混凝土施工過(guò)程溫度與裂縫預(yù)控

李曉峰

(西北大學(xué)基建處710068  西安)

    在混凝土過(guò)程中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義，這主要是由于兩方面的原因混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在使用過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)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。對(duì)混凝土裂縫的成因和處理措施如下：

1.裂縫的原因

    混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因：主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和骨料不均勻以及結(jié)構(gòu)不合理、原材料缺陷性問(wèn)題(如堿骨料反應(yīng))，模板變形，基礎(chǔ)使用過(guò)程不均勻沉降等。混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力，后期在降溫過(guò)程中由于受到基礎(chǔ)或原混凝土的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周，時(shí)干時(shí)濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫。混凝土是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的l／10左右，短期加荷時(shí)的極限拉伸變形只有(0．6～1．0)X104，長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限位伸變形也只有(1．2—2．0)*104。由于原材料的不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的離析現(xiàn)象在同一塊，混凝土中其抗拉強(qiáng)度又不是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位在鋼筋砼中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或著只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力可超過(guò)其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。  

2.溫度應(yīng)力的分析

    根據(jù)施工過(guò)程中溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下階段：①早期：自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天。這個(gè)階段的兩個(gè)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(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。②中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中，溫度應(yīng)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(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

    根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類(lèi)： (1)自生應(yīng)力：邊界上沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線(xiàn)性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)溫度應(yīng)力。(2)約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)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(yīng)力。如箱梁頂板混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)?shù)乃沙冢�這里不再細(xì)述。 

3.施工過(guò)程溫度的控制和防止裂縫的措施：

    為了防止裂縫，減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手。控制溫度的措施如下：

    (1)采用改善骨料級(jí)配，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；

    (2)拌合混凝土?xí)r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?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；      

    (4)規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

    (5)施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)。在寒冷季節(jié)采取保溫措施；改善約束條件的措施是：

    A：合理地分縫分塊；

    B：合理的安排施工工序，避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露；此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主；正確的使用減水、防裂外加劑也是減少開(kāi)裂的有效措施。

    在混凝土的施工中，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模，當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模，在表面上引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，此日寸表面溫度亦較氣溫為高，此時(shí)拆除模板，表面溫度驟降，必須引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫、海棉等，對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

    c：為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開(kāi)裂，提高混凝土的耐久性，正確作用外加劑也是減少開(kāi)裂的措施之一。

    (1)混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形，增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。這個(gè)表面張力理論早在六十年代就已被國(guó)際上所公認(rèn)。  

    (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時(shí)減少25％。

    (3)水泥用量也是混凝土收縮的重要因素，摻減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下，可減少15％的水泥用量，其體積用增加骨料的用量來(lái)補(bǔ)  充。

    (4)減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混  凝土泌水，減少收縮變形。    

    (5)提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高的混凝土抗裂性能。 

    (6)混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)發(fā)生，減水防裂劑可有效的提高混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅度提高混凝土的抗裂性能。   

    (7)摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。 

    (8)摻加減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長(zhǎng)期不凝而帶來(lái)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(fā)，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?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。

4.混凝土的早期養(yǎng)護(hù) 

    實(shí)踐證明，混凝土常見(jiàn)的裂縫，大多數(shù)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(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要，從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā)，保溫應(yīng)達(dá)到下述要求。

    (1)防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。 

    (2)防止混凝土冷卻過(guò)快，應(yīng)該盡量設(shè)法控制混凝土的施工期降溫速率。     

    (3)防止老混凝土過(guò)冷，以減少新老混凝土間的約束。

    混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)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(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。適宜的溫度條件是相互關(guān)聯(lián)的，混凝土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(mǎn)足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)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(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來(lái)。   

    對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系及具體的預(yù)防和改善措施有了一定的了解，實(shí)際運(yùn)用效果將會(huì)比較理想。在施工中通過(guò)我們?nèi)�面觀察、正確分析、結(jié)合多種預(yù)防處理措施，混凝土的裂縫是可以避免的。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)