大體積混凝土施工期間的溫度裂縫控制

黃作俊

摘要：大體積混凝土由于體積厚大，混凝土的導熱系數較小，水泥水化產生的熱量不容易散失，內部的溫升會很高，從而產生很大的溫度應力，導致出現溫度裂縫。通過多年的現場觀察和相關資料的積累，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進行了闡述。

關鍵詞：混凝土；溫度應力；裂縫；控制

所謂大體積混凝土，一般是指現場澆筑的混凝土其尺寸大到必須采取措施以對付水泥水化產生的熱量以及伴隨發生的體積變化，盡量減少溫度裂縫。在大體積混凝土中，溫度應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溫度裂縫，影響到結構的整體性和耐久性。其次，在運轉過程中，溫度變化對結構的應力狀態具有不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文主要針對施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一闡述。

1.裂縫產生的原因

根據有關資料，由施工因素造成的混凝土早期裂縫占80%左右，因混凝土材料方面的原因造成的裂縫占15%左右，因設計不當造成的裂縫占5%左右。因此，下面主要從施工角度討論產生裂縫的原因。

1.1違章施工、不當施工造成混凝土裂縫

夏季施工時由于運輸車交通不暢耽擱時間，在泵車出料時混凝土的經時坍落度損失較大，混凝土的和易性和流動性較差，現場工人人為加水，造成混凝土強度的降低，加水部分的混凝土水灰比和強度與原配合比的混凝土不同造成的凝縮裂縫和干縮裂縫。

主要結構部位模板支撐不利，或拆模過早造成混凝土內部受振，或者混凝土內部在未達到設計強度時超負荷造成裂縫。施工時預留孔洞、預埋通風采暖水電管道不引起重視，未采取鋼筋加強措施，造成裂縫。混凝土養護工作管理不嚴，造成混凝土早期強度增長時失水，收縮量大，產生裂縫。種種原因造成混凝土運輸車不能及時到達及時供料，現場澆筑停歇時間超過混凝土終凝時間，而又沒有按施工縫處理好接頭部位等。

1.2振搗方式不當引起裂縫

不正確的振搗方式會造成混凝土分層離析、表面浮漿而使混凝土面層開裂，或造成混凝土砂漿大量向低處流淌致使混凝土產生不均勻沉降收縮而在結構厚薄交界處出現裂縫。

商品混凝土由于采用攪拌車運輸、泵送澆筑，混凝土坍落度比較大，凝結時間比較長，一般混凝土初凝時間都在10小時以上甚至更長，即使在炎熱的夏天，在摻了高效緩凝減水劑后，澆搗好的混凝土表面被太陽暴曬，水分蒸發很快，形成一層幾毫米厚的“被子”，看上去混凝土似乎己凝結，實際上內部還遠未達到初凝，甚至還能流動。我們曾多次用貫入阻力儀測定摻了高效緩凝減水劑的混凝土砂漿在太陽直曬之下的凝結時間，結果初凝時間都在12～16小時。這樣的混凝土若不進行二次振搗和多次抹面，混凝土表面不可避免會出現裂縫。開始是淺表性的、窄細的，若不及時處理，裂縫就會擴展，由于應力集中，最終的裂縫很可能是貫穿性的。采用二次振搗可以消除因塑性沉降引起的混凝土內分層，阻斷因泌水而留下的連貫通道，改善骨料界面結構，提高混凝土強度和抗滲能力；采用二次以上抹面，可以有效提高因泌水而削弱的混凝土表面強度，消除“被子”現象，使混凝土因水分蒸發而引起的塑性裂縫及時得到愈合。

有人怕二次振搗會影響混凝土強度，實際上對初凝前的混凝土進行二次振搗不僅不會降低強度，反而會使強度提高。我們曾做過試驗，在進行混凝土試塊制作的同時，留出一份試樣過三小時后再去做試塊，試壓結果是三小時后做的試塊強度反而高。這就說明由于二次振搗消除了混凝土內分層，改善了骨料界面狀況，提高了強度。

1.3養護不當引起混凝土開裂

現場養護不當是造成混凝土收縮開裂最主要的原因。

混凝土澆筑后，若表面不及時覆蓋進行潮濕養護，表面水分迅速蒸發，很容易產生收縮裂縫，特別是在氣溫高、相對濕度低、風速大的情況下，干縮更容易發生。有資料表明，當風速為16m/s時，混凝土中的水分蒸發速度是無風時的四倍。

目前，許多施工現場在澆筑混凝土時都不能做到及時覆蓋保溫養護，一般總要等到最后一遍抹光結束后才覆蓋，還有很多工地根本就不予覆蓋，結果混凝土表面開裂。正確的做法應該是在第一次抹平后就立即用塑料薄膜覆蓋，不讓水分蒸發，依靠混凝土自身的水分進行保濕養護。需進行第二次抹光時，揭開薄膜，抹完了再及時蓋上。

摻加粉煤灰時必須有充分的保水養護才能較好地發揮其功能性，而外加劑如微膨脹劑在反應過程中也需要大量的結合水，否則影響其補償收縮、抵抗裂縫的效果，故養護時保濕工作未做好會導致混凝土的抗裂。

對于保濕養護的時間，肯定是越長越好。養護14天的混凝土的收縮比只養護3天的收縮降低約20%。因此，國家驗收規范規定混凝土澆筑后的保溫養護時間不得少于14天，但由于工程工期的制約，絕大多數施工人員做不到，所以混凝土出現干縮裂縫就在所難免了。

2.溫度應力的分析

2.1根據溫度應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形成殘余應力。

（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。

2.2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，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。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，減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。

3.1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，摻混合料，加入引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量；

（2）拌合混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度；

（3）熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱：

（4）在混凝土中埋設水管，通入冷水降溫；

（5）規定合理的拆模時間，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；

3.2改善約束條件的措施是：

（1）合理地分縫分塊；

（2）避免基礎過大起伏；

（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時，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。

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，鋼的各項性能是穩定的，而與應力狀態、時間及溫度無關。鋼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100～200kg/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。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。這個表面張力理論早在六十年代就已被國際上所確認。

（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。減水防裂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）摻減水防裂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，表面易抹平，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.結束語

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，雖然學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論，但對于具體的預防和改善措施意見還是比較統一，同時在實踐中的應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。