李掇

摘 要 經(jīng)過多年現(xiàn)場施工觀察，結(jié)合有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的知識，對混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行等進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞 混凝土 溫度應(yīng)力 裂縫 控制

混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂縫較為普遍，盡管在施工中采取各種措施，但裂縫仍然時有出現(xiàn)。究其原因，我們對混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。

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，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此為確保結(jié)構(gòu)砼具有耐久性、經(jīng)濟(jì)性、足夠的強(qiáng)度以及滿足施工的和易性，應(yīng)針對不同使用要求的砼采取相應(yīng)技術(shù)措施，配制滿足特定性能要求的高標(biāo)號和高性能砼。

1 裂縫的原因

混凝土中產(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。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會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，即會出現(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發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時干時濕，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?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1／10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104， 長期加荷時的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(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)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(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最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(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)力的分析

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段：

（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。這個階段的兩個特征，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)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中，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。

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，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，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。混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松馳，計(jì)算溫度應(yīng)力時，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

(1) 防止碳化措施

使用對防止碳化較有利的硅酸鹽水泥；使用減水劑，改善砼的施工特性，制取密實(shí)的砼；使用密實(shí)透氣性小的骨料；采用水灰比小、單位水泥用量大的砼配合比；加強(qiáng)砼的養(yǎng)護(hù)、砼振搗密實(shí)、避免出現(xiàn)裂縫、蜂窩、氣孔等，保證鋼筋的保護(hù)層厚度；用水泥砂漿進(jìn)行砼表面處理，防止砼的碳化。

(2) 砼配合比設(shè)計(jì)原則

選用較普通砼略低的水灰比，以提高砼的體積穩(wěn)定性，提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。

選用適中的漿骨比，兼顧砼拌和物的可泵性及降低砼的收縮徐變，提高砼彈性模量及抗裂能力。

適當(dāng)提高砂率，以確保砼的可泵性及填充性，同時也兼顧大體積砼要求的低收縮徐變的體積穩(wěn)定性及高彈性模量。

(3) 原材料的選用原則

1) 水泥及摻和料

為減少水泥用量，實(shí)現(xiàn)砼低收縮徐變的體積穩(wěn)定性，降低砼拌和物凝結(jié)水化熱。選用質(zhì)量穩(wěn)定、含堿量低、強(qiáng)度富余系數(shù)大的普通硅酸鹽水泥。

2) 細(xì)骨料

為減少拌和物用水量，降低水灰比，增強(qiáng)砼的體積穩(wěn)定性，選用機(jī)制粗砂與細(xì)度模數(shù)滿足配合比要求的河砂混合配制成細(xì)骨料，進(jìn)一步提高細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)及改善級配，從而增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力砼的體積穩(wěn)定性。

3) 粗骨料

針對當(dāng)前國內(nèi)采石工藝及破碎工藝相對落后的現(xiàn)狀，生產(chǎn)的碎石料形不良，特別是級配差，10mm以下顆粒少。為改善粗骨料級配，減少填充骨料間空隙漿體量，從而減少水泥用量，進(jìn)而減少砼的收縮并有利于防裂。本工程粗骨料均選用粒形及級配良好的碎石，必要時可采用雙級配粗骨料，即（質(zhì)量比）30%的5-10mm級配與70%的10-20mm級配的雙級配碎石，或30%的5-16mm級配與70%的10-25mm（31.5mm）的雙級配碎石。

4) 外加劑

為降低水灰比，改善水泥水化條件和提高砼的體積穩(wěn)定性及抗?jié)B耐久性，實(shí)現(xiàn)砼拌和物具有較好流動性并能延長流動性損失時間的可泵性，本工程混凝土應(yīng)摻入減水劑、緩凝劑、流變劑及引氣劑等復(fù)合而成的高效流化泵送劑，另摻加微膨脹劑一起共同形成“雙摻”技術(shù)，從而達(dá)到減少砼收縮，避免開裂等質(zhì)量缺陷現(xiàn)象。

(4) 砼的攪拌

砂、石骨料含水量對高性能砼的性能有明顯影響，故工程施工中，應(yīng)根據(jù)天氣變化及時測定砂、石含水率，作為對當(dāng)班澆筑砼施工配合比加水量調(diào)整的依據(jù)。

高性能砼用水量小、粘性大、不易拌合均勻，應(yīng)比普通砼延長攪拌時間1-1.5分鐘。

(5) 砼的輸送

高性能砼雖然具有較好的可泵性，但拌合物流動性損失較快，容易變稠，造成泵送困難，故在泵送施工時也要根據(jù)輸送距離，粗骨料粒徑選用性能合適的砼輸送泵及正確安裝輸送泵管。

(6) 砼的澆筑

因高性能砼流動性較好，側(cè)壓力較大，故對模板及支撐系統(tǒng)必須認(rèn)真進(jìn)行力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)和精心施工。

因高性能砼用水量小、粘性大、空氣不易排出，故仍應(yīng)加強(qiáng)振搗，并應(yīng)加強(qiáng)砼表面抹壓，防止表面砼形成硬殼開裂。

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?；炷系谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?。

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)鍵時期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來。

5 結(jié)束語

以上對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)界對于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論，但對于具體的預(yù)防和改善措施意見還是比較統(tǒng)一，同時在實(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。