浅谈约束条件下基础混凝土的温度开裂问题*

2015-10-15孟西峰崔亚平

吉林建筑大学学报 2015年5期

李妍孟西峰崔亚平

(吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究中心，长春 130118)

建筑基础结构施工过程中，由于混凝土的体积较大，水泥在水化过程中会释放出较多的水化热．升温阶段内部混凝土热量得不到有效释放，积聚产生相当大的热量，使混凝土内部和外部产生温度差，导致膨胀变形，进而产生一定的拉应力．但由于此时弹性模量不是很大，外围混凝土对它的约束力较小．随着温度的不断降低，基础混凝土会不断收缩，由于约束条件的存在，混凝土的自由伸缩受到限制，此时就会有温度应力的产生．另外，大气温度的变化及周围自然灾害的影响也会导致温度应力的产生．内外约束共同作用产生的力大于混凝土自身的抗拉强度或极限拉应变时，导致基础混凝土产生裂缝．裂缝的出现会影响结构外观，给人不安全感，大的裂缝会影响耐久性，严重的影响建筑物的稳定和安全，因此，控制裂缝至关重要．

1 约束的种类及温度裂缝

1．1 约束的种类

基础混凝土的约束条件分为两种:内约束和外约束．内约束的产生是自身力作用的结果，由于内外温差，产生膨胀收缩．比如，外围混凝土对中心混凝土的约束力，内部钢筋对混凝土的约束力等．外约束是外界条件对混凝土变形的限制力．主要有上部荷载、地基基础、基础与边侧土体间的作用、边界条件和周围其它障碍物等．

1．2 裂缝类型及温度裂缝

混凝土是脆性材料，抗拉强度只是抗压强度的1/10左右．因此，混凝土在各种力的作用下极易发生剪拉破坏．混凝土的裂缝可分为微裂缝和宏观裂缝．宽度小于0．05mm的裂缝即为微观裂缝，微观裂缝逐步发展即变为宏观裂缝［1］．可分为荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝、碱骨料反应裂缝等．依据其所在位置可分为:表面、贯穿、深层裂缝(见图1)．

温度裂缝是由内外界气温变化，导致混凝土被约束力拉剪破坏而产生的裂缝．温度裂缝一般产生于基础混凝土施工过程中，因为此时混凝土的温度变化强烈．在基础施加上部荷载后及建筑物的使用过程中也会产生温度裂缝，但多与大气温度及外在环境条件相关［2］．

2 约束条件与温度裂缝的关系及裂缝预防措施

2．1 约束条件与温度裂缝的关系

2．1．1 自身约束应力引起的温度裂缝

由于基础混凝土结构内部温度、表面温度、大气温度的不均衡，以及结构自身内外和相邻部分的互相约束而产生的应力，为自身约束应力．当混凝土的拉剪约束强度大于抵抗拉剪应力时，就会导致温度裂缝的产生［3］．

(1)内部混凝土由于热量得不到有效的释放会越积越多，与表层混凝土及大气产生温度梯度，不均匀的温度分布将会使混凝土产生温度应力和温度变形．随着混凝土的不断降温，中心混凝土周边的混凝土受到的拉应力将会越来越大，最后混凝土被拉裂而产生温度裂缝;

(2)外界气温及周围环境变化引起约束力．这种约束力的产生一般发生在施加上部荷载及建筑物的使用过程中．季节的变化导致外界气温不断变化，使混凝土不断热胀冷缩．建筑基础也可能遭遇各种自然灾害而引起混凝土的温度及性状的改变而产生约束力;

(3)混凝土的收缩变形引起约束力．塑性收缩、自生收缩、干燥收缩、混凝土匀质性的影响等都会产生相应的约束力;

(4)内部钢筋引起的约束力，钢筋的存在使混凝土在温度变形时因受到钢筋力的作用，且这种力是间断性的，使混凝土不能自由收缩，会在钢筋周围产生裂缝．例如配筋率超过3%的构件其钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹．钢筋型号、钢筋的间距大小、放置的位置和绑扎的方法，都会对应力产生影响．

2．1．2 外界约束应力引起的温度裂缝

基础混凝土在施工完成后会受到外界环境的约束，温度变化时不能自由变形进而引起约束应力．

(1)地基基础引起的约束力．浇筑过程中，早期温度上升时的膨胀变形，以及温度降低后的收缩都会受到来自基底的约束力．另外，地基基础土质和含水率的不均衡及夯实碾压阶段地基的不平整，也会使基础混凝土温度变形过程中受力不均匀．当混凝土自身的抗拉强度不足以抵抗温度应力时就会产生裂缝;

(2)边界条件引起的约束力．一般指框架结构的梁、基础梁、强度较高的柱子、周围建筑物及障碍物等的存在，阻碍了基础混凝土的自由收缩与膨胀变形;

(3)上部荷载引起的约束力．建筑结构对基础产生恒定、持久的约束力．在建筑结构的使用过程中，基础混凝土的温度变化主要是受外界和大气温度影响，而且此时的温度裂缝将受上部荷载、地基基础、边界条件约束的共同影响［4］．

2．2 控制混凝土温度裂缝的原理(方法)分析

由上述分析得知，当收缩变形产生的拉应力σ(t)小于混凝土的极限抗拉强度ft时，混凝土就不会开裂，而σ(t)的组成如下式:

式中，σ(t)为混凝土中心温度与表面温度之差ΔT(t)产生的收缩受内部约束产生的拉应力;σZ(t)为总降温差ΔTmax受约束产生的应力;σS(t)为干缩受约束产生的力;σO(t)为其它次要因素产生的应力;σX(t)徐变释放的应力．

从公式可以看出，混凝土的开裂与混凝土的抗拉强度、干缩变形及各种温度应力相关．

2．3 混凝土开裂预防措施

(1)控制温度．混凝土温度的控制主要是在施工阶段，所以应选择粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰质水泥、普通水泥等低水化热的水泥．施工前用冷水降温，在内部埋设冷凝管并合理控制分层厚度和浇筑顺序，采取科学的养护手段．温度控制不但要在施工阶段进行，在建筑物使用中也应防止外界环境过大的温度变化导致基础混凝土产生较大的膨胀收缩变形，应使其在能承受的合理范围内变化．除了正常的施工养护控制方法，还可以采取理论计算等措施，只有综合考虑各方面的因素，才能最大限度的控制温度裂缝的产生．

(2)改善约束条件

a．减小外部约束．由于基础混凝土的体积较大，而且是一次性浇筑完成，因此地基基础对其横向变形的影响较大，这时，可以采用在两者之间设置砂垫层或者沥青油毡层等方法减小地基的约束．同时，为了改善基底部分对上部荷载等的约束条件，可控制地基基础土质、含水率及充分夯实碾压，防止受力不均衡而导致混凝土开裂．另外基础底板的板面应光滑，且不同部位变化平缓．除此之外，还有适当分块、减轻约束作用、设伸缩缝、施工缝、后浇带等，而且还可以控制施工方式，防止过大的高差出现和减小外界环境对侧面的影响;

b．减小内部约束．减小内部约束可以采用减小里表温差，控制降温速率，加强保温保湿养护等措施，其中最常采用的是保温法．保温法可以分为覆盖、蓄水、暖棚等方法．覆盖法是把草袋、锯末、塑料布等覆盖在已经浇筑完成的混凝土上;暖棚法是用保温材料搭设暖棚，通过加热使棚内温度上升，且混凝土的浇筑及养护均在暖棚里进行;蓄水法是在混凝土表层蓄水，因为水的比热较大，可以隔热保温，使混凝土的温度变化控制在合理范围之内．采用构造配筋科学合理地配置钢筋，也可以有效地控制裂缝的出现及分散裂缝．另外，还应做好浇筑后的保护工作，减少周边环境的不良影响［5］．

(3)提高混凝土抗裂能力．提高混凝土抗裂能力一般常用下列方法:掺膨胀剂;掺增强材料;配温度筋;提高混凝土的强度．

(4)采用修补方法．常用修补方法有:表面修补法;内部修补法;结构加固法．