淺析混凝土溫度裂縫的產生與控制

路東生

[摘要]通過多年施工經歷及現場觀察，本文對混凝土溫度裂縫產生的原因、現場混凝土溫度的控制和預防裂縫的措施等進行了闡述。

[關鍵詞]混凝土；溫度應力；裂縫

混凝土的裂縫較為普遍，本文從分析施工中混凝土常常出現溫度裂縫的原因人手，就溫度應力、溫度控制及溫度裂縫處理做了一探討。

1溫度裂縫的原因

混凝土產生裂縫有多種原因，主要有溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，結構的不合理，原材料不合格(如堿骨料反應)，模板變形以及基礎不均勻沉降等。其中，溫度變化是施工中產生裂縫常見的原因。其機理大致如下：

1.1混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1／10左右，由于原材料不均勻，水灰比不穩定，及運輸和澆筑過程中的離析現象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現裂縫的薄弱部位。

1.2混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或老混凝土的約束，又會在混凝土內部出現拉應力，氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力，當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現裂縫。

1.3許多混凝土的內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生劇烈變化。如養護不周、時于時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。

1.4在鋼筋混凝土中，拉應力主要是由鋼筋承擔，混凝土只是承受壓應力。在素混凝土或鋼筋混凝土的邊緣部位，如果結構內出現了拉應力，則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度，往往在這些部位易引起相當大的拉應力，從而也易出現裂縫。

由上可見，由于溫度變化導致混凝土中產生溫度應力是施工中裂縫產生的最主要、最常見的原因。

2溫度應力的分析

溫度應力的形成過程可分為以下三個階段：

2.1早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，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形成了殘余應力。

2.2中期：自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止，這個時期中，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力疊加形成。

2.3晚期：混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加形成拉應力。相應溫度應力引起的原因，混凝土中溫度應力可分為如下兩類：

2.3.1自生應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如，橋梁墩身，結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現拉應力，在中間出現壓應力。

2.3.2約束應力：結構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力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要想根據已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作，在大多數情況下，需要依靠模型試驗或數值計算。此外，混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松弛，計算溫度應力時，必須考慮徐變的影響，具體計算這里就不再細述。

3溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫，減輕溫度應力，筆者認為應從控制溫度和改善約束條件兩方面著手。

3.1控制溫度的措施

3.1.1改善骨料級配，用于硬性混凝土，摻混合料，加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量。

3.1.2拌合混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。

3.1.3熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱。

3.1.4在混凝土中埋設水管，通入冷水降溫。

3.1.5規定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫。在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發，表面引起相當大的拉應力，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，從而在表面附加一定拉應力，與水化熱應力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應力達到很大的數值，就有導致裂縫的危險，因此，在混凝土的施工中，在混凝土的施工中，應考慮拆模的適當時間。如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一層輕型保溫材料，如泡沫海綿等，對于防止混凝土表面產生過大的拉應力，具有顯著的效果。

3.1.6混凝土的早期養護。混凝土的早期養護，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，適宜的溫濕度條件是相互關聯的，混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。適宜的溫濕條件有兩個方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫度、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行，以期達到設計的強度和抗裂能力。

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。但由于蒸發等原因常引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化，表面混凝土最容易受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養護的關鍵時期，在施工中應切實重視起來。

3.2改善約束條件的措施

3.2.1合理地分縫分塊。

3.2.2避免基礎過大起伏。

3.2.3合理的安排施工工序，避免過大的高差和側面長期暴露。

3.2.4大體積混凝土中合理加筋。加筋對大體積混凝土的溫度應力影響很小，因為大體積混凝土的含筋率極低。只是對一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下，鋼筋的各項性能是穩定的，其應力狀態與時間及溫度無關。鋼筋的線脹系數與混凝土線脹系數相差很小，在溫度變化時兩者間只發生很小的內應力。由于鋼筋的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍，當混凝土內應力達到抗拉強度而開裂時，鋼筋的應力將不超過100～200Kg/cm2。因此，在混凝土中想要利用鋼筋來防止細小裂縫的出現很困難。但加筋后結構內的裂縫一般就變得數目多、間距小、寬度與深度較小了。如果鋼筋的直徑細而間距密時，對提高混凝土抗裂性的效果較好。

3.2.5正確使用外加劑。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，例如使用減水防裂劑，筆者在實踐中總結出其主要作用為：(1)混凝土中存在大量毛細孔道，水蒸發后毛細管中產生毛細管張力，使混凝土干縮變形，增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力，但會使混凝土強度降低。因而，使用減水劑降低混凝土的用水量，可有效減少混凝土的收縮。(2)水泥用量也是混凝土收縮的重要因素，摻加減水劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15％的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補充。(3)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。(4)提高水泥漿與骨料的粘結力，從而提高混凝土抗裂性能。(5)混凝土在收縮時受到約束拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水劑可有效的提高的混凝土抗拉強度，大幅提高混凝土的抗裂性能。(6)摻加外加劑可使混凝土密實性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。(7)摻減水劑后混凝土緩凝時間適當，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮。(8)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，減少干燥收縮。

我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究，正確使用外加劑，比單純的靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經濟。

4結束語

總之，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養護，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質量對防止裂縫是十分重要的。

本文只對混凝土的施工溫度與裂縫之間的關系進行了理論和實踐上的初淺探討，具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現問題后多分析、多總結，結合多種預防處理措施，混凝土的裂縫是完全可以避免的。