土木工程施工过程中, 混凝土产生裂缝的现象很普遍。尽管在施工中采取各种措施, 但裂缝仍时常产生, 其中, 混凝土内部温度应力的变化是重要原因之一。
在大体积混凝土中, 温度控制十分重要。重要是温度变化和温差会引起裂缝, 从而影响结构的耐久性, 本文即对混凝土温度裂缝的成因和防治措施进行分析探讨。
1 裂缝产生的原因
混凝土中产生裂缝的原因很多, 主要是温度和湿度的变化、原材料不合格、结构不均匀沉降等原因。
混凝土硬化期间水泥产生大量水化热, 内部温度不断上升, 内部温度大于表面温度, 在表面产生拉应力。后期在降温过程中, 由于受到外部约束, 混凝土内部出现拉应力。当拉应力超过混凝土的抗裂能力时即会产生裂缝。混凝土内部湿度变化较小或较慢, 但表面湿度可能变化较大, 如果养护不到位, 表面干缩变形受到内部混凝土的约束, 往往会导致裂缝。混凝土是脆性材料, 抗拉强度是抗压强度的1/10左右, 短期加载时极限拉伸变形为 (0.5~1.0) ×104, 长期加载时极限拉伸变形为 (1.1~2.0) ×104, 均较小。由于原材料不均匀、水灰比变化大、运输和浇注混凝土过程中产生离析等原因, 混凝土中各部分抗拉强度也是不均匀的, 存在易于出现裂缝的薄弱部位。
素混凝土或配筋混凝土的边缘部位如产生拉应力, 则由混凝土自身来承担, 一般要求不出现拉应力或出现小于混凝土抗拉强度的拉应力。施工过程中, 混凝土降温过程中, 往往会在混凝土内部引起较大的拉应力。因此, 掌握温度应力的变化规律对于控制裂缝的产生时十分重要的。
2 温度应力分析
温度应力的形成可主要分为三个阶段。
2.1 早期
混凝土开始浇筑到水泥散热基本结束, 一般30天左右。此阶段有两个主要特征一是水泥水化放出大量的水化热;二是混凝土的弹性模量急剧变化。由于弹性模量的变化, 此阶段混凝土内部产生残余应力。
2.2 中期
水泥放热作用基本结束到混凝土冷却至稳定温度, 此阶段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, 这些应力与早期的残余应力相叠加。此阶段混凝土的弹性模量变化不大。
2.3 后期
混凝土完全冷却以后的阶段。温度应力主要是外界温度变化所引起, 所产生应力与前两种残余应力相叠加。
根据温度应力引起的原因其可分为两种。
(1) 自生应力:边界上没有任何约束或静止的结构, 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。
(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。
此两种温度应力往往和混凝土干缩所引起的应力共同作用。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。
3 控制温度裂缝的措施
为防止裂缝, 减小温度应力可从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施有如下。
(1) 改善骨料级配, 用干硬性混凝土、掺混和料, 加引气剂或塑化剂等, 以减少混凝土中的水泥用量; (2) 拌和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) 减小混凝土的浇筑厚度, 利用浇筑层面散热; (4) 在混凝土中埋设循环水管, 通入循环冷水降低混凝土的内部温度; (5) 气温骤降时混凝土进行表面保温, 以免混凝土表面产生过大的温度梯度; (6) 冬季施工时, 长期暴露的混凝土表面或薄壁结构, 应采取保温措施。
改善约束条件的措施有:避免基础起伏过大;合理地分缝分块;合理的安排施工工序, 避免过大的高差和侧面长期暴露。此外, 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很困难的, 所以施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
在混凝土的施工中, 为了提高模板的周转率, 往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间, 以免混凝土表面产生早期裂缝。在混凝土浇筑初期, 由于水化热的散发, 表面引起相当大的拉应力, 此时表面温度亦较气温为高, 如拆除模板, 表面温度骤降, 必然引起温度梯度, 从而在表面附加一拉应力, 与水化热应力叠加, 再加上混凝土干缩, 表面拉应力达到很大数值时, 就有导致裂缝的危险, 但如果在拆除模板后及时在表面覆盖保温材料, 对于防止混凝土表面产生过大的拉应力, 具有显著的效果。
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。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下, 钢的各项性能是稳定的, 而与应力状态、时间及温度无关。钢的线膨胀系数与混凝土的线膨胀系数相差很小, 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5~8, 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100~200kg/cm2。因此, 在混凝土中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、宽度和深度减小。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, 但其对结构的强度和耐久性仍有一定影响。
为确保混凝土工程质量, 防止开裂, 提高混凝土的耐久性, 合理使用外加剂也是减少裂缝的有效措施之一。
4 混凝土的早期养护
工程实践表明, 常见的混凝土裂缝, 大多是不同深度的表面裂缝, 主要是温度梯度造成的。所以, 混凝土的保温对防止混凝土表面早期裂缝十分重要。从温度应力方面来看, 保温应达到下列要求。
(1) 防止混凝土内外温差和混凝土表面温度梯度, 防止表面裂缝。
(2) 防止混凝土超冷, 应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) 防止旧混凝土过冷, 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, 以达到一方面使混凝土免受不利的温度、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, 以使混凝土达到设计的强度和耐久性。适宜的温湿度条件使相互关联的, 混凝土的保温措施往往也有保湿的作用。
理论分析可知, 新浇筑的混凝土中所含水分完全可满足水泥水化的需要, 但由于蒸发等原因常引起水分损失, 不利于水泥水化的进行。所以混凝土浇筑后的初始阶段是养护的关键, 在施工中应切实重视。
5 结语
本文对混凝土的施工温度和裂缝之间的关系进行了初步的理论和实践上分析, 具体施工中还要多观察、比较, 出现问题后多分析总结, 综合应用多种预防、处理措施, 使混凝土的温度裂缝得到有效控制。
摘要：根据工程实践和有关混凝土内部应力方面的文献, 阐述了混凝土温度裂缝产生的原因、控制和预防温度裂缝的措施等。
关键词：混凝土,温度应力,裂缝,措施
参考文献
[1] 施工手册编写组.建筑施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.