浅谈混凝土的施工温度与裂缝

张建立 孙继红

0 引言

混凝土在现代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,在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。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。

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。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。

1 混凝土裂缝的分类

混凝土裂缝是混凝土的一种常见病和多发病。病情绝大多数发生于施工阶段,其原因复杂多变,一般可分为微观裂缝和宏观裂缝两大类。

微观裂缝是指肉眼看不到的、混凝土内部固有的一种裂缝,它是不连贯的。宽度一般在 0.05mm以下,这种混凝土本身固有的微观裂缝,荷载不超过设计规定的条件下,一般视为无害。

宏观裂缝宽度在0.05mm以上,并且认为宽度小于0.2mm～0.3mm的裂缝是无害的,但是这里必须有个前提,即裂缝不再扩展,为最终宽度。

2 混凝土裂缝的成因

裂缝产生的形式和种类很多,有设计方面的原因,但更多的是施工过程的各种因素组合产生的,要根本解决混凝土中裂缝问题,还是需要从混凝土裂缝的形成原因入手。正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效地控制和减少混凝土裂缝产生的最有效的途径。

2.1 混凝土的收缩

收缩是混凝土的一个主要特性,对混凝土的性能有很大影响。由于收缩而产生的微观裂缝一旦发展,则有可能引起结构物的开裂、变形甚至破坏。产生收缩裂缝的原因,一般认为在施工阶段因水泥水化热及外部气温的作用引起混凝土收缩而产生的裂缝,多为规则的条状,很少交叉。常发生在结构变截面处,往往与受力钢筋平行。收缩裂缝多发生在大体积混凝土中,梁、板、柱等小块体构件,预应力构件极少产生收缩裂缝。混凝土收缩裂缝危害较大,尤其是暴露在大气中的构筑物,影响更大。如不加以防治,可能会造成严重后果。

2.2 混凝土材料及配合比

配合比设计不当直接影响混凝土的抗拉强度,是造成混凝土开裂不可忽视的原因。配合比不当指水泥用量过大,水灰比大,含砂率不适当,骨料种类不佳,选用外加剂不当等,这几个因素是互相关联的。有关试验资料显示：用水量不变时,水泥用量每增加 10%,混凝土收缩增加 5%;水泥用量不变时,用水量每增加10%,混凝土强度降低 20%,混凝土与钢筋的粘结力降低 10%。其原因有如下方面：

1)粗细集料含泥量过大,造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配,容易造成混凝土收缩的增大,诱导裂缝的产生。

2)骨料粒径越细、针片含量越大,混凝土单方用灰量、用水量增多,收缩量增大。

3)混凝土外加剂、掺合料选择不当或掺量不当严重增加混凝土收缩。

4)水泥品种原因,矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大。

5)水泥等级及混凝土强度等级原因：水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响越大。混凝土设计强度等级越高,混凝土脆性越大、越易开裂。

2.3 使用原因(外界因素)

1)构筑物基础不均匀沉降,产生沉降裂缝。2)使用荷载超负。3)周围环境影响,酸、碱、盐等对构筑物的侵蚀,引起裂缝。4)意外事件,火灾、轻度地震等引起构筑物的裂缝。

3 温度应力的分析

3.1 温度应力的形成过程

1)早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约 30 d。这个阶段的两个特征：a.水泥放出大量的水化热;b.混凝土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。

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,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。

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 引起温度应力的原因

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。

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。

4 温度的控制和防止裂缝的措施

为了防止裂缝,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。

4.1 控制温度的措施

1)改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;

2)拌合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;

3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;

4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温。

4.2 改善约束条件的措施

1)合理地分缝分块;

2)避免基础过大起伏;

3)合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。

5 混凝土的早期养护

实践证明,混凝土常见的裂缝大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降,因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。

1)从温度应力观点出发,保温应达到下述要求：a.防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。b.防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。c.防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。另一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。

2)从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或妨碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。

6 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是比较统一,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。

[1] 李竹君.混凝土设计与控制[M].重庆：重庆大学出版社, 2006.

[2] [美]科斯马特卡.混凝土设计与控制[M].第 14版.重庆：重庆大学出版社,2005.