大體積混凝土溫度裂縫的原因分析及防治對策

龔 亮

溫度裂縫是長期困擾大體積混凝土的主要難題，混凝土中裂縫的出現嚴重影響到混凝土結構的整體性和耐久性，從而影響到混凝土結構的使用功能及安全性能。因此在大體積混凝土施工過程中，溫度應力及溫度的控制十分重要。

1 溫度裂縫產生的機理

大體積混凝土一般是指實體截面最小尺寸不小于1 m的混凝土構件，或預計會因水泥水化熱引起混凝土內外溫差過大而導致裂縫的混凝土［1］。大體積混凝土工程，水泥用量多，結構截面大，混凝土澆筑后，水泥水化產生大量的水化熱。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內部而不易散發(fā)，導致內部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，使得混凝土結構內外出現較大的溫差，這些溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產生裂縫。大體積混凝土結構中，除有表面裂縫外，還存在貫通裂縫，貫通裂縫的產生是由于大體積混凝土在強度發(fā)展到一定程度，混凝土逐漸降溫，這個降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形，受到地基和其他結構便捷條件的約束時引起的拉應力，超過混凝土抗拉強度時所可能產生的貫通整個界面的裂縫。此外，外界氣溫的變化也會導致裂縫的產生。外界氣溫與混凝土的澆筑溫度有著直接關系，當外界溫度高于混凝土拌合物的溫度時，混凝土內部的熱量不容易散發(fā)，混凝土容易開裂;當外界氣溫較低，特別是氣溫發(fā)生驟降時，會加大混凝土的溫度梯度，溫差加大，溫度應力增大，大體積混凝土容易出現溫度裂縫。在寒冷地區(qū)，外界溫度的變化成為導致混凝土裂縫產生的主要因素。

2 防治措施

防治大體積混凝土溫度裂縫必須從兩方面入手:一方面，提高混凝土的抗拉強度，使其足夠大，大到各種因素引起的開裂應小于它;另一方面，控制溫度應力，使其盡可能小，永遠小于混凝土的抗拉強度。因此溫度裂縫必需從材料、設計、施工、監(jiān)控方面進行控制。

2.1 合理選材和優(yōu)化配合比

合理選擇水泥品種。選擇大體積混凝土的水泥時，應當把混凝土的絕熱溫升和抗拉強度結合起來考慮，宜選用中熱或低熱水泥以及盡量降低單位水泥用量。但也應考慮到有的低熱水泥強度發(fā)展緩慢，對防止混凝土的開裂不利。目前采用較多的是礦渣硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥;合理選用粗細骨料。選擇良好級配的粗骨料，嚴格控制其含泥量，能選用石灰?guī)r作為粗骨料熱學性能最好［2］。優(yōu)先選用天然連續(xù)級配的粗集料，使混凝土具有較好的可泵性，減少用水量、水泥用量，進而減少水化熱;合理選用摻合料和外加劑。選用摻合料以減少用水量、節(jié)約水泥，降低混凝土的絕熱溫升，提高混凝土的抗裂能力。常用優(yōu)質粉煤灰或磨細硅粉、硅灰。此外摻用外加劑可以減緩水化熱的發(fā)生速率。外加劑主要指減水劑、緩凝劑和膨脹劑;優(yōu)化混凝土的配合比，按照基于絕熱溫升控制的綠色高性能混凝土配合比優(yōu)化設計四功能準則對配合比進行優(yōu)化，以便在保證混凝土強度及流動度條件下，盡量節(jié)省水泥、降低混凝土絕熱溫升。

2.2 合理設計

1)結構設計合理。采用合理的平立面的設計，避免截面突變，從而減小約束應力;合理選擇結構形式，避免應力集中?；炷两Y構設計時，應盡量避免方形孔洞，突變等的出現?？锥吹脑O計宜采用圓形，以減小應力集中。孔洞四周增配斜向鋼筋、鋼筋網片，在變斷面處作好漸變處理。2)鋼筋配置適宜。調整鋼筋配置方案，增設溫度傳遞分布筋，將混凝土內部熱量及時傳遞出來，防止內部熱量積蓄。合理布置分布鋼筋，盡量采用小直徑，密間距。全截面配筋率不小于0.3%，應在0.3%～0.5%之間。3)注重地基的影響。設計時應考慮到地基的影響作用而應減小地基對混凝土基礎的阻力，從而減小溫度應力，避免溫度裂縫的發(fā)生。當地基為軟土地基時，可設計用砂墊層加固地基，減小地基對混凝土基礎的約束作用，同時提高地基的承載能力，減小地下水的影響。當地基為堅硬巖基時，可在基礎底部設置滑動層，如鋪設油氈，瀝青砂漿層等。4)重視混凝土的后期強度。在滿足混凝土強度和耐久性的前提下，可以采用混凝土45 d，60 d或90 d的強度作為混凝土的設計強度，代替混凝土的28 d強度。這樣可使每立方米混凝土的水泥用量減少40kg～70kg，使混凝土的水化熱相應降低4℃～7℃。5)有效設置后澆帶。在大型高層建筑中，可以考慮設置“后澆帶”來減小混凝土的溫度變形，避免溫度裂縫和收縮裂縫的出現，對裂縫的預防和控制擴展起到相當的作用。

2.3 施工控制

2.3.1 降低混凝土的入模溫度

控制混凝土的入模溫度可以降低大體積混凝土中的溫差，減小溫度應力。降低入模溫度的主要措施有:1)加冷卻水或者加冰拌合混凝土。一般加冰率為拌合水的40%～50%，可降低溫度約5℃～7℃;2)預冷骨料。常用的預冷方法有水冷法與氣冷法;3)改進攪拌工藝。采用二次投料的凈漿裹石或砂漿裹石工藝，減少水化熱和裂縫;4)低溫季節(jié)或夜間施工。每年的春秋季節(jié)和南方的低溫季節(jié)比較適合澆筑大體積混凝土，高溫季節(jié)采用隔熱降溫措施;5)縮短混凝土的運輸和暴曬時間。混凝土的入模溫度應該盡量控制在25℃以下［3］。

2.3.2 提高混凝土澆筑質量

1)分層分塊與薄層澆筑混凝土。大體積混凝土體積龐大，施工中利用縱橫接縫將壩體分割成許多塊，并利用水平縫將每一塊分成許多澆筑層。分層分塊澆筑不僅便于施工，更利于減小約束，防止裂縫和增加散熱面，從而降低施工期間的溫度應力，減小產生裂縫的可能性。施工時應從底層開始澆筑，進行到一定距離后再澆筑其他各層。要注意混凝土的澆筑節(jié)奏、凝結時間，保證澆筑過程中不產生冷縫。2)保證混凝土振搗密實?；炷恋恼駬v實行快插慢拔、分層振搗的振搗方法，提倡采用二次振搗、二次抹面技術，以排除泌水、混凝土內部的水分和氣泡。振搗上一層時插入下一層混凝土5cm以消除兩層間的接縫。通過二次振搗可以使混凝土更加密實，提高混凝土的抗拉能力。3)注重混凝土的收壓。在混凝土初凝之前二次用力搓平并將表面拉毛，拉毛必須保證紋路均勻順直。條件允許時最好采用滾筒碾壓數遍，并用木楔打磨壓實，以閉合收縮裂縫，保證混凝土內實外光。

2.3.3 加強混凝土的養(yǎng)護

混凝土澆筑后，及時進行養(yǎng)護，以通過降低混凝土內外溫度差和減慢降溫速度來達到降低塊體自約束應力和提高混凝土抗拉強度，以承受外約束應力時的抗裂能力。養(yǎng)護主要是保持適當的溫濕度條件。根據不同的施工季節(jié)可以采用不同的養(yǎng)護方式，夏季可以采用草簾覆蓋，灑水、澆水養(yǎng)護，澆水養(yǎng)護時應特別注意水溫的控制，以防混凝土表面出現溫度陡降，澆水養(yǎng)護的時間一般不少于15 d;冬季可以采用保溫材料和塑料薄膜覆蓋，噴刷養(yǎng)護劑進行養(yǎng)護。

2.4 溫度監(jiān)控

加強測溫和溫度監(jiān)測與管理，實行信息化控制，隨時掌握混凝土中心與表面的溫差以及混凝土表面和氣溫之間的溫差，差值均應小于20℃;當結構混凝土具有足夠的抗裂能力時，不大于25℃～30℃。及時調整和改進保溫控制措施。溫度監(jiān)控包括混凝土絕熱溫升的測試，混凝土澆筑溫度的監(jiān)測，養(yǎng)護過程中的溫度監(jiān)測。

3 討論

混凝土溫度裂縫的控制是一個綜合性的問題。防止溫度裂縫的產生，必須從設計、原材料、攪拌、運輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護、測溫等過程進行預控制。首先，合理選材和優(yōu)化配合比是至關重要的一環(huán)，從水泥、骨料、摻合料和外加劑的選擇到混凝土配合比的優(yōu)化都非常重要。其次，施工前合理的設計也是極為重要的環(huán)節(jié)，其中正確選擇結構形式，避免應力集中，重視混凝土的后期強度，注重地基對溫度裂縫的影響等均是設計時首要考慮的問題。再則，施工過程的質量控制也尤為重要，降低混凝土的入模溫度，提高混凝土的澆筑質量，加強混凝土的養(yǎng)護均應該認真落實，同時各個階段的溫度監(jiān)控措施更是不容忽視，必不可少。

［1］JGJ 55-2000，普通混凝土配合比設計規(guī)程［S］.

［2］喬生祥.水工混凝土缺陷檢測和處理［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［3］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［4］張占偉.大體積混凝土溫度裂縫成因與控制［J］.山西建筑，2010，36(3):170-171.