大體積混凝土結構溫度裂縫成因及預防

劉文化，劉艷玲

（1. 紹興工程建設監理有限公司，浙江 紹興 312000，2. 中國人民解放軍63888部隊，河南 濟源 454650）

1 引言

高層、超高層建筑以及高聳結構建筑物、大型設備的基礎，都是截面尺寸較大、較厚的鋼筋混凝土底板，屬于大體積混凝土結構。

混凝土是一種多元、多相、非勻質水泥基復合材料。混凝土又是彈性模量較高而抗拉強度較低的材料，在受約束條件下只要發生少許收縮，產生的拉應力往往會大于該齡期混凝土的抗拉強度，導致混凝土發生裂縫。大體積混凝土由于截面尺寸較大，在混凝土硬化期間水泥水化過程中所釋放的水化熱所產生的溫度變化和混凝土收縮，以及外界約束條件的共同作用，而產生的溫度應力和收縮應力是導致大體積混凝土結構出現裂縫的主要因素。本文就重點談談混凝土溫度裂縫產生的原因和防止產生裂縫的措施。

2 大體積混凝土溫度裂縫產生的原因分析

2.1 水泥水化熱引起的溫度應力和溫度變形，即內外溫差影響

大體積混凝土澆筑后，水泥的水化熱很大，每克水泥水化熱釋放出大約500 J的熱量。另外，一般每100 kg水泥可使混凝土溫度升高 10 ℃左右，加上混凝土的入模溫度，在澆筑后的2 d～3 d內，混凝土的內部溫度可達到50 ℃～80 ℃。由于混凝土的熱傳導性能低，使得熱量難以擴散到環境中去，聚集在內部的水化熱不易散發，混凝土的內部溫度將顯著升高。同時由于混凝土表面散熱較快，這樣就容易形成較大的內外溫差，就會產生溫度應力和溫度變形。而混凝土的線膨脹系數約為 10×10－6/℃，即溫度每升高或降低 10 ℃，混凝土會產生0.01 %的線膨脹或收縮。溫度應力與溫差成正比，溫差越大，溫度應力也越大。當混凝土內部與表面溫差過大時，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，由于此時的混凝土抗拉強度較低，就會在混凝土表面產生裂縫。而混凝土內部的溫度與混凝土厚度及水泥用量有關，混凝土愈厚，水泥用量愈大，內部溫度愈高。所形成的溫度應力與混凝土的結構尺寸有關，在一定范圍內，混凝土結構尺寸愈大，溫度應力也愈大，因而引起裂縫的可能性也越大。

2.2 外界溫度變化的影響

大體積混凝土在施工階段，經常受到外界氣溫變化的影響（如寒潮來臨、冷空氣影響、暴雨襲擊、保溫層失效、撤除保溫層時間不當以及過早拆模等）。混凝土內部溫度是水泥水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和混凝土的散熱溫度三者的疊加，其中澆筑溫度與外界氣溫有直接關系。一般而言，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也越高。當氣溫下降，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與混凝土內部的溫度梯度，引起混凝土外表面與環境產生溫差，從而形成溫度應力，導致混凝土表面產生裂縫。

2.3 內部約束條件的影響

大體積混凝土澆筑在基巖或陳舊混凝土時，由于基巖或陳舊混凝土的壓縮模量或彈性模量較高，當溫度變化時，所產生的溫度變形受到基巖或陳舊混凝土的約束限制，而在新澆混凝土內部形成溫度應力。混凝土在早期溫度上升階段，約束阻止新澆混凝土的溫度膨脹變形，導致在混凝土內產生壓應力；而在降溫階段，新澆混凝土收縮（降溫收縮與干縮）受到較強的地基或基礎的約束而在內部形成拉應力。由于升溫較快，此時新澆混凝土的彈性模量較低，且徐變影響又較大，因此壓應力較小；但是經過恒溫階段的降溫時，新澆混凝土的彈性模量已較大，形成的拉應力也較大，除了抵消升溫產生的壓應力外，還存在較高的拉應力，導致內部產生裂縫。當結構厚度較小且約束較大時，由于拉應力分布較均勻，從而產生貫穿全斷面的裂縫，影響結構安全和造成滲漏。[1]

3 防止大體積混凝土溫度裂縫的主要措施

為了有效地控制大體積混凝土結構溫度裂縫的出現和發展，必須從控制混凝土的水化升溫、延緩降溫速率、改善約束條件等方面全面考慮，結合實際采取切實有效的措施。

3.1 減少水泥用量，降低水泥水化熱

（1）合理選擇混凝土的配合比，盡量選用水化熱低和安定性好的水泥，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥等。

（2）在滿足設計強度要求的條件下，盡可能減少水泥的用量，以減少水泥的水化熱。根據試驗，每立方米混凝土減少10 kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應降低1 ℃。

（3）在混凝土中摻加超細礦物粉（如粉煤灰、超細礦渣等）代替部分水泥，減少水泥用量。

（4）在混凝土中摻入高效減水劑，提高混凝土強度，以減少水灰比。

（5）利用60 d或90 d的強度代替28 d強度，以減少水泥用量。

（6）采用中砂、粗骨料，如用5 mm～40 mm的石子代替5 mm～20 mm的石子，可減少水泥用量。

（7）在無筋或少筋的大體積混凝土結構中，征求設計單位或有關部門同意后，可摻加不超過混凝土總量20 %的大石塊，減少混凝土的用量，從而降低水泥用量和降低水化熱。

（8）摻入適量的微膨脹劑（如UEA），可減少水泥用量。

（9）采用保溫法施工控制內外溫差，即通過保溫材料（如草袋、鋸末、塑料布等）提高混凝土表面及四周散熱面的溫度。

（10）采用分層與分段澆筑法，使混凝土的水化熱能盡快散失。

（11）當大體積混凝土平面尺寸過大時，可適當設置后澆帶，以減少外約束力和溫度作用，同時也利于散熱，降低混凝土的內部溫度。

3.2 降低混凝土入模溫度

（1）選擇適宜的溫度和時間澆筑混凝土，盡量避免炎熱天氣，如采取晚上澆筑。

（2）夏季可采用低溫水或冰水攪拌混凝土，對骨料可進行護蓋或設置避免暴曬設施，對運輸工具也可設置暴曬設施等。

（3）摻加相應的緩凝性減水劑，如木質素磺酸鈣等。

（4）在混凝土入模時，采取措施改善和加強入模的通風，加速模內熱量的散失。

3.3 加強施工中的溫度控制

（1）規定合理的拆模時間，做好混凝土長時間的養護，延緩降溫時間和速度，充分發揮混凝土的“應力松弛效應”。

（2）在混凝土澆筑后，做好混凝土的保溫保濕養護，緩慢降溫，充分發揮徐變特性，減低溫度應力，夏季應注意避免暴曬，注意保濕，冬季應采取措施保溫覆蓋，以免發生急劇的溫度梯度發生。

（3）加強測溫和溫度監測與管理，實行信息化控制，隨時控制混凝土內的溫度變化，內外溫差控制在 25 ℃以內，基面溫差和基底溫差均控制在 20 ℃以內，及時調整保溫及保濕措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不致過大。

（4）合理安排施工程序，控制混凝土在澆筑過程中均勻上升，避免混凝土拌合物堆積過大高差。在結構完成后及時回填土，避免其側面長期暴露。

（5）當存在內部溫差控制要求時，除了采取切實措施降低澆筑溫度外，主要應設法降低水泥水化熱升溫，即在混凝土內埋設蛇形冷卻水管，進行通水冷卻，可降低內部溫度6 ℃～10 ℃。

3.4 改善約束條件，削減溫度應力

（1）采用分層或分塊澆筑大體積混凝土，合理設置水平或垂直施工縫，或在適當的位置設置后澆帶，以放松約束程度，減少每次澆筑長度的蓄熱量，以防止水化熱的聚集，減少溫度應力。[2]

（2）當大體積混凝土基礎設置于巖石類地基或舊的混凝土基礎上時，宜在大體積混凝土基礎與基巖或基礎與墊層之間設置滑動層，可采取以下做法來消除嵌固作用，釋放約束應力：①可采用一氈二油，在夏季施工時也可采用一氈一油等瀝青油氈層作為緩沖層；②利用防水層上的保護層在早期強度較低時，澆筑底板大體積混凝土；③在基巖或舊混凝土地基的墊層上鋪設250 mm厚級配砂石，作為緩沖層。

（3）設備基礎合理設置分倉縫，釋放約束應力。

3.5 混凝土的早期養護

實踐證明，混凝土常見的裂縫，大多數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的溫度驟降也容易形成裂縫。因此，混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤為重要。

從溫度應力觀點出發，保溫應達到下述要求：

（1）防止混凝土內外溫度差及混凝土表面溫度梯度，防止表面裂縫。

（2）防止混凝土超冷，應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩定溫度。

（3）防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束。

3.6 其他措施

改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養護，防止表面干縮，特別注意避免產生貫穿裂縫。在大體積混凝土表面增加鋼筋網片對防止混凝土表面開裂或出現裂縫可起到一定的作用，同時正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。

4 結束語

以上對混凝土的施工溫度與裂縫之間的關系進行了初步的探討。工程實踐中對于裂縫具體的預防和改善措施意見較統一，為預防混凝土的溫度裂縫提供一定的經驗。

1 郝臨山、陳晉中.高層與大跨建筑施工技術[M].北京：機械工業出版社，2004

2 混凝土質量專業委員會等.鋼筋混凝土結構裂縫控制指南[M].北京：化學工業出版社，2004