淺談混凝土病害與施工溫度的控制
2011-12-12 來源：混凝土 溫度應(yīng)力 控制 養(yǎng)護(hù)
混凝土作為主要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一應(yīng)用日益廣泛，但由于混凝土是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/10，在混凝土施工過程中，由于受各種外界因素的影響，盡管我們采用各種措施，但裂縫仍然有時(shí)出現(xiàn)，查其原因，我們對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要之意義。
1、混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
混凝土產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性以及結(jié)構(gòu)不合理和原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)）模具變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等，混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力，后期在降溫過程中由于受到基礎(chǔ)和老混凝土的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫，對(duì)于強(qiáng)度要求較高的混凝土，水泥用量相對(duì)較多，水化熱大，溫度速率也較大，一般可達(dá)35～40℃，加上初始溫度可使最高溫度超過70～80℃，一般混凝土的熱膨脹關(guān)系數(shù)為10X10-6℃，當(dāng)溫度下降20～25℃時(shí)造成的冷縮量為2-2.5X10-4。而混凝土的極限拉伸值也只有1-1.5X10-4，因而冷縮常引起混凝土開裂，許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化，如養(yǎng)護(hù)不周，時(shí)干時(shí)濕，表面干縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫，混凝土是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右，短期加荷時(shí)極限拉伸變形只有（0.6-1.0）X104，長期加荷時(shí)極限拉伸變形也只有（1.2～2.0）X104，由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定及運(yùn)輸和澆筑過程的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低、易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位，在鋼筋混凝土上的邊緣部位，如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力，或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，有時(shí)溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。
2、溫度產(chǎn)生應(yīng)力的分析
2.1根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為三個(gè)階段
（1）早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天，這個(gè)階段的兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱；二是混凝土彈性模量的急劇變化，由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。
（2）中期：自水泥放熱作用基本作用結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。
（3）晚期：混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種殘余應(yīng)力相疊加。
2.2根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類
（1）自生應(yīng)力，邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非淺性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力，例如：橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，混凝土冷卻時(shí)，表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面再現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。
（2）約束的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力，如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮引起的應(yīng)力共同作用。要根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力，大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下，要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算?；炷恋男熳兪箿囟葢?yīng)力相當(dāng)大的松馳，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)必須考慮徐變的影響，具體計(jì)算這里不再細(xì)述。
3、溫度的控制和防止裂縫的措施
為了防止裂縫，減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件等方面著手。
3.1控制溫度措施如下
（1）用中熱和低熱的水泥品種，可減少水化熱，比如選用礦渣硅酸鹽水泥，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥等。
（2）可預(yù)埋冷卻水管，導(dǎo)入循環(huán)冷卻水將混凝土內(nèi)部熱量帶出進(jìn)行人工導(dǎo)熱，達(dá)到降溫目的。
（3）降低混凝土的入模溫度，控制混凝土的內(nèi)外溫差（當(dāng)設(shè)計(jì)無要求時(shí)，控制在25℃以內(nèi)）如降低拌合水的溫度（拌合水中加冰屑或用地下水）；骨料用水沖洗降溫避免暴曬。
（4）使用粗骨料，盡量選用粒徑較大，級(jí)配良好的粗骨料控制砂石含泥量摻加粉煤灰摻合料或摻加相應(yīng)的減水劑緩凝劑改善和易性，降低水灰比，以達(dá)到減少水泥用量，降低水化熱的目的。
（5）在拌合混凝土?xí)r，還可摻入適量微脹劑或膨脹水劑使混凝土得到補(bǔ)償收縮，減少混凝土的溫度應(yīng)力。
（6）在厚大無筋的大體積混凝土中，摻加總量不超過20%的大石塊，減少混凝土的用量，以達(dá)到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。
（7）充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，減少每立方米混凝土中水泥用量，根據(jù)試驗(yàn)，每增減10kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降1℃。
（8）改善配筋，可建議設(shè)計(jì)人員將澆筑層上下設(shè)溫度筋，一般￠8鋼筋，雙向配筋，間矩15cm。這樣可以增強(qiáng)低抗溫度應(yīng)力的能力。
3.2改善約束條件的措施
（1）采取分層或分塊澆筑大體積混凝土合理設(shè)置水平或垂直施工縫，或在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置施工后澆帶以放松約束程度，減少每次澆筑長度的蓄熱量，防止水化熱的積聚，減少溫度應(yīng)力。
（2）避免基礎(chǔ)過大起伏。
（3）合理的安排施工工序，避免過大的高差或側(cè)面長期暴露。
（4）對(duì)于大體積混凝土基礎(chǔ)與巖石地基或基礎(chǔ)與厚大的混凝土墊層之間設(shè)置滑動(dòng)層，如鋪設(shè)30～50mm厚瀝青木絲板或聚苯乙烯泡沫塑料以削除嵌固作用，釋放約束應(yīng)力，此外，改善混凝土的性能提高抗裂能力加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保溫混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要，對(duì)于混凝土，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆注的混凝土盡早拆模，當(dāng)混凝土溫度高于外界氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模在表面上易引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，表面溫度比外界氣溫高，此時(shí)拆除模板表面溫度驟降，必然引起溫度梯度從而在表面產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力疊加混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋輕型保溫材料，如泡沫海綿等，對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，具有顯著效果。
（5）加筋對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小，因?yàn)榇篌w積混凝土的含筋率極低。只是對(duì)一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應(yīng)力低于屈服極限的條件下，鋼筋的各項(xiàng)性能是穩(wěn)定的，而與應(yīng)力狀態(tài)，時(shí)間，溫度無關(guān)，鋼筋的線脹系數(shù)與混凝土的線脹系數(shù)相差很小，在溫度變化時(shí)兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應(yīng)力。由于鋼筋的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍，當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開裂時(shí)，鋼筋的應(yīng)力將不超過100～200kg/cm2，因此在混凝中想要利用鋼筋來防止細(xì)小裂縫的出現(xiàn)很困難。但加筋后結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫一般都變得數(shù)目多，間矩小，寬度與深度較小了。而且如果鋼筋的直徑細(xì)而間矩密時(shí)，對(duì)提高混凝土的抗裂性效果較好?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)表面常常會(huì)發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種一般都較淺，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性仍有一定的影響。
3．3正確使用外加劑，如減水防裂劑也是減少開裂措施
（1）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。
（2）水泥用量也是混凝土收縮的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補(bǔ)充。
（3）減水防裂劑可以改善水漿的稠度減少混凝土泌水，減少沉縮變形。
（4）提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高混凝土抗裂性能。
（5）混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后，毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑，可降低毛細(xì)管張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。這個(gè)表面張力理論早在20世紀(jì)60年代就已被國際上所確認(rèn)。
（6）混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)產(chǎn)生，減水防裂劑可以有效的提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土的抗裂性能。
（7）摻加外加劑可使混凝土的密實(shí)性好，有效提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。
（8）摻減水防裂劑后，混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。
（9）摻加外加劑混凝土和易性好，表面易磨平，形成微膜減少水分蒸發(fā)和干燥收縮，許多外加劑都有緩凝增加和易性，改善塑性的功能，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究，比單純靠改善外部條件可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷經(jīng)濟(jì)。
4、混凝土早期養(yǎng)護(hù)
混凝土的凝結(jié)硬化是水泥水化作用的結(jié)果，而水泥的水化作用，只有在適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件下才能順利進(jìn)行，混凝土的養(yǎng)護(hù)就是創(chuàng)造一下具有適合的溫度和濕度的環(huán)境使混凝土凝結(jié)硬化，逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，對(duì)于混凝土的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫差過大形成裂縫，因此說混凝土保溫對(duì)防止混凝土表面裂縫尤其重要。從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā)，保溫應(yīng)達(dá)到下述要求：
（1）防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。
（2）防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。
（3）防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束，混凝土的早期養(yǎng)護(hù)主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果，一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行以達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力，適宜的溫濕條件是相互關(guān)聯(lián)的?；炷恋谋卮胧┏３Ｓ斜氐男Ч睦碚撋戏治?，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因，常引起水分損失，從而推遲或防礙水泥的水化表面，混凝土最容易直接受到這種不利影響，因而混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來。
5、結(jié)語
以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫的關(guān)系進(jìn)行了初步探討，在實(shí)踐中只要對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)，施工過程控制中采取有效的應(yīng)對(duì)措施，裂縫就可以有效的加以控制，從而減少或避免裂縫帶來的不利影響。
