淺談混凝土溫度裂縫預(yù)防

李坡

[摘 要]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。當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉極限應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。溫度應(yīng)力的形成過(guò)程，可分為初期、中期、末期三個(gè)階段，自生應(yīng)力與約束應(yīng)力兩種類(lèi)型。引起混凝土裂縫的主要溫度因素，有熱脹裂縫、冷縮裂縫、凍脹裂縫。最后重點(diǎn)介紹了溫度裂縫預(yù)防的幾個(gè)要點(diǎn)，即控制混凝土的內(nèi)外溫差△T，施工中最大應(yīng)力水平和最大溫差的關(guān)系，關(guān)于澆筑和振搗，關(guān)于養(yǎng)護(hù)。

[關(guān)鍵詞]混凝土 ； 溫度裂縫 ； 預(yù)防

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）01-0088-02

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。本文僅對(duì)混凝土裂縫的溫度原因及預(yù)防，做一些探討。

一.溫度裂縫的成因

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)。當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉極限應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

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

1.初期：從澆筑混凝土起到水泥放熱基本結(jié)束止，大約30天。這個(gè)階段中水泥放出大量的水化熱，混凝土彈性模量急劇變化，在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

2.中期：從水泥放熱基本結(jié)束起，至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度止。這個(gè)階段中，溫度應(yīng)力主要是由混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加。

3.末期：混凝土完全冷卻之后。溫度應(yīng)力主要是由外界氣溫變化所引起，與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

溫度應(yīng)力按其來(lái)源可分為兩類(lèi)：一是自生應(yīng)力，即邊界上沒(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。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；二是約束應(yīng)力，即結(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。

溫度裂縫區(qū)別于其它裂縫最主要特征是，將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。引起混凝土裂縫的主要溫度因素，有熱脹裂縫、冷縮裂縫、凍脹裂縫。

1 熱脹裂縫

（1）日照。日照溫度差（溫度梯度）對(duì)混凝土梁橋的影響較大。

（2）暑熱。炎熱的夏季氣溫高，水的蒸發(fā)量大，新澆筑砼工程干燥快，凝結(jié)速度快，強(qiáng)度降低，并會(huì)產(chǎn)生許多裂縫，從而影響了砼結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量。如果再遇上大氣中濕度小、空氣干燥、風(fēng)速大，則混凝土水分蒸發(fā)就越快，混凝土收縮也越快。

（3）水化熱。施工過(guò)程中，大體積混凝土（厚度超過(guò)2.0米）澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。

（4） 蒸汽養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)，混凝土驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。

（5）采用電熱張拉法張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼材溫度可升高至35℃，混凝土構(gòu)件容易開(kāi)裂。

2 冷縮裂縫

突降大雨、冷空氣侵襲、日落等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，而內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢，產(chǎn)生溫度梯度。

冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。

3 凍脹裂縫

發(fā)生凍脹破壞的必要條件是，溫度低于零度和混凝土吸水飽和。當(dāng)混凝土中骨料空隙多 、吸水性強(qiáng)，骨料中含泥土等雜質(zhì)過(guò)多，混凝土水灰比偏大、振搗不密實(shí)，因養(yǎng)護(hù)不力而使混凝土早期受凍，均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。

三.溫度裂縫預(yù)防幾個(gè)要點(diǎn)

1.控制混凝土的內(nèi)外溫差△T

混凝土施工包括混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑和溫度及表面保護(hù)，是保護(hù)混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應(yīng)力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)外溫差△T：

△T=Tp+Tr-Tf

式中：Tp —起始澆筑溫度；Tr —水泥水化溫升；Tf—天然或人工冷卻后澆筑塊的穩(wěn)定溫度。

2.施工中最大應(yīng)力水平和最大溫差的關(guān)系

最大應(yīng)力水平和最大溫差的關(guān)系

1）混凝土運(yùn)到工地后應(yīng)立即檢測(cè)坍落度，并盡快澆筑。如發(fā)現(xiàn)坍落度不足，不得擅自加水，應(yīng)當(dāng)在技術(shù)人員指導(dǎo)下用追加減水劑的方法解決。

2）澆筑溫度：夏季澆筑混凝土應(yīng)降低溫度，至少應(yīng)比當(dāng)天最高溫度氣溫低10℃。混凝土澆筑溫度太低時(shí)，受環(huán)境較高溫度影響的表面硬化較快，內(nèi)部溫度升高時(shí)產(chǎn)生膨脹，會(huì)使先硬化的表面受拉而開(kāi)裂。因此在夏季，不僅要降低澆筑溫度，而且要采取措施（例如避免上午澆筑，冷卻模板，避免陽(yáng)光直射于混凝土表面等）避免混凝土表面受氣溫影響而先于內(nèi)部硬化。冬季要提高混凝土澆筑溫度，則混凝土內(nèi)部溫度高于氣溫，內(nèi)部成熟快，產(chǎn)生膨脹時(shí)，表面仍有一定塑性，可變形而不裂，而當(dāng)混凝土降溫時(shí)，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，而有利于抗裂。冬季澆筑溫度應(yīng)不低于10℃。

3）圖1所示在不同氣溫下不同澆筑溫度的不同厚度構(gòu)件的構(gòu)件在約束條件下最大應(yīng)水平和最大溫差的關(guān)系，控制混凝土的澆筑溫度和溫差。由圖1可見(jiàn)，如果混凝土澆筑溫度Ti降低10℃時(shí)， 相應(yīng)地使積聚的拉應(yīng)變減小約70微應(yīng)變， 占極限應(yīng)變相當(dāng)大的部分。

4） 在氣溫高的熱天，不宜在上午澆筑，以免在混凝土升溫恰值氣溫最高時(shí)而加劇。

3.關(guān)于澆筑和振搗

1）長(zhǎng)墻或板的施工縫的間距應(yīng)視構(gòu)件尺寸而定。高寬比大于2的墻，上部一般不會(huì)出現(xiàn)裂縫，但是應(yīng)注意分層澆筑時(shí)，下層高度要大于上層高度，否則，上層拌和物會(huì)增大對(duì)與基底接觸面的正壓力而增加約束應(yīng)力。混凝土澆筑高度不宜超過(guò)2m，如必須超過(guò)，則必須用串筒等輔助下料；每層混凝土一次性布料不宜超過(guò)1m。

2）泵送混凝土下料位置相隔應(yīng)當(dāng)小于3m，每層下料位置應(yīng)當(dāng)交錯(cuò)，如圖2所示，以保證均勻。

3）不正確的澆筑順序會(huì)造成可以避免的約束和不均勻的沉降。例如梁和柱或板和墻同時(shí)澆筑，會(huì)因沉降不勻在交接處產(chǎn)生裂縫，；相反，采取恰當(dāng)?shù)臐仓樞驎?huì)減少開(kāi)裂，如大面積的板當(dāng)使用膨脹劑時(shí)，采取“跳倉(cāng)”方式澆筑可減少開(kāi)裂。所以不同構(gòu)件澆筑前應(yīng)認(rèn)真規(guī)劃澆筑順序。

4）應(yīng)當(dāng)正確進(jìn)行混凝土拌和物的振搗，使用振搗棒時(shí)絕對(duì)禁止用振搗棒橫拖趕動(dòng)混凝土拌和物。否則必然造成離下料口遠(yuǎn)處砂漿過(guò)多而開(kāi)裂。

5）混凝土采用插入式振搗棒振搗密實(shí)。使用插入式振搗器時(shí)，移動(dòng)間距不應(yīng)超過(guò)振搗器作用半徑的1.5倍；與側(cè)模應(yīng)保持5～10cm的距離；插入下層混凝土5～10cm；振動(dòng)完畢后邊振動(dòng)邊徐徐提出振動(dòng)棒；避免振動(dòng)棒碰撞模板、鋼筋、預(yù)埋件。對(duì)每一振動(dòng)部位，必須振動(dòng)到該部位混凝土密實(shí)為止。密實(shí)的標(biāo)志是：振搗時(shí)混凝土停止下沉、不再冒出氣泡、表面呈現(xiàn)平坦、泛漿。

6）混凝土的澆注應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，如因故必須間斷時(shí)，其間斷時(shí)間應(yīng)小于前層混凝土的初凝時(shí)間或能重塑的時(shí)間。若超過(guò)允許間斷時(shí)間，按工作縫處理必須采取質(zhì)量保證措施。

4.關(guān)于養(yǎng)護(hù)

作為澆筑溫度、體積面積比V/A（m）函數(shù)的砼最高溫度，如圖3。硅酸鹽水泥用量350kg/m3，假設(shè)澆筑溫度與氣溫相同

1）對(duì)于板，澆注后立即覆蓋，避免塑性開(kāi)裂。當(dāng)混凝土表面“收水”過(guò)快時(shí)，會(huì)結(jié)成一層硬殼，而內(nèi)部則凝結(jié)變慢。在干燥有風(fēng)的條件下，硬殼會(huì)開(kāi)裂并脫落。實(shí)踐證明，如能及時(shí)覆蓋，就能避免發(fā)生這種情況。

2）盡早開(kāi)始濕養(yǎng)護(hù)。墻、柱等在拆模前應(yīng)及早松動(dòng)模板澆水，或是用透水性模板或吸水性模板。

3）在最小斷面大于30cm的構(gòu)件中，早期溫度應(yīng)力引起的開(kāi)裂往往占大部分（至少60%），因此溫度控制很重要。首先應(yīng)降低澆筑溫度，澆筑溫度和構(gòu)件體積與面積的比值和混凝土內(nèi)部最高溫度的關(guān)系見(jiàn)圖3。

4）拆模時(shí)間應(yīng)視混凝土內(nèi)部溫度而定，不能在混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)拆模，尤其不能在混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)拆模后立即澆涼水，以避免對(duì)混凝土產(chǎn)生熱震。拆模后注意保溫，以避免降溫速率太快。

5）避免間斷澆水。

6）混凝土在相對(duì)濕度低于100%時(shí)開(kāi)始失去毛細(xì)水，在相對(duì)濕度低于65%時(shí)，開(kāi)始失去凝膠的吸附水；凝膠越多，體積越不穩(wěn)定。硬化的混凝土水泥漿體需要有一定量的未水化顆粒穩(wěn)定其體積。因此澆水周期既要足夠，又不宜隨意延長(zhǎng)。但目前主要矛盾是濕養(yǎng)護(hù)不足。

7）應(yīng)在混凝土還處于塑性時(shí)開(kāi)始冷卻表面。夏季使用鋼模板時(shí)，可在澆筑時(shí)同時(shí)向模板表面澆涼水，以推遲混凝土溫峰時(shí)間，并降低溫峰；混凝土內(nèi)部達(dá)到溫峰后開(kāi)始降溫是則應(yīng)控制降溫速率，避免在混凝土升溫后以后尤其是在溫度最高時(shí)拆模，更不能立即澆涼水。冬季盡量使用導(dǎo)熱系數(shù)小的模板，以減小混凝土中心和表面的溫差，必要時(shí)，應(yīng)采取靈活保溫措施。對(duì)于厚度超過(guò)30cm的墻、柱、基礎(chǔ)地板等中等體積和大體積混凝土結(jié)構(gòu)，夏季施工時(shí)應(yīng)盡量降低入模溫度，在混凝土達(dá)到溫峰前應(yīng)在模板外（對(duì)墻、柱）或覆蓋的塑料薄膜上面（向板）澆涼水降溫，到達(dá)溫峰以后的降溫階段應(yīng)采取保溫措施以降低降溫速率，必要時(shí)可用熱水養(yǎng)護(hù)。

圖4所示為混凝土典型的內(nèi)部溫度發(fā)展曲線。在剛澆筑很短時(shí)間的第Ⅰ階段（約3～6小時(shí)）溫度還沒(méi)有上升，基本上保持澆筑溫度；第Ⅱ階段開(kāi)始升溫，但因混凝土尚處于塑性而內(nèi)部為零應(yīng)力，直到溫度為T(mén)1，2時(shí)，混凝土內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生壓應(yīng)力；第Ⅲ階段混凝土持續(xù)升溫，但由于徐變和自收縮的影響，在達(dá)到溫峰前，壓應(yīng)力就開(kāi)始下降；第Ⅳ階段混凝土開(kāi)始降溫，當(dāng)壓應(yīng)力下降為0時(shí)，混凝土仍然為溫度很高的T2，3 ；第Ⅴ階段內(nèi)部應(yīng)力由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力；在溫度到達(dá)Tc時(shí)，混凝土開(kāi)裂。T1，2稱為第一次零應(yīng)力溫度，T2，3為第二次零應(yīng)力溫度，Tc為開(kāi)裂溫度。開(kāi)裂溫度越低，混凝土抗裂性越好。圖4函數(shù)關(guān)系可以指導(dǎo)施工期間混凝土的溫度控制，即，盡量在第Ⅰ、Ⅱ階段冷卻混凝土，減小升溫速率和溫峰值，第Ⅳ、Ⅴ階段要采取靈活保溫措施控制降溫速率。

對(duì)于盡量在第Ⅰ、Ⅱ階段冷卻混凝土，施工要點(diǎn) ：

表面冷卻的最重要影響是使早期表面混凝土溫度適應(yīng)（或低于）環(huán)境的溫度。溫度引起的混凝土表面預(yù)應(yīng)力能由灑水過(guò)程的持續(xù)和適時(shí)來(lái)控制。

1）在混凝土降溫階段應(yīng)控制降溫速率不超過(guò)2℃/日。

2）關(guān)于溫差的控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差和混凝土表面與大氣的溫差不大于15℃時(shí)，混凝土就不會(huì)開(kāi)裂。

3）為避免早期裂縫，應(yīng)盡量控制抗壓強(qiáng)度12小時(shí)≯6～8MPa，24小時(shí)≯10～12MPa。

4）摻用大量礦物摻和料時(shí)應(yīng)特別注意保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間至少需7天。

防止混凝土溫度裂縫，要在有效預(yù)防上做足文章，方能事半功倍，效益最大化。施工實(shí)踐反復(fù)證明，嚴(yán)格施工，科學(xué)施工，才是預(yù)防的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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