大体积混凝土温度裂缝的产生机理分析

(山东科技大学土木工程与建筑学院 山东 青岛 266590)

引言

在现代房建工程建设进程中，高层和超高层建筑越来越多，因为基础底板要承受上部结构的所有载荷，所以高层和超高层建筑的基础底板通常较大较厚，一般属于大体积混凝土工程。但由于大体积混凝土水泥的水化热很大且不易散失出去，可能造成混凝土内部与其表面的温差过大产生温度应力，使混凝土产生温度裂缝，而且大体积混凝土底板的裂缝在工程实践中已是司空见惯。所以，必须把握大体积混凝土温度裂缝产生原因，才能更好采取有效控制措施。

一、温度裂缝简述

(一)温度裂缝分类。大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。贯穿裂缝切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性其危害性是较严重的；深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性；表面裂缝一般危害性较小[1]。

(二)温度裂缝的允许值。出现裂缝并不是绝对地影响结构安全，裂缝都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件最大裂缝宽度<0.3mm，处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度<0.2mm。对于地下或半地下结构，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般裂缝宽度在0.1-0.2mm时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。在0.2-0.3mm时，则渗漏水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大，如出现超过0.3mm的贯穿全断面的裂缝则大大影响结构的使用，所以，在地下或半地下工程中应尽量避免出现这种裂缝，如出现，必须进行化学灌浆加固处理[2]。

二、温度荷载的产生

基础底板混凝土从浇筑开始，无时无刻不受到外界气候的影响，混凝土表面以各种形式持续的与附近进行热量交换。外界气候对混凝土的作用形式有很多种，造成混凝土的温度场不易把控，一般可以将外界气候影响分为三类：1、气温日变化(如寒潮)；2、气温年变化；3、阳光照射。在任何时期，气温日变化(如寒潮)对于混凝土温度场的影响都是最严重的，气温年变化的影响不大，阳光照射的影响主要在于直射混凝土表面时能够引起表面温度快速升高。并且气温日变化(如寒潮)是在很短的时间内对混凝土由外而内的造成影响，对整个的混凝土结构产生影响；气温年变化影响小，可忽略；阳光照射也属于影响时间不长，但是只对混凝土外部有较大的影响。

当然，除了气候的影响外，水泥水化反应放热是因为自身材料原因，在浇筑期间的影响很大；混凝土建筑发生火灾的情况下，混凝土的温度会因急剧变化而不可控，对建筑构件造成破坏。

三、温度应力影响因素

大体积混凝土温度场变化的原因并不单一，从约束、材料、施工再到环境，诸多原因的影响程度也不同，只有了解各自的影响机理，才能找到突破点，从而改进现有的混凝土温控措施，提高大体积混凝土结构的质量。

(一)水泥水化热作用。水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失，以至于越积越高使内外温差增大。大体积混凝土中水泥的水化热导致了混凝土内部产生温度梯度，大体积混凝土结构通常厚度大，水泥水化反应释放的热量在混凝土内部很难散发出去，故而容易造成温度快速升高，水泥使用的种类与用量都直接影响混凝土浇筑后的温度变化，所以降低水化热的基本方法就是使用低热水泥、使用外加剂、使用其他替代品减少水泥占比。浇筑早期混凝土强度低，水化热引起的温度应力较小，在混凝土的强度提高后，混凝土受约束增大，温度应力增大，混凝土就很容易开裂。

(二)环境影响。环境主要影响拌合水温、养护、分层浇筑、浇筑温度以及骨料等，例如夏天中午，地面温度四十多度，拌合水、骨料等所有材料甚至设备的温度都会很高，应该避开在正午施工浇筑；再如冬天温度过低，或者发生寒潮降温，对已浇和待浇混凝土温度都会形成影响，就要做好养护工作。分层浇筑时，每层间隔时间不能太长或太短，太长则混凝土散失水份开裂，太短则已浇混凝土强度不足。

(三)混凝土本身热性质影响。混凝土构成原材料中的骨料品种、骨料使用量和混凝土用水量对混凝土热学性能与热学系数产生主要影响，龄期与灰水比对热学系数的影响很小。使用砂岩，混凝土导热系数为2.91-3.47 W/(m·℃)，使用玄武岩、石灰岩等为骨料，导热系数为1.85-2.33 W/(m·℃)。如轻质骨料混凝土比热为5.5×105-6.8×105 J·kg·℃，约为普通混凝土的0.6倍。水的导热系数约是空气的25倍，潮湿状态混凝土散热更快，所以混凝土浇筑前期水化热散失快。

混凝土的导热性是指混凝土传导热量的能力，而混凝土导热系数较小，传热能力较差，导热系数越小，热传导越慢，混凝土温度越难降低，所以混凝土温度很快能到最值。工程中，必须在散热期间控制温差不大于25℃。混凝土温度最值出现时间除了与混凝土的导热性有关外，还与混凝土的原料构成、混凝土的厚度等要素相关。混凝土结构越厚，热量越不易散失，矿渣和粉煤灰等也能延迟最值出现的时间。

(四)收缩变形影响。混凝土收缩有干缩、冷缩、塑性收缩三种。

混凝土干缩是指水份蒸发导致的收缩，水大量充斥在混凝土孔隙与空隙中，混凝土外部水受环境影响散失，内部水先在大孔洞散失，之后是在毛细孔，在之后是在胶凝孔。水在大孔洞内散失通常不会造成太多收缩，而水在毛细孔和胶凝孔中开始散失之后，混凝土就会因为水份逐渐降低而收缩程度慢慢扩大。

混凝土冷缩分两种，一种是混凝土表面的冷缩，一种是混凝土内部的冷缩。混凝土外部的冷缩是指外部混凝土散热快，温度下降，热胀冷缩，混凝土形成裂缝。混凝土内部最初因为水化热而温度升高，水化反应结束后热量散失温度下降，混凝土收缩开裂。

混凝土的塑性收缩意思是混凝土在硬化前可塑，混凝土中水泥石水化凝结硬化体积会收缩。混凝土塑性变形时，混凝土水平方向有钢筋网，竖向更易收缩，所以易于出现诸多不规律的塑性收缩裂缝。

(五)施工方法及控温措施的影响。混凝土的施工技艺与温控方式直接影响到混凝土建筑结构的质量，施工技术包含混凝土的运输、浇筑、振捣、养护、测温等，温控方式分为动工之前的温控、施工期间的温控和施工结束后的温控方式。采用有效的施工技术，不仅能够保障混凝土建筑的质量，而且能够限制温度差异变化。动工之前的温控方法基本包括混凝土原料的选择、混凝土配比、原料温控等，提前做好温控工作将使后面的养护工作更可控更易实施，这样还能够在事前就降低混凝土水化反应释放的热量。施工期间的控温方式侧重于最大化的减弱外部环境对混凝土的作用，比如温湿度。施工结束后的这期间是防止混凝土开裂最重要的一环，必须要按照温差不大于25℃的规定实行及时的温控，从而使混凝土温度符合温差不太大的要求，保障混凝土的质量。

四、结束语

大体积混凝土的开裂是目前学者和工程界关注的一个重要问题，温度裂缝的产生，无论是对大体积混凝土结构还是对一般混凝土结构而言，都会不同程度地影响到混凝土结构的耐久性，从而影响到结构的使用安全，只有对其产生原因进行正确理解或认识，才能从根本上采取措施进行预防，做到防患于未然，从而确保工程质量。