混凝土温度裂缝产生的原因及控制措施

才芙敏

摘 要:在建设工程中,混凝土结构与构件出现的不同程度的裂缝,对结构造成一定的损伤,其中温度裂缝更为普遍,这严重降低了结构的正常使用功能和耐久性,甚至对结构的安全造成一定的威胁。因此,有效的控制温度裂缝,是目前混凝土结构设计、施工中十分重要的课题

关键词:温度裂缝;危害;控制;措施

目前,混凝土在现代建筑工程建设中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂缝较为普遍,几乎无所不在。混凝土中产生裂缝有多种原因,涉及温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,结构的不合理,原材料、模板不合格等等,但对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一,在混凝土工程中,尤其是在大体积混凝土中,温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先,在施工中混凝土常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。因此仅对施工中混凝土温度裂缝的成因和处理措施进行探讨。

1 原因分析

温度裂缝是混凝土内约束引起的,多发生在大体积混凝土、高强混凝土或温差变化较大地区的混凝土施工过程中。温度裂缝的走向通常无一定规律,大面积结构裂缝常纵横交错。大体积混凝土从浇筑时起,到达到设计强度为止,即施工期间产生的结构裂缝主要是由水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土工程,水泥用量多,结构截面大,因此,混凝土浇筑以后,水泥放出大量水化热,混凝土温度升高。由于混凝土导热不良,体积过大,相对散热较小,混凝土内部水化热积聚难以散失到环境中,导致内部温度急剧上升,而混凝土表面散热较快。升温阶段,混凝土表面温度总是低于内部温度。由于热胀冷缩的程度不同,是混凝土表面产生一定的拉应力。中心部分混凝土膨胀的速度要比表面混凝土快,中心部分与表面质点间形成相互约束,中心属于约束膨胀,不会开裂;表面属于约束收缩,当表面拉应力(t)超过混凝土的极限抗拉强度时,混凝土表面就产生裂缝。随着水泥水化反应的减慢及混凝土的不断散热,混凝土由升温阶段过渡到降温阶段,温度降低,体积收缩。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发,降温阶段,混凝土表面温度与中心温度仍然存在差值,如果过大,同升温阶段一样产生表面裂缝。降温过程,混凝土体积收缩,同时,考虑到边界条件和地基的约束,属于约束收缩。但此时,混凝土龄期增长,强度增大,弹性模量增高,因此,降温收缩产生的拉应力较大,除了抵消升温时产生的压应力外,在混凝土中形成了较高的拉应力(t),超过混凝土的抗拉强度后,就引起大体积混凝土的贯穿裂缝。

水泥水化硬化,水是必备的前提条件,但混凝土为了满足施工和易性的要求,通常所加水量是水泥水化所需水量的数倍,多余的水为游离水,游离水容易蒸发,引起体积收缩(称为干缩)。干缩与混凝土降温产生的冷缩叠加,增大了混凝土中的拉应力,加剧了混凝土中裂缝的产生。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。

2 温度裂缝的危害

温度裂缝对钢筋锈蚀、炭化、抗冻融、抗疲劳等方面都会受到影响。使结构耐久性降低,影响结构的正常使用,更严重者会使钢筋断裂、结构破坏,甚至酿成严重的后果。所以对混凝土的温度裂缝必须及早采取措施。

3 温度的控制和防治裂缝的措施

为了防止裂缝产生,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下:

采用低水化热、高强度水泥, 以降低水泥水化热,提高混凝土的抗裂能力;水泥使用前进行水化热测定,水泥水化热测定按现行国家标准《水泥水化热实验方法(直接法)》测定;改善骨料级配,采用导热性好、线膨胀系数小、级配合理的骨料,减少混凝土温度应力;根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径,选择合理的最大粒径。要优先选用天然连续级配的粗集料,细集料以采用级配良好的中砂为宜。使混凝土具有较好的可泵性,减少用水量、水泥用量,进而降低水化热、混凝土温升和收缩;优化混凝土的配合比,在保证混凝土强度及流动度的条件下,尽量降低混凝土中的水泥用量以减少总的水化热量;拌和混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;热天浇筑混凝土时限制浇筑厚度和最短的浇筑间歇期;在混凝土中预埋设水管,通入冷水,降低混凝土的水化热温升;规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;

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。新浇筑早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象。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,从而在表面附加一拉应力,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一轻型保温材料,如泡沫海绵等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。 掺用混合材料以减少用水量、节约水泥,降低混凝土的绝热温升,提高混凝土的抗裂能力;

掺用外加剂减缓水化热的发生速率。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。

外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入减水剂,不仅使混凝土工作性能有了明显的改善,同时可减少用水量和水泥用量,从而降低了水化热;一般泵送混凝土为了延缓凝结时间,要加缓凝剂,反之凝结时间过早,将影响混凝土浇筑面的粘结,易出现裂缝,使得混凝土整体强度下降;为了防止混凝土的初始裂缝,宜加膨胀剂,但膨胀剂的选取需要注意。

许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。

4 改善约束条件的措施

合理地分缝分块;避免基础过大起伏;合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露;

以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了初步探讨,温度裂缝是混凝土结构中普遍存在的问题,但是我们在实际工程的具体施工中通过采取相应的措施,对温度有效控制,混凝土的裂缝是完全可以减少甚至避免的。我们还要多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,更好的预防裂缝的产生,提高整个建筑结构的安全性,延长建筑结构的寿命。