混凝土的施工溫度與裂縫問題探究

摘 要:混凝土因其整體強度較高、可模型、耐久性、耐火性好;易于取材、成本低等優點廣泛應用于各類民用建筑的建造，如何對混凝土結構的裂縫進行控制，是保證混凝土結構可靠性的首要前提，本文粗淺的探討了施工溫度對混凝土裂縫的影響。

關鍵詞:混凝土 溫度 裂縫 探究

中圖分類號:TU452文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0020-02

引言

普通混凝土(以下簡稱混凝土)一般由水泥、砂、石和水所組成。為改善混凝土的某些性能，還常加入適量的外加劑和摻合料。在混凝土中，砂、石起骨架作用，故稱為骨料或集料;水和水泥形成水泥漿，包裹在骨料的表面并填充其空隙。在混凝土硬化前，水泥漿、外加劑與摻合料起潤滑作用，賦予拌合物一定的流動性，便于施工操作。水泥漿硬化后，則將砂、石骨料膠結成一個結實的的整體。砂、石一般不參與水與水泥的化學反應，其主要作用是節約水泥、承擔荷載和限制硬化水泥的收縮。外加劑、摻合料除了起改善混凝土性能的作用外，還有節約水泥的作用。混凝土因其強度較高、可模型、耐久性、耐火性好及現澆混凝土結構的整體性、延性好、易于取材、成本低等優點廣泛應用于各類民用建筑的建造。由于混凝土結構的使用依賴于其良好的整體性，必須要嚴格控制混凝土結構的裂縫，以保證建筑物的可靠性;筆者通過多年的現場施工實踐，查閱了大量的相關文獻，對混泥土施工溫度對裂縫的影響進行了粗淺的探究。

1 裂縫產生的原因

混凝土中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。

混凝土硬化期間釋放出大量水化熱，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上的約束，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。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、時干時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1／10左右，短期加載負荷時的極限拉伸變形只有(0.6～1.0)×102，長期加載負荷時的極限位伸變形也只有(1.2～2.0)×102，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。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。在素混凝土內或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內部出現了拉應力，則需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，往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力，因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

2 溫度應力的分析

溫度應力根據其形成過程可分為以下三個階段:

(1)前期:從澆筑混凝土開始至水化熱放熱基本結束，一般約28天。這個階段混凝土放出大量的水化熱，致使其彈性模量發生急劇變化，由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內部形成殘余應力。

(2)中期:從水化熱放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻至穩定溫度時止。在這個時期，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，這個時期產生的應力與早期形成的殘余應力相疊加。

(3)后期:是指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，這種應力與前兩種的殘余應力相疊加。

根據溫度應力引起的原因可分為兩類:(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，轉換層其結構尺寸相對較大，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)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。如箱梁頂板混凝土或護欄混凝土。

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，使混凝土構件因應力集中形成裂縫，從而影響結構的可靠性。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫，減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。

控制溫度的措施如下:(1)采用改善骨料級配，優先選用低水熱化的礦渣水泥拌制混凝土，并適當使用緩凝劑、摻混合料、加引氣劑或塑化劑、在保證混凝土設計強度等級的前提下適當降低水灰比等措施來減少混凝土中的水泥用量;(2)降低混凝土的入模溫度，如降低拌合水溫度(拌合水中加冰屑或用地下水);骨料用水沖洗降溫，避免暴曬;運輸過程中注意遮陽保溫等;(3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱;(4)在混凝土中預埋冷卻水管，通入冷水降將混凝土內部熱量帶出，進行人工導熱;(5)及時對混凝土覆蓋保溫、保濕材料并進行養護，氣溫驟降時進行表面保溫，以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度;(6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構，在寒冷季節采取保溫措施;

改善約束條件的措施是:(1)合理地分縫分塊;(2)避免基礎出現過大起伏;(3)合理的安排施工工序，避免過大的高差和側面長期暴露;

此外，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，應特別注意避免產生貫穿裂縫，出現后要恢復其結構的整體性是十分困難的，因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。

在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當混凝土溫度高于氣溫時應適當考慮拆模時間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模，在表面引起很大的拉應力，出現“溫度沖擊”現象。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，但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一層輕型保溫材料，如泡沫海棉等，對于防止混凝土表面產生過大的拉應力，具有顯著的效果。

增加鋼筋數量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低;但對一般的鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下，鋼材的各項性能是穩定的，而與應力狀態、時間及溫度無關。鋼材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。由于鋼材的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍，當內混凝土應力達到抗拉強度而開裂時，鋼筋的應力將不超過100～200kgf／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。但增加鋼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;而且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。混凝土和鋼筋混凝土結構的表面常常會發生細而淺的裂縫，其中大多數屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺，但它對結構的強度和耐久性仍有一定的影響。

為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。

例如使用減水劑，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。

(2)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水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，摻入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。

(4)減水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力，提高的混凝土抗裂性能。

(6)混凝土在收縮時受到約束產生拉應力，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。

(7)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。

(8)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，減少干燥收縮。

許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經濟。

4 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。因此說混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。

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。

混凝土的早期養護，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到兩個方面的效果，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行，以期達到設計的強度和抗裂能力。

適宜的溫濕度條件是相互關聯的。混凝上的保溫措施常常也有保濕的效果。

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護的關鍵時期，在施工中應切實重視起來。

5 結語

以上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步探討，學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法雖然有不同的理論，但對于具體的預防和改善措施意見還是比較統一，在實踐中的應用效果也是比較好的，具體施工中我們要多觀察、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。