浅谈大体积混凝土施工中温度裂缝控制

来源:用户上传      作者:

　　摘要：混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在当今，混凝土的裂缝较为普遍。尽管我们在施工中采取各种措施，小心谨慎，但裂缝仍然时有出现。究其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。温度裂缝大都产生在大体积混凝土表面或温差较大的地区。由于混凝土体积大，大量水化热积聚在内部不易散发，导致混凝土内部温度急剧上升，而外部散热较快，从而产生内外的较大温差，使得内外热胀冷缩程度不同，使得混凝土表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉极限强度时就产生裂缝。
　　关键词 混凝土 温度应力 裂缝 控制
　　1 前言
　　 混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等优点。正因如此，混凝土的质量控制（尤其是裂缝控制）具有重要意义。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝，因此本文仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一探讨。
　　2 裂缝的原因
　　2.1 混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。
　　2.2 温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热，（当水泥用量在350-550 kg/m3，每立方米混凝土将释放出17500-27500kJ的热量，从而使混凝土内部温度升达70℃左右甚至更高）。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
　　3 温度应力的分析
　　3.1 根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：
　　3.1.1 早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。
　　3.1.2 中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。
　　3.1.3 晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。
　　3.2 根据温度应力引起的原因可分为两类：
　　3.2.1 自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。
　　3.2.2 约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。
　　 这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。
　　4 温度的控制和防止裂缝的措施
　　4.1 尽量选用中低水化热，且C3A/SO3、Na2O、K2O含量较低，C3AF含量较高的水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。水泥中的MgO, SO3 含量不能超标，当石膏掺量过多时（为防止铝酸三钙水化的瞬凝，一般掺水泥重量3%的二水石膏），在水泥石硬化后还会与水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙吸水膨胀，又称钙矾石，分子组团3CaO・Al2 O3・3Ca So4・31H2O难溶于水，呈针状晶体，体积增大1.5倍以上，对水泥石起较大的破坏作用，即常称的“水泥杆菌”。
　　4.2 改善骨料级配
　　4.2.1 多孔的可压缩的骨料会使混凝土的干缩显著增大，使用差的骨料收缩约为好骨料的两倍；同时，热膨胀系数很小或各向异性的骨料对收缩开裂产生较大影响。所以调整好砂、石颗粒级配，减少砂中的含泥量、针片状颗粒含量、石粉含量等，会因减少拌合需水（以至水泥量）而减小混凝土的干缩性（以至发热性）；另外，带棱角有麻面的碎石则较有利于混凝土的抗拉性能（比之光圆卵石）。
　　4.2.2 值得指出的是：粗骨料岩石种类也可对混凝土的干缩性和冷缩性发生重要影响，混凝土干缩率受骨料岩石的影响见下表：
　　 粗骨料岩石种类对混凝土的干缩率的影响
　　
　　4.3 添加掺合料
　　4.3.1 粉煤灰：粉煤灰是煤粉煅烧后，熔解成分受到急冷的生成物，具有较大的活性，能增加拌合物的和易性能。粉煤灰可以和水泥水化放出的Ca(HO)2反应，速度与水泥相比相当小，水化热也小；因此粉煤灰可有效抑制混凝土的升温，降低混凝土开裂机率。
　　4.3.2 矿渣超细粉：矿渣超细粉是将水淬高炉矿渣经磨细而成。主要化学成份：SiO2、Cao、Al2O3、MgO等约占96 %。具有活性高的特性，在适当条件下（如碱、硅酸盐）可与水泥水化析出的Ca(HO)2产生二次水化反应，生成低碱C-S-H水化产物，使Ca(HO)2被大量吸收，晶体的尺寸和取向度（定性排列）被消弱，产生填充作用和致密作用，使混凝土中缺陷减少，同时水化热反应低，推迟水化热峰值的出现，降低碱度，抗腐蚀性能提高。所以混凝土中掺矿渣超细粉的作用是可抑制水化热引起的升温，防止温度裂纹；提高耐水性能，防止Cl侵蚀钢筋；抑制碱骨料反应；长时间确保在较高的外界气温条件下的和易性等。
　　4.3.3 外加剂:为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，改善混凝土拌合物的流动性、保水性，降低水化热，推迟热峰的出现时间。
　　4.4 优化配合比设计
　　4.4.1 降低水灰比（W/C），将水灰比控制在一个适宜的范围。因为水灰比过大，失水多，其干燥收缩将显著增加，随之抗拉强度降低。
　　4.4.2 减少水泥用量，将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下。水泥用量愈大，自然收缩愈大，愈容易开裂。
　　4.4.3 控制好用水量，混凝土用水量是控制混凝土开裂的重要因素。在水灰比不变，增加水泥用量的同时增加用水量（即水泥浆量）的情况下，混凝土收缩将增加，同时表面含水量高，泌水量大，表面早期收缩大。减少用水量，在保持强度相同的条件下，可随之降低水泥用量，从而减少混凝土的温度收缩、自然收缩和干缩。

　　4.4.4 控制好砂率，砂率的大小应控制在最佳的范围内。砂率过大收缩也增加，砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩增加2～5倍。
　　4.5 降低拌合温度。混凝土的浇筑温度取决于混凝土的拌合温度，为降低拌合温度最常采取的措施是使用冷水或掺加冰屑水进行拌合，还可以考虑的措施是使用冷水（冷气）将骨料降温或向骨料堆上喷洒冷水降温等，特殊情况下甚至是采用真空法将骨料降温或采用液氮法将拌合温度降低。
　　4.6 施工过程中的温度及裂缝控制措施
　　4.6.1 大体积混凝土的温度应力与结构尺寸相关，混凝土结构尺寸越大，温度应力越大，因此要合理安排施工工序，分层、分块浇筑，以利于散热，减小约束。
　　4.6.2 在大体积混凝土内部设置冷却管道，通冷水或者冷气冷却，减小混凝土的内外温差。
　　4.6.3 高温季节浇筑时可以采用搭设遮阳板等辅助措施控制混凝土的温升，降低浇筑混凝土的温度。
　　4.6.4 在混凝土中配置少量的钢筋或掺入纤维材料将混凝土的温度裂缝控制在一定范围内。
　　4.6.5 加强混凝土温度的监控，及时采取冷却、保护措施。
　　4.6.6 预留温度收缩缝。
　　4.7 混凝土的妥善养护
　　4.7.1 养护混凝土主要是为了保证混凝土正常凝结硬化，即要保持混凝土裸露面充分湿润，防止水分蒸发外散；也要保持混凝土体表温度变化适宜，使之能符合混凝土强度发展需要和避免混凝土表里温差、内外温差大到有害程度。
　　4.7.2 混凝土温升大多在2～5天内就可达最大（峰）值，然后随体表散热而逐渐降温，降温期中弹性模量增加，徐变系数减小，混凝土降温收缩拉应力则有可能增大到引发裂缝的程度。混凝土散热降温通常是从表面向内部发展，表面温差愈大尤其是温度梯度愈陡，表层较冷混凝土在内层较热混凝土约束下产生的收缩拉应力亦愈大，愈容易引发裂缝。所以养护时需及时保温，使表面温度缓缓下降以减小表里温差，减免混凝土温度裂缝。养护时控制升温速度不应大于15℃/小时,降温速度不应大于10℃/小时,并缓慢暴露混凝土,避免急热。养护期间控制结构与外界温度差在25℃以内。
　　此外，在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加拉应力，与水化热应力迭加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就有导致裂缝的危险，但如果在拆除模板后及时在表面覆盖轻型保温材料，如泡沫、海棉等，对于防止混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著的效果。
　　5 结语
　　 以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨，虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论，但对于具体的预防和改善措施意见还比较统一，同时在实践中的应用效果也是比较好的，具体施工中要靠我们多观察、多比较，出现问题后多分析、多总结，结合多种预防处理措施，混凝土的裂缝是完全可以避免的。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-590878.htm