溫度應(yīng)力對大體積混凝土裂縫的影響及控制對策探究

張瓊（安徽農(nóng)業(yè)大學 經(jīng)濟技術(shù)學院，安徽 合肥 230601）

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溫度應(yīng)力對大體積混凝土裂縫的影響及控制對策探究

張瓊
（安徽農(nóng)業(yè)大學 經(jīng)濟技術(shù)學院，安徽 合肥 230601）

摘 要：大體積混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑行業(yè)中廣泛應(yīng)用，方便了人們對建筑的使用需求，但由于自身結(jié)構(gòu)的特點，大體積混凝土會受到內(nèi)部溫度應(yīng)力的作用而出現(xiàn)裂縫從而對建筑物的美觀性、安全性、耐久性產(chǎn)生影響.本文從溫度應(yīng)力的角度出發(fā)，研究大體積混凝土溫度裂縫的控制方法，從材料選擇、施工方式、保溫養(yǎng)護等角度提出裂縫控制的具體措施.同時也對大體積混凝土內(nèi)部的徐變對溫度應(yīng)力及裂縫影響的機理進行了研究.

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度應(yīng)力；溫度裂縫；徐變

現(xiàn)代建筑中，大體積混凝土一般使用在大壩、高層建筑的重要結(jié)構(gòu)上，也適用于建筑物的地基等.對于大體積混凝土的概念，顧名思義，就是混凝土的體積比較大，我國在《GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范》中對大體積混凝土規(guī)定為：“大體積混凝土指的是最小斷面尺寸大于1m以上的混凝土結(jié)構(gòu)，其尺寸已經(jīng)大到必須采用相應(yīng)的技術(shù)手段妥善處理溫度差值，合理解決溫度應(yīng)力并控制裂縫開展的混凝土結(jié)構(gòu)”.

1 大體積混凝土的結(jié)構(gòu)特點

1、大體積混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑不是一次成型，而是分層進行的，所以上、下層混凝土之間必然有溫差，加上大體積混凝土體積巨大，澆筑以后混凝土內(nèi)部的溫度散發(fā)不出去，導(dǎo)致內(nèi)部溫度上升，水泥水化熱的出現(xiàn).而溫升會導(dǎo)致隨著溫度的降低，彈性模量增大，遇到一定約束時，會出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力.

2、大體積混凝土是一類脆性材料，其抗拉強度比較小，容易發(fā)生斷裂.

3、大部分的大體積混凝土是使用在建筑物的外表面的，其外表面在常年的風吹日曬、與水接觸之下，外界溫度的變化會造成大體積混凝土內(nèi)部非常大的拉應(yīng)力.

2 大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因

從以上大體積混凝土的特點可以看到，大體積混凝土除了體積大這一特點外，最重要的是體積巨大引起的內(nèi)部溫升水泥水化熱散發(fā)不出去，加上內(nèi)外溫差過大，以及環(huán)境因素的影響，致使大體積混凝土內(nèi)部出現(xiàn)很大的溫度應(yīng)力.

根據(jù)熱脹冷縮的原理，大體積混凝土內(nèi)部溫度升高的時候，體積會發(fā)生膨脹，冷卻之后，體積就會收縮.如果混凝土內(nèi)的溫度不能呈線性或均勻變化，且不受外力作用，那么混凝土膨脹或收縮將不會受到限制，也就不會產(chǎn)生溫度應(yīng)力.然而事實并非如此，大體積混凝土是分層澆筑的，最初澆筑的混凝土受到地基面的約束力，便會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而其它依次澆筑的混凝土，由于與老混凝土的初始溫度不同，再加上散熱的條件及其它外界因素影響，混凝土內(nèi)部就會受到非線性溫度場的作用而產(chǎn)生溫度應(yīng)力.溫度應(yīng)力是溫度裂縫出現(xiàn)的主要原因，裂縫的出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)的耐久性和適用性受到很大影響.因此要避免大體積混凝土這一材料的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，就要降低混凝土的溫度應(yīng)力，在現(xiàn)代大體積混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力的研究也成為了建筑專業(yè)的研究重點.

3 大體積混凝土溫度裂縫的危害

3.1 危害結(jié)構(gòu)的整體性，影響結(jié)構(gòu)的使用功能

大體積混凝土的裂縫分為三種：表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫.表面裂縫的出現(xiàn)在所難免，深層裂縫的出現(xiàn)對建筑物也不會有太大的影響，而貫穿裂縫的出現(xiàn)會使結(jié)構(gòu)的整體性受到影響，也破壞了建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，會給建筑物帶來非常嚴重的安全問題.

3.2 造成混凝土剛度的下降，影響耐久性

大體積混凝土如果出現(xiàn)裂縫，會使混凝土結(jié)構(gòu)的剛度明顯下降；也可能會使大氣中的水分進入到混凝土的內(nèi)部，銹蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，隨著鋼筋的不斷被銹蝕，其體積不斷擴大，也便使得混凝土的裂縫跟隨著擴大；此外，裂縫也會造成混凝土自身的碳化、腐蝕，從而影響大體積混凝土的耐久性能.

4 大體積混凝土溫度應(yīng)力的分類

大體積混凝土溫度應(yīng)力是根據(jù)其發(fā)展的過程可以分為三個時期：

4.1 早期溫度應(yīng)力

早期溫度應(yīng)力是發(fā)生在大體積混凝土從澆筑到水化熱放熱結(jié)束的一段時間，歷時大約一個月左右.混凝土由流質(zhì)體轉(zhuǎn)為固態(tài)，伴隨著內(nèi)部釋放出大量的水化熱，也引起了內(nèi)部溫度場的變化，其力學性能和熱學性能與之前也產(chǎn)生較大差異.

4.2 中期溫度應(yīng)力

中期溫度應(yīng)力是在早期應(yīng)力之后，混凝土內(nèi)部溫度場趨于穩(wěn)定，這一時期的混凝土處在逐漸散熱的階段，性質(zhì)也趨于穩(wěn)定，變化不大.

4.3 晚期溫度應(yīng)力

此時的混凝土內(nèi)部溫度場基本達到穩(wěn)定，外界環(huán)境變化對混凝土內(nèi)部的影響甚小，只對混凝土表面的溫度應(yīng)力有所影響.

由此可見，影響大體積混凝土溫度應(yīng)力最關(guān)鍵的時期是大體積混凝土澆筑的早期，所以，這一時期是控制溫度應(yīng)力引起裂縫的關(guān)鍵時期.

5 徐變對大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響

5.1 徐變的概念

大體積混凝土在施工、使用的過程當中，由于受施加荷載的影響，會發(fā)生變形.隨著時間的推移，混凝土內(nèi)部會演變成為緩慢的非彈性變形，這樣的非彈性變形稱為徐變.徐變逐漸加大且變形的量往往是瞬間彈性變形的1-2.5倍，但徐變的產(chǎn)生可能會減少溫度應(yīng)力的值，使其達到控制溫度裂縫的作用.

5.2 影響徐變的因素

由于受到了大體積混凝土使用環(huán)境和使用材料的影響，混凝土徐變的主要影響因素可以分為內(nèi)部和外部兩類：

（1）內(nèi)部因素

水灰比和灰漿率是影響混凝土徐變的主要內(nèi)部因素，水灰比大的混凝土中孔隙較多，水泥內(nèi)顆粒之間的間隙較大，水分在應(yīng)力的作用下向較大的孔隙間移動，破壞了混凝土內(nèi)部的水化平衡，導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生，所以徐變與水灰比所呈的是正比關(guān)系；灰漿率亦是如此，灰漿率越大，混凝土內(nèi)水泥砂漿的含量越大，如果混凝土的強度不變的話，徐變也就越大.

（2）外部因素

徐變的外部因素主要受到壓應(yīng)力大小、作用時間、養(yǎng)護條件以及加載齡期的影響.壓應(yīng)力越大，混凝土徐變就越大，尤其當壓應(yīng)力超過強度的0.5倍時，徐變比應(yīng)力增長的速度更快；在壓應(yīng)力作用的早期，大體積混凝土的徐變隨著荷載作用時間的增加而增加，但荷載作用在中后期的時候，徐變就變得緩慢，一般徐變可以持續(xù)一兩年完成；外界養(yǎng)護條件也是影響徐變的因素之一，高溫、干燥下的混凝土發(fā)生的徐變比較大，而外界氣溫越低，空氣濕度越大，徐變產(chǎn)生越小；加載齡期對徐變的影響非常明顯，隨著加載齡期的增加，徐變會越來越小，澆筑早期的混凝土，其正處在水化熱階段，強度比較低，此時加載，徐變會比較大，而在澆筑的后期，混凝土的強度增大，受限之后的徐變會小很多.

5.3 徐變對大體積混凝土裂縫影響的機理研究

通過對以上徐變的概念及影響因素的研究，在大體積混凝土澆筑的早期，徐變可以起到緩解和降低內(nèi)部溫度應(yīng)力的作用，從而降低裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的幾率.大體積混凝土結(jié)構(gòu)體中，混凝土徐變的因素受持載時間、加載齡期的影響：隨著加載齡期的增加，徐變會越來越小，澆筑早期的混凝土，其正處在水化熱階段，強度比較低，此時加載，徐變會比較大，而在澆筑的后期，混凝土的強度增大，受限之后的徐變會小很多.因此，在工程上建議使用Auperin 和Larrard及朱伯芳院士對大體積混凝土裂縫研究的公式對徐變系數(shù)進行計算：

（1）LCPC（法國）Auperin和Larrard的計算公式：

以上式中：εer（t,τ）表示在t時刻施加應(yīng)力時的徐變；

Kcr表示徐變系數(shù)；

E0表示混凝土在28天的彈性模量，單位為MPa；

σ表示對混凝土施加的應(yīng)力大小，單位為MPa；

f（τ-t）表示時間的動態(tài)函數(shù)；

t表示加載的時間，單位為s；

同時：

（2）朱伯芳院士得出的彈性模量與徐變系數(shù)的公式為：

以上式子中：E0=1.05E（360d）

或E0=1.20E（90d）

或E0=1.45E（28d）

在大體積混凝土的結(jié)構(gòu)中，徐變具有降低溫度應(yīng)力的作用，所以，應(yīng)有效利用徐變對混凝土的這一影響，達到控制溫度裂縫的目的.

6 大體積混凝土溫度裂縫的控制措施

6.1 材料的選擇

（1）水泥

在混凝土裂縫的控制上，材料的選擇是非常重要的.首先是水泥的選擇，在大體積混凝土的施工中，水泥是常規(guī)材料，而實驗證明，大體積混凝土中每降低10KG水泥的使用量就可以減少1℃水泥水化熱的溫度，所以，降低水泥使用量、選擇低熱水泥是材料選擇的首要考慮因素.

（2）骨料

要考慮在混凝土中起骨架和填充作用的骨料的選擇，降低水泥用量之后，需要依靠骨料來達到混凝土強度的要求，因此，要選擇熱學性能較好的骨料來作為混凝土的材料來源.

（3）摻合料（粉煤灰）

在混凝土中摻入一定量的粉煤灰來取代水泥，可以減少水泥用量，從而起到降低混凝土水化熱的作用，另外，由于粉煤灰是呈球形的，所以具有“滾珠效應(yīng)”，在混凝土中起到潤滑的作用，改善混凝土的可泵性.

（4）外加劑（膨脹劑）

添加一定量的膨脹劑，可以利用它的微膨脹效應(yīng)達到補償混凝土收縮的作用，以減少大體積混凝土開裂的危險，同時也具有抗?jié)B、降低水化熱、緩凝等作用.

6.2 施工的方法

（1）大體積混凝土的澆筑

施工時的澆筑方法對溫度裂縫的控制也起到一定的作用.在澆筑時，采用分層和推移兩種方法，分層澆筑主要作用是便于振搗，也可以利用層面的散熱來抑制混凝土內(nèi)部的溫度升高.

（2）大體積混凝土的養(yǎng)護措施

大體積混凝土澆筑完畢之后，適當?shù)酿B(yǎng)護對于溫度裂縫的控制起到很大的作用.即在混凝土澆筑的12小時之后在其表面覆蓋薄膜，以阻止水分的蒸發(fā)，尤其是摻入膨脹劑的混凝土，必須要進行保濕養(yǎng)護才能讓膨脹劑發(fā)揮作用；

（3）大體積混凝土表面的處理

混凝土初凝之前，使用刮杠刮平及木抹子抹壓的方式，提高混凝土表面的密實性，并且覆蓋塑料薄膜及草簾被達到保溫效果，保持澆筑完畢的混凝土的表面溫度，減少水分散發(fā)，以提高混凝土表面的抗溫度裂縫能力.

參考文獻：

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〔5〕韓重慶，馮健，呂志濤.大面積混凝土梁板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析的徐變應(yīng)力折減系數(shù)法［J］.工程力學，2003（20）.

中圖分類號：TU755

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）06-0023-03

收稿日期：2016-01-20