大體積混凝土早期溫度開裂成因及其防治措施

　　摘要：高層結(jié)構(gòu)、核電設(shè)施及大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中大體積混凝土早期溫度開裂屢見不鮮，早期溫度開裂降低的混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，劣化了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。本文探討了大體積混凝土溫度開裂的成因以及開裂特征，提出了優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、調(diào)整施工工藝及合理養(yǎng)護(hù)等控制大體積混凝土溫度開裂的措施。

　　關(guān)鍵詞：早期；溫度開裂；大體積混凝土；控制措施
　　
　　1　引言
　　
　　近年來(lái)，在高層結(jié)構(gòu)、核電設(shè)施以及大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中常常采用大體積混凝土施工。大體積混凝土早期溫度開裂屢見不鮮，已經(jīng)成為困擾混凝土工程界的焦點(diǎn)問題。溫度裂縫降低的混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，引發(fā)了安全隱患。同時(shí)裂縫的出現(xiàn)為水和其他有害侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散提供了通道，侵蝕性介質(zhì)的侵入加劇了混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋修飾，劣化了工程的耐久性。為了保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有可靠的服役性能和耐久性能，必須在施工過(guò)程中將大體積混凝土早期溫度開裂的潛在危險(xiǎn)性降至最低。

　　本文在目前大體積混凝土施工日益增多的工程背景下，綜述了大體積混凝土早期溫度開裂的特征、原因以及控制措施。
　　
　　2　大體積混凝土早期溫度開裂的特征
　　
　　大體積混凝土溫度裂縫屬變形荷載引發(fā)裂縫，有別于外荷載引發(fā)裂縫，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面溫度裂縫的起因?yàn)樗瘜?dǎo)致內(nèi)部溫升從而引發(fā)混凝土發(fā)生體積變形，在外部約束與內(nèi)部約束共同作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)溫度開裂發(fā)生。混凝土雖然屬于脆性材料，但早期混凝土處于粘彈狀態(tài)，在內(nèi)部拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生拉伸徐變，拉伸徐變?cè)诤艽蟪潭壬厢尫帕舜篌w積混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。故拉伸徐變是大體積混凝土早期溫度開裂區(qū)別于荷載產(chǎn)生裂縫的主要特點(diǎn)，在進(jìn)行大體積混凝土早期內(nèi)部應(yīng)力計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮。另外一方面大體積混凝土內(nèi)部早期溫度應(yīng)力產(chǎn)生是溫度變形的作用，而內(nèi)部的溫升是受膠凝材料水化反應(yīng)放熱過(guò)程控制、決定，而膠凝材料水化反應(yīng)是隨齡期逐漸進(jìn)行的，故大體積混凝土早期內(nèi)部溫度應(yīng)力隨水化反應(yīng)進(jìn)行發(fā)展變化，應(yīng)力的發(fā)展直至溫度開裂產(chǎn)生是一個(gè)逐漸進(jìn)行的過(guò)程，故大體積混凝土的溫度應(yīng)力應(yīng)按分段疊加的方法來(lái)求得。而按普通外荷載計(jì)算原則，從外荷載作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)力形成，直至裂縫的出現(xiàn)與擴(kuò)展，似乎都是在一瞬間完成的，是某個(gè)“瞬間過(guò)程”。
　　
　　3　大體積混凝土早期溫度開裂成因分析
　　
　　3．1膠凝材料早期水化放熱

　　圖1為早期混凝土內(nèi)部典型的溫度及溫度應(yīng)力隨時(shí)間發(fā)展曲線，可見在澆筑后的幾個(gè)小時(shí)后混凝土內(nèi)部由于溫度升高會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，但由于此時(shí)混凝土彈性模量較低，故壓應(yīng)力值不大。溫度峰值達(dá)到之后，混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力由于溫度不斷降低而迅速減小?；炷林饾u處于零應(yīng)力狀態(tài)。處于零應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，混凝土內(nèi)部的溫度往往僅比溫度峰值低幾度。隨著混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)一步降低，拉應(yīng)力逐漸產(chǎn)生，而此時(shí)混凝土已具有較高的彈性模量，同時(shí)隨著硬度和剛度的不斷提高，混凝土對(duì)于應(yīng)力的釋放作用減弱，故混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力發(fā)展較快導(dǎo)致開裂潛在可能性增加。
　　
　　溫度應(yīng)力可表達(dá)成溫差、彈性模量以及混凝土熱膨脹系數(shù)的方程，而混凝土早期的熱膨脹系數(shù)往往與混凝土內(nèi)部濕度狀況相關(guān)。若要對(duì)大體積混凝土早期溫度應(yīng)力做出準(zhǔn)確的評(píng)估與預(yù)測(cè)，必須研究混凝土早期熱膨脹系數(shù)及其隨時(shí)間發(fā)展變化情況。而早期混凝土屬于彈塑體，因此應(yīng)用線形變形測(cè)試手段監(jiān)測(cè)其熱膨脹系數(shù)存在一定困難。對(duì)此一些混凝土學(xué)者開展的具有針對(duì)性的研究。日本學(xué)者I.Shi-masaki等人應(yīng)用非接觸式高精度位移傳感器測(cè)定了混凝土早期的熱膨脹系數(shù)。其研究結(jié)果見圖2，可見混凝土早期熱膨脹系數(shù)并非定值，而是隨齡期逐漸發(fā)展變化，在澆筑后的幾個(gè)小時(shí)后，混凝土熱膨脹系數(shù)變化尤為明顯。以往的混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算中經(jīng)常常將混凝土的熱膨脹系數(shù)視為定值處理，這種方法顯然與實(shí)際情況存在較大偏差。

　　同時(shí)，由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，水泥水化過(guò)程中釋放出的水化熱短時(shí)間內(nèi)不容易散發(fā)。特別是大體積混凝土，當(dāng)產(chǎn)生大量水化熱時(shí)，混凝土內(nèi)外產(chǎn)生很大溫差，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在溫度梯度，溫度梯度的產(chǎn)生導(dǎo)致溫度變形梯度以及層間約束形成，從而加劇了表層混凝土內(nèi)部所受拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致表層混凝土開裂危險(xiǎn)性的提高。

　　3．2外界氣候條件變化

　　大體積混凝土在施工階段，內(nèi)部溫度、溫度應(yīng)力往往受到外界氣溫變化影響。外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而外界溫度下降則增加混凝土的降溫幅度。特別是氣溫驟降會(huì)大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，對(duì)大體積混凝土是極為不利。混凝土內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度，澆注溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱降溫等各種溫度疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應(yīng)力越大，當(dāng)溫度應(yīng)力超出了混凝主的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)溫度開裂。

　　3．3早期養(yǎng)護(hù)不良

　　早期混凝土處于凝結(jié)硬化過(guò)程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，當(dāng)表面養(yǎng)護(hù)不當(dāng)時(shí)，水分很容易向干燥環(huán)境散失。水分的蒸發(fā)、散失導(dǎo)致表面干燥和干縮變形的產(chǎn)生，表層混凝土的干縮變形受到基體的約束使得內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。干縮變形受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力與溫度應(yīng)力的疊加效果和綜合作用增加了大體積混凝土表面干裂的潛在可能性。
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　　4　控制溫度開裂措施
　　
　　通過(guò)上述分析可見大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的影響因素主要有膠凝材料早期水化放熱、外界氣候變化、施工及養(yǎng)護(hù)條件等，故施工中可從如下三方面考慮溫度裂縫的預(yù)防控制。

　　4．1降低膠凝材料早期水化放熱

　　減少水泥水化熱主要是通過(guò)減少水泥用量和選擇低水化熱水泥品種。具體可以通過(guò)以下幾項(xiàng)措施來(lái)達(dá)到目的。

　　4．1．1優(yōu)化混凝土的配合比設(shè)計(jì)

　　在保證強(qiáng)度的前提下，盡可能降低水泥用量，從而降低混凝土水化熱溫度升值，選料要選用粗細(xì)骨料粒徑和級(jí)配連續(xù)的、粒徑較大的粗骨料配置混凝土。

　　4．1．2摻加摻合料和外加劑

　　混凝土內(nèi)適當(dāng)摻加Ⅱ級(jí)以上的粉煤灰來(lái)部分取代水泥以減少水泥用量，粉煤灰取代水泥劑量百分率不得超過(guò)規(guī)范規(guī)定，同時(shí)也摻加緩凝劑與減水劑，使緩凝時(shí)間在8h以上，從而改善混凝土拌和物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性，在降低用水量和提高后期強(qiáng)度的同時(shí)，降低水化熱、推遲放熱峰值出現(xiàn)時(shí)間。

　　4．1．3選擇低水化熱水泥

　　采用低水化熱的粉煤灰水泥或礦渣硅酸鹽水泥，控制混凝土內(nèi)部溫升。

　　4．2優(yōu)化大體積混凝土澆筑施工工藝

　　優(yōu)化澆筑工藝，采用斜面分層、薄層澆筑、連續(xù)推進(jìn)的方式。分層厚度應(yīng)控制在300mm～500mm之間，采用插入式振動(dòng)器振搗，插點(diǎn)間距和振搗時(shí)間應(yīng)按施工規(guī)范要求執(zhí)行。布置冷卻管，在澆筑前預(yù)先在混凝土模內(nèi)按1.0m層距布設(shè)降溫冷卻水管，待每層循環(huán)水管被混凝土覆蓋后進(jìn)行該層水管通水，使混凝土內(nèi)部溫度降低。埋設(shè)測(cè)溫管，及時(shí)觀察和掌握混凝土內(nèi)外溫差，以便采取相應(yīng)的措施防止溫度裂縫。

　　4．3確保大體積混凝土早期有效養(yǎng)護(hù)

　　為確保大體積混凝土的質(zhì)量，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，在混凝土上方搭蓋保溫棚，以及表面蓄水，噴灑養(yǎng)護(hù)液形成保濕膜或直接灑水養(yǎng)護(hù)等，降低混凝土內(nèi)外溫差，慢降溫，發(fā)揮徐變特性，減少溫度應(yīng)力。采取長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，規(guī)定合理的拆模時(shí)間，延緩降溫的時(shí)間和速度。
　　
　　5　結(jié)語(yǔ)
　　
　　5．1大體積混凝土早期溫度開裂有別于外荷載作用引發(fā)開裂，開裂過(guò)程為逐漸產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程，其中伴隨著拉伸徐變對(duì)于應(yīng)力的釋放作用。

　　5．2大體積混凝土早期溫度開裂主要受膠凝材料早期水化放熱、外界氣候變化、施工及養(yǎng)護(hù)條件等因素決定影響。

　　5．3大體積混凝土早期溫度膨脹系數(shù)并非定值，溫度應(yīng)力計(jì)算中將混凝土的熱膨脹系數(shù)視為定值處理會(huì)使結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。

　　5．4針對(duì)大體積混凝土開裂早期開裂的成因，采取有效的防控措施可盡量減少、避免溫度裂縫產(chǎn)生，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、有效、合理的預(yù)防效果。 　 原作者： 王雷 崔文良 
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