大体积混凝土温度裂缝分析与处理

2010-04-14谷中

山西建筑 2010年16期

谷中

大体积混凝土是指最小断面任何一个方向尺寸是0.8 m以上的混凝土结构，其尺寸已经大到必须采取相应的技术措施降低其温差，控制温度应力和裂缝开展的混凝土，一般来说，认为由于水化热引起混凝土内部的最高温度与外界温差预计超过25℃时，这个温差使得混凝土产生应力，导致开裂。为最大限度减少混凝土开裂，必须要解决水化热以及随之引起的体积变形问题。

大体积混凝土的材料构造特点主要有:1)混凝土浇筑后，由于断面尺寸较大，水化热释放较慢，内外形成较大温差;2)混凝土通常不配钢筋或配置很少的钢筋，需要依靠自身承受拉应力;3)混凝土所处的环境比较暴露，容易受到环境温度变化的影响。

1 温度应力与温度裂缝的形成

混凝土结构内外较大的温度差是大体积混凝土开裂的主要原因。结构的温度差会导致温度应力，所谓温度应力是指由于温度变化使得构件伸缩受到限制时内部产生的应力。大体积混凝土由于水化热而产生的温度应力及裂缝归纳为三个方面:1)内部约束引起;2)外部约束引起;3)二者共同作用。

内部约束是构件内外温度差引起的开裂，水泥水化时发热，内部温度升高，由于散热不均匀，表面降温幅度比中心大，导致混凝土结构表面温度低而中心温度高，受热胀影响，理论分析的结果是从中心到表面会形成应变梯度，中心混凝土变形大而表面小，这种结构变形的不协调将导致表面变形受到中心的抑制，使得中心产生压应力而表面产生拉应力(见图1)。当表面拉应力增长到一定程度时将会拉裂混凝土。如果某些特殊的大体积混凝土需要配筋且配筋率过高时，内部约束将会表现得更为明显。

外部约束产生于超静定结构当中，如岩石或地基上的大体积混凝土，路桥工程中群桩上的承台基础或建筑工程中的筏板基础，这些大体积混凝土都会受到外部结构物的约束，并且在施工过程中，先浇筑部分硬化了的混凝土也会成为其上面新浇筑混凝土的约束，这种约束的机理在于当水化热逐渐释放，温度下降而产生收缩，由于底部混凝土受约束无法自由变形，使其产生拉应力，当拉应力达到一定程度时拉裂混凝土。外部约束有时可以缓解内部约束带来的上表面裂缝，使其部分裂缝闭合。而较严重的情况则会在垂直于约束面形成贯通裂缝。对于大部分大体积混凝土构件来说，这两者共同作用才导致其开裂。

2 温度裂缝的处理控制

影响大体积混凝土温度开裂的主要因素有材料、结构和施工。合理地控制这些因素可以有效减少裂缝的发生。

材料的选择包括水泥品种、掺合料种类及配比、添加剂、水泥用量、用水量和砂率的确定，这些关系到水化热的大小以及释放热量的快慢。材料选用的原则是:1)保证强度;2)降低水化热;3)加快散热速度。

不同的水泥水化热大小不同，并且致使混凝土温度的经时变化不一样，绝热温度上升量以及温升速度较小，单方混凝土水泥用量少的配合比应予采用。根据混凝土绝热升温量与龄期的关系，单组分水泥中一般采用中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥，双组分水泥则采用粉煤灰水泥。

一般来说，混凝土的绝热温度上升量与单方水泥用量成正比，在确保单方水泥用水量(以保证坍落度)的前提下，同时保证28 d强度，尽可能降低单方水泥用量，以一部分矿物质掺合料取代部分水泥，加引气剂或塑化剂也可以减少单方水泥用量，这些都是作为抑制水化热的有效措施。

从结构上考虑，主要是为了防治内部和外部约束带来的不利影响。对于内部约束，可以在表面设置少量构造钢筋来防治内部约束产生的温度裂缝。对于外部约束，可以设置一些滑动层改变约束条件。

施工方面的防治措施主要有:1)通过改善骨料加强振捣使得混凝土密实，提高其抗拉能力;2)采用分层连续浇筑，使混凝土充分散热，降低内外温度梯度;3)降低混凝土的浇筑温度，采用冰水浇筑或者事先对骨料进行冰冻处理，严格控制混凝土出罐温度以适应分层连续浇筑;4)采用表面蓄热养护，使得内外温差不大，热胀变形得到协调，从而有效减少内部约束引起的裂缝，另外也使得混凝土降温速度放缓，有利于提高混凝土抵抗外约束的抗拉能力;5)监控外界气温变化，选择合理的拆模时间以便及时养护。

大体积混凝土的浇筑质量与外界气温密切相关，当外界气温高于混凝土水化热引起的升温值时，混凝土内部热量不易散失，而当外界气温低于混凝土拌合物温度时，尤其是温度的突然下降，将会在混凝土中心和表面形成很大的温度梯度，这两种情况都很容易导致温度裂缝。

对于必须在夏季进行的大体积混凝土浇筑，混凝土原材料的自然浇筑温度不能满足要求，因此需要人为改变原材料温度，根据各原料对混凝土温度的影响以及原材料密度、比热等计算加冰拌和时所需的冰量或加凉水拌和时的水量。骨料可以事先预冷，预冷的方式通常有:1)自然冷却降温，露天堆放的骨料受气温影响很大，可采取高堆料廊道出料，采用6 m以上的堆料高度，100 m以上的出料地下廊道，堆料表面喷洒冷水，这些措施能使骨料温度不受周围气温变化的影响;2)水浸法冷却骨料;3)冷气预冷，将冷风直接送入拌和楼料仓;4)蒸汽制冷冷却骨料;5)高压水制冷;6)采用制氧厂剩余液氮冷却混凝土或原料。

冬季混凝土受冻将引起强度降低及减弱混凝土接触面的抗渗作用并增加混凝土透水性。因而冬季混凝土施工成本较高，施工难度大且难以控制施工质量，对迫不得已的冬季施工的要求如下:1)水泥选用硅酸盐水泥而不是普通硅酸盐水泥;2)骨料不得夹杂冰块，雪团，骨料要保持清洁，级配良好，质地坚硬，不能含有易被冻坏的矿物和有机物质等;3)混凝土中可掺入适量外加剂，能改变混凝土的工艺性能，提高混凝土的耐久性并保证混凝土在低温期的早强及负温下的硬化，防止早期受冻;4)原材料一般需要加热，加热时优先考虑加热水，水加热的最高允许温度是以水与水泥接触后不致引起水泥假凝为依据，混合物与水泥接触时，混合物最高温度不得超过80℃。将水加热到最高温度，还不能满足混凝土的温度要求时，再考虑加热骨料。