工程建設(shè)中混凝土的施工溫度與裂縫研究

摘 要：根據(jù)多年的現(xiàn)場觀察，查閱有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專著，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)防裂縫的措施等進(jìn)行簡要闡述。

關(guān)鍵詞：混疑土；溫度應(yīng)力；裂縫；控制

中圖分類號：TU755.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198（2008）01-0297-02

混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。而混凝土的裂縫較為普遍，在橋梁工程中裂縫幾乎無所不在。盡管在施工中采取各種措施，但裂縫仍然時有出現(xiàn)。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。首先，在施工中混凝土常出現(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，因此本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和處理措施作一探討。

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，導(dǎo)致內(nèi)部裂縫。混凝土是一種脆性材料，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與長期加荷時的極限拉伸變形相差不大。由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，以及運(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)度又不均勻，存在著許多抗拉能力很低、易出現(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)或鋼筋混凝土的邊緣部位，如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計中均要求不出現(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，一般約為30天。其特征是，一是水泥放出的大量的水化熱，二是混凝土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)力與早請形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土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，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(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。

這兩種溫度應(yīng)力和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小比較復(fù)雜，計算混凝土溫度應(yīng)力時，必須考慮徐變的影響。

3 溫度的控制和防止裂縫的兩項措施

控制溫度的措施如下： 

(1)采用改善骨料級配，用干硬性混凝土，混合料，加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，通過冷水降溫；（5）規(guī)定合理的拆膜時間，氣溫驟降時進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇溫度梯度；（6）施工中長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。

改善約束條件的措施：

（1）合理的分縫分塊；（2）避免基礎(chǔ)過大起伏；（3）合理的安排施工工序，避免過的高差的側(cè)面長期暴露。

改善混凝土的性能，提高抗裂能力，防止表面于縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫十分重要，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)的整體性十分困難，因此施工中應(yīng)以預(yù)防裂縫的發(fā)生為主。

混凝土的施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，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應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時間，以免引起表面的早期裂縫。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，此時表面溫度亦較氣溫為高，此時拆除模板，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，就有導(dǎo)致裂縫的危險，但可以在拆除模板后及時在表面覆蓋輕型保溫材料。

鋼筋對大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小，只對一般鋼筋混凝土有影響。溫度不太高及應(yīng)力低于屈服極限的條件下，鋼的各項性能是穩(wěn)定的，而與應(yīng)力狀態(tài)、時間及溫度無關(guān)。鋼筋的線脹系數(shù)與混凝土線脹系數(shù)相差很小，溫度變化時兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應(yīng)力。鋼筋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，鋼筋的應(yīng)力將不超過100-200kg／cm2。利用鋼筋防止細(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。

為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開裂，提高混凝土耐久性，正確使用外加劑是減少開裂的措施之一。如使用減水防裂劑，筆者在實踐中總結(jié)出其主要作用：

（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，是混凝土干縮變形。增大毛細(xì)管孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會使混凝土強(qiáng)度降低。（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)度時裂縫就會產(chǎn)生。減水防裂劑可有效提高的混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土抗裂性能。(7)外加劑可使混凝土密實性好，有效地提高混凝土抗碳化性，減少碳化收縮。(8)減水防裂劑可使混凝土緩凝時間適當(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，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮．

4 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實踐證明，混凝土常見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)的溫度驟降形成的裂縫。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，一是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。二是使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度和抗裂能力。

適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的。混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。

新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求，但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化，表面混凝土容易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)關(guān)鍵時期．在施工中應(yīng)切實重視起來。

5 結(jié)束語

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)防和改善措施意見比較統(tǒng)一，在實踐中的應(yīng)用效果較好，具體施工中要靠多觀察、多比較，多分析、多總結(jié)，結(jié)合多種預(yù)防處理措施，混凝土的裂縫是可以避免的。