的預(yù)防和改善措施意見(jiàn)較統(tǒng)一，為預(yù)防混凝土的溫度裂縫提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 郝臨山、陳晉中.高層與大跨建筑施工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

2 混凝土質(zhì)量專業(yè)委員會(huì)等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004