混凝土的施工温度与裂缝解析

张峻峰

摘 要：通过多年的现场观察，查阅有关混凝土内部应力方面的专著，对混凝土温度裂缝产生的原因、现场混凝土温度的控制和预防裂缝的措施等进行阐述。

关键词：混凝土； 温度应力； 裂缝控制

在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。主要有两方面的原因： ①在施工中混凝土常出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性； ②在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有不容忽视的影响。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 裂缝的原因

混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理、原材料不合格（ 如碱骨料反应） 、模板变形、基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗拉强度时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。

2 温度应力的分析

1） 根据温度应力的形成过程可分为以下3 个阶段： ①早期自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30d。这个阶段有2 个特征： 水泥放出大量的水化热； 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 水泥放热作用，基本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叠加。

2） 温度应力引起的原因可分为： 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。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响，具体计算这里就不再细述。

3 温度的控制和防止裂缝的措施

为了防止裂缝，减少温度应力，可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。

1）控制温度的措施如下： ①采用改善骨料级配，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； ⑤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； ⑥施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施。

2） 改善约束条件的措施是： 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。

3） 改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要。应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的。

4） 加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小，因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7 ～ 15 倍，当混凝土应力达到抗拉强度而开裂时，钢筋的应力将不超过1 ～ 2kN/cm2。因此，在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。

5） 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。其主要作用为： ①水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%； ②水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素，掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量，其体积用增加骨料用量来补充； ③减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水，减少沉缩变形；④提高水泥浆与骨料的粘结力，提高混凝土抗裂性能；⑤减水防裂剂可有效地提高混凝土抗拉强度，大幅提高混凝土的抗裂性能； ⑥掺加外加剂可使混凝土密实性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，减少碳化收缩；⑦掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当，在有效防止水泥迅速水化放热基础上，避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加； ⑧掺外加剂混凝土和易性好，表面易抹平，形成微膜，减少水分蒸发，减少干燥收缩； 许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能。在工程实践中应多进行这方面的试验对比和研究，比单纯的靠改善外部条件，可能会更加简捷、经济。

4 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，应达到下述要求：

1） 防止混凝土内外温差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。

2） 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。

3） 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： ①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； ②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。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。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。

5 结束语

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論，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。

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