淺談混凝土的施工溫度與裂縫

賈慧敏

(山西省汾河灌溉管理局一壩分局)

混凝土裂縫在水利工程中幾乎無(wú)所不在。盡管我們?cè)谑┕ぶ胁扇×烁鞣N措施來(lái)避免裂縫產(chǎn)生，但仍然時(shí)有出現(xiàn)。在大體積混凝土施工中，溫度應(yīng)力及溫度控制對(duì)預(yù)防裂縫發(fā)生具有重要意義。這是因?yàn)?首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到工程結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性;其次，在工程運(yùn)行過(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。在水利工程施工中，我們遇到的裂縫主要是由于溫度變化而產(chǎn)生的裂縫，本文對(duì)其成因與預(yù)防措施進(jìn)行探討。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土施工中產(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，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)或原有混凝土的約束，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)，就會(huì)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劇烈，如養(yǎng)護(hù)不周，時(shí)干時(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。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(yīng)力主要由鋼筋承擔(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，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，在施工中混凝土由較高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)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)其他外荷載所引起的應(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)力分析

2.1 溫度應(yīng)力的形成階段

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過(guò)程，可分為以下三個(gè)階段。

2.1.1 早期

自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30 d。這個(gè)階段具有兩大特征: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)形成殘余應(yīng)力。

2.1.2 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。在這一時(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，其應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。

2.1.3 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，其應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

2.2 溫度應(yīng)力的類型

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可將其分為兩類。

2.2.1 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，謂之自生應(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。

2.2.2 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，謂之約束應(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?；炷恋男熳兪箿囟葢?yīng)力有相當(dāng)大的松馳，計(jì)算溫度應(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措施

為了減輕溫度應(yīng)力，防止裂縫產(chǎn)生，可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手。

3.1 控制溫度的措施

主要為:采用改善骨料級(jí)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;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;熱天澆筑混凝土?xí)r減小澆筑厚度，利用澆筑層面散熱;在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫;規(guī)定合理的拆模時(shí)間;氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;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 改善約束條件措施

主要為:合理地分縫分塊;避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏;合理地安排施工工序，避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露。

此外，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)的整體性是十分困難的，因此，施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

3.3 適時(shí)拆除模板

在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往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，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑混凝土早期拆模，容易在表面引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。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)。如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋輕型保溫材料，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。

3.4 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)100－200 kg/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)提高混凝土抗裂性效果較好?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的表面常常會(huì)發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性仍有一定的影響。

3.5 使用外加劑

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(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。這個(gè)表面張力理論早在20世紀(jì)60年代就已被國(guó)際上所確認(rèn)。

(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(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。

(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粘結(jié)力，增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。

(6)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。減水防裂劑可有效地提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，大幅度提高混凝土的抗裂性能。

(7)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。

(8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(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)的塑性收縮增加。

(9)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。

許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)和對(duì)比研究，這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 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明，混凝土常見的裂縫，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的。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)于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:

(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。

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:一方面使混凝土免受不利溫、濕度變化的侵襲，防止有害的冷縮和干縮;另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。

適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的?；炷恋谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?/p>

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而有余。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或防礙水泥的水化，表面混凝土最容易而且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)的關(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)

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)防和改善措施意見還是比較統(tǒng)一，同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較好的。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。