大體積混凝土施工期間的溫度裂縫控制

黃作俊

摘要：大體積混凝土由于體積厚大，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，水泥水化產(chǎn)生的熱量不容易散失，內(nèi)部的溫升會(huì)很高，從而產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)溫度裂縫。通過多年的現(xiàn)場(chǎng)觀察和相關(guān)資料的積累，本文對(duì)混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：混凝土；溫度應(yīng)力；裂縫；控制

所謂大體積混凝土，一般是指現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土其尺寸大到必須采取措施以對(duì)付水泥水化產(chǎn)生的熱量以及伴隨發(fā)生的體積變化，盡量減少溫度裂縫。在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文主要針對(duì)施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一闡述。

1.裂縫產(chǎn)生的原因

根據(jù)有關(guān)資料，由施工因素造成的混凝土早期裂縫占80%左右，因混凝土材料方面的原因造成的裂縫占15%左右，因設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的裂縫占5%左右。因此，下面主要從施工角度討論產(chǎn)生裂縫的原因。

1.1違章施工、不當(dāng)施工造成混凝土裂縫

夏季施工時(shí)由于運(yùn)輸車交通不暢耽擱時(shí)間，在泵車出料時(shí)混凝土的經(jīng)時(shí)坍落度損失較大，混凝土的和易性和流動(dòng)性較差，現(xiàn)場(chǎng)工人人為加水，造成混凝土強(qiáng)度的降低，加水部分的混凝土水灰比和強(qiáng)度與原配合比的混凝土不同造成的凝縮裂縫和干縮裂縫。

主要結(jié)構(gòu)部位模板支撐不利，或拆模過早造成混凝土內(nèi)部受振，或者混凝土內(nèi)部在未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)超負(fù)荷造成裂縫。施工時(shí)預(yù)留孔洞、預(yù)埋通風(fēng)采暖水電管道不引起重視，未采取鋼筋加強(qiáng)措施，造成裂縫?；炷琉B(yǎng)護(hù)工作管理不嚴(yán)，造成混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)失水，收縮量大，產(chǎn)生裂縫。種種原因造成混凝土運(yùn)輸車不能及時(shí)到達(dá)及時(shí)供料，現(xiàn)場(chǎng)澆筑停歇時(shí)間超過混凝土終凝時(shí)間，而又沒有按施工縫處理好接頭部位等。

1.2振搗方式不當(dāng)引起裂縫

不正確的振搗方式會(huì)造成混凝土分層離析、表面浮漿而使混凝土面層開裂，或造成混凝土砂漿大量向低處流淌致使混凝土產(chǎn)生不均勻沉降收縮而在結(jié)構(gòu)厚薄交界處出現(xiàn)裂縫。

商品混凝土由于采用攪拌車運(yùn)輸、泵送澆筑，混凝土坍落度比較大，凝結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，一般混凝土初凝時(shí)間都在10小時(shí)以上甚至更長(zhǎng)，即使在炎熱的夏天，在摻了高效緩凝減水劑后，澆搗好的混凝土表面被太陽暴曬，水分蒸發(fā)很快，形成一層幾毫米厚的“被子”，看上去混凝土似乎己凝結(jié)，實(shí)際上內(nèi)部還遠(yuǎn)未達(dá)到初凝，甚至還能流動(dòng)。我們?cè)啻斡秘炄胱枇x測(cè)定摻了高效緩凝減水劑的混凝土砂漿在太陽直曬之下的凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果初凝時(shí)間都在12～16小時(shí)。這樣的混凝土若不進(jìn)行二次振搗和多次抹面，混凝土表面不可避免會(huì)出現(xiàn)裂縫。開始是淺表性的、窄細(xì)的，若不及時(shí)處理，裂縫就會(huì)擴(kuò)展，由于應(yīng)力集中，最終的裂縫很可能是貫穿性的。采用二次振搗可以消除因塑性沉降引起的混凝土內(nèi)分層，阻斷因泌水而留下的連貫通道，改善骨料界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B能力；采用二次以上抹面，可以有效提高因泌水而削弱的混凝土表面強(qiáng)度，消除“被子”現(xiàn)象，使混凝土因水分蒸發(fā)而引起的塑性裂縫及時(shí)得到愈合。

有人怕二次振搗會(huì)影響混凝土強(qiáng)度，實(shí)際上對(duì)初凝前的混凝土進(jìn)行二次振搗不僅不會(huì)降低強(qiáng)度，反而會(huì)使強(qiáng)度提高。我們?cè)鲞^試驗(yàn)，在進(jìn)行混凝土試塊制作的同時(shí)，留出一份試樣過三小時(shí)后再去做試塊，試壓結(jié)果是三小時(shí)后做的試塊強(qiáng)度反而高。這就說明由于二次振搗消除了混凝土內(nèi)分層，改善了骨料界面狀況，提高了強(qiáng)度。

1.3養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引起混凝土開裂

現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)是造成混凝土收縮開裂最主要的原因。

混凝土澆筑后，若表面不及時(shí)覆蓋進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)，表面水分迅速蒸發(fā)，很容易產(chǎn)生收縮裂縫，特別是在氣溫高、相對(duì)濕度低、風(fēng)速大的情況下，干縮更容易發(fā)生。有資料表明，當(dāng)風(fēng)速為16m/s時(shí)，混凝土中的水分蒸發(fā)速度是無風(fēng)時(shí)的四倍。

目前，許多施工現(xiàn)場(chǎng)在澆筑混凝土?xí)r都不能做到及時(shí)覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)，一般總要等到最后一遍抹光結(jié)束后才覆蓋，還有很多工地根本就不予覆蓋，結(jié)果混凝土表面開裂。正確的做法應(yīng)該是在第一次抹平后就立即用塑料薄膜覆蓋，不讓水分蒸發(fā)，依靠混凝土自身的水分進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。需進(jìn)行第二次抹光時(shí)，揭開薄膜，抹完了再及時(shí)蓋上。

摻加粉煤灰時(shí)必須有充分的保水養(yǎng)護(hù)才能較好地發(fā)揮其功能性，而外加劑如微膨脹劑在反應(yīng)過程中也需要大量的結(jié)合水，否則影響其補(bǔ)償收縮、抵抗裂縫的效果，故養(yǎng)護(hù)時(shí)保濕工作未做好會(huì)導(dǎo)致混凝土的抗裂。

對(duì)于保濕養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，肯定是越長(zhǎng)越好。養(yǎng)護(hù)14天的混凝土的收縮比只養(yǎng)護(hù)3天的收縮降低約20%。因此，國(guó)家驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定混凝土澆筑后的保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14天，但由于工程工期的制約，絕大多數(shù)施工人員做不到，所以混凝土出現(xiàn)干縮裂縫就在所難免了。

2.溫度應(yīng)力的分析

2.1根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個(gè)階段：

（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天。這個(gè)階段的兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上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）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，這個(gè)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，這些應(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。

（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，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

2.2根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：

（1）自生應(yīng)力：邊界上沒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。例如，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）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。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)大的松弛，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮徐變的影響，具體計(jì)算這里就不再細(xì)述。

3.溫度的控制和防止裂縫的措施

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

3.1控制溫度的措施如下：

（1）采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土，摻混合料，加入引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量；

（2）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；

（3）熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱：

（4）在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫；

（5）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；

（6）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改善約束條件的措施是：

（1）合理地分縫分塊；

（2）避免基礎(chǔ)過大起伏；

（3）合理的安排施工工序，避免過大的高差和側(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)防止裂縫是十分重要，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。

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。新澆筑早期拆模，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)值時(shí)，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但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)生過大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

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100～200kg/cm²。因此，在混凝土中想要利用鋼筋來防止細(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。而且如果鋼筋的直徑細(xì)而間距密時(shí)，對(duì)提高混凝土抗裂性的效果較好?；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。

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)表面張力理論早在六十年代就已被國(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，提高的混凝土抗裂性能。

（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。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強(qiáng)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(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.

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)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究，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寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說混凝土的保溫對(duì)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、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。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。混凝上的保溫措施常常也有保濕的效果。

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。

5.結(jié)束語

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。