淺談混凝土的施工溫度與裂縫

張建立 孫繼紅

0 引言

混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂縫較為普遍,在橋梁工程中裂縫幾乎無所不在。盡管我們?cè)谑┕ぶ胁扇「鞣N措施,小心謹(jǐn)慎,但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)。究其原因,我們對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。

在大體積混凝土中,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：首先,在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫,影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫,因此本文僅對(duì)施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一探討。

1 混凝土裂縫的分類

混凝土裂縫是混凝土的一種常見病和多發(fā)病。病情絕大多數(shù)發(fā)生于施工階段,其原因復(fù)雜多變,一般可分為微觀裂縫和宏觀裂縫兩大類。

微觀裂縫是指肉眼看不到的、混凝土內(nèi)部固有的一種裂縫,它是不連貫的。寬度一般在 0.05mm以下,這種混凝土本身固有的微觀裂縫,荷載不超過設(shè)計(jì)規(guī)定的條件下,一般視為無害。

宏觀裂縫寬度在0.05mm以上,并且認(rèn)為寬度小于0.2mm～0.3mm的裂縫是無害的,但是這里必須有個(gè)前提,即裂縫不再擴(kuò)展,為最終寬度。

2 混凝土裂縫的成因

裂縫產(chǎn)生的形式和種類很多,有設(shè)計(jì)方面的原因,但更多的是施工過程的各種因素組合產(chǎn)生的,要根本解決混凝土中裂縫問題,還是需要從混凝土裂縫的形成原因入手。正確判斷和分析混凝土裂縫的成因是有效地控制和減少混凝土裂縫產(chǎn)生的最有效的途徑。

2.1 混凝土的收縮

收縮是混凝土的一個(gè)主要特性,對(duì)混凝土的性能有很大影響。由于收縮而產(chǎn)生的微觀裂縫一旦發(fā)展,則有可能引起結(jié)構(gòu)物的開裂、變形甚至破壞。產(chǎn)生收縮裂縫的原因,一般認(rèn)為在施工階段因水泥水化熱及外部氣溫的作用引起混凝土收縮而產(chǎn)生的裂縫,多為規(guī)則的條狀,很少交叉。常發(fā)生在結(jié)構(gòu)變截面處,往往與受力鋼筋平行。收縮裂縫多發(fā)生在大體積混凝土中,梁、板、柱等小塊體構(gòu)件,預(yù)應(yīng)力構(gòu)件極少產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土收縮裂縫危害較大,尤其是暴露在大氣中的構(gòu)筑物,影響更大。如不加以防治,可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。

2.2 混凝土材料及配合比

配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)直接影響混凝土的抗拉強(qiáng)度,是造成混凝土開裂不可忽視的原因。配合比不當(dāng)指水泥用量過大,水灰比大,含砂率不適當(dāng),骨料種類不佳,選用外加劑不當(dāng)?shù)?這幾個(gè)因素是互相關(guān)聯(lián)的。有關(guān)試驗(yàn)資料顯示：用水量不變時(shí),水泥用量每增加 10%,混凝土收縮增加 5%;水泥用量不變時(shí),用水量每增加10%,混凝土強(qiáng)度降低 20%,混凝土與鋼筋的粘結(jié)力降低 10%。其原因有如下方面：

1)粗細(xì)集料含泥量過大,造成混凝土收縮增大。集料顆粒級(jí)配不良或采取不恰當(dāng)?shù)拈g斷級(jí)配,容易造成混凝土收縮的增大,誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生。

2)骨料粒徑越細(xì)、針片含量越大,混凝土單方用灰量、用水量增多,收縮量增大。

3)混凝土外加劑、摻合料選擇不當(dāng)或摻量不當(dāng)嚴(yán)重增加混凝土收縮。

4)水泥品種原因,礦渣硅酸鹽水泥收縮比普通硅酸鹽水泥收縮大。

5)水泥等級(jí)及混凝土強(qiáng)度等級(jí)原因：水泥等級(jí)越高、細(xì)度越細(xì)、早強(qiáng)越高對(duì)混凝土開裂影響越大?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)越高,混凝土脆性越大、越易開裂。

2.3 使用原因(外界因素)

1)構(gòu)筑物基礎(chǔ)不均勻沉降,產(chǎn)生沉降裂縫。2)使用荷載超負(fù)。3)周圍環(huán)境影響,酸、堿、鹽等對(duì)構(gòu)筑物的侵蝕,引起裂縫。4)意外事件,火災(zāi)、輕度地震等引起構(gòu)筑物的裂縫。

3 溫度應(yīng)力的分析

3.1 溫度應(yīng)力的形成過程

1)早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束,一般約 30 d。這個(gè)階段的兩個(gè)特征：a.水泥放出大量的水化熱;b.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。

3)晚期：混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

3.2 引起溫度應(yīng)力的原因

1)自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu),如果內(nèi)部溫度是非線性分布的,由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力例如,橋梁墩身,結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大,混凝土冷卻時(shí)表面溫度低,內(nèi)部溫度高,在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力,在中間出現(xiàn)壓應(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。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。

4 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。

4.1 控制溫度的措施

1)改善骨料級(jí)配,用干硬性混凝土,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)在混凝土中埋設(shè)水管,通入冷水降溫。

4.2 改善約束條件的措施

1)合理地分縫分塊;

2)避免基礎(chǔ)過大起伏;

3)合理的安排施工工序,避免過大的高差和側(cè)面長期暴露。

5 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明,混凝土常見的裂縫大多數(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,因此說混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。

1)從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā),保溫應(yīng)達(dá)到下述要求：a.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。b.防止混凝土超冷,應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。c.防止老混凝土過冷,以減少新老混凝土間的約束?；炷恋脑缙陴B(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。另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。適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的。混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。

2)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(fā)等原因常引起水分損失,從而推遲或妨礙水泥的水化,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。

6 結(jié)語

以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)踐上的初步探討,雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論,但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見還是比較統(tǒng)一,同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)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(xiàn)問題后多分析、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防處理措施,混凝土的裂縫是完全可以避免的。

[1] 李竹君.混凝土設(shè)計(jì)與控制[M].重慶：重慶大學(xué)出版社, 2006.

[2] [美]科斯馬特卡.混凝土設(shè)計(jì)與控制[M].第 14版.重慶：重慶大學(xué)出版社,2005.