淺談混凝土病害與施工溫度的控制
2011-12-12 來源：混凝土 溫度應力 控制 養(yǎng)護
混凝土作為主要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一應用日益廣泛，但由于混凝土是一種脆性材料，抗拉強度僅為抗壓強度的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，但裂縫仍然有時出現(xiàn)，查其原因，我們對混凝土溫度應力的變化注意不夠是其中之一。在大體積混凝土中，溫度應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）模具變形，基礎不均勻沉降等，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，在表面引起拉應力，后期在降溫過程中由于受到基礎和老混凝土的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應力，氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力，當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫，對于強度要求較高的混凝土，水泥用量相對較多，水化熱大，溫度速率也較大，一般可達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℃，當溫度下降20～25℃時造成的冷縮量為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)護不周，時干時濕，表面干縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導致裂縫，混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1/10左右，短期加荷時極限拉伸變形只有（0.6-1.0）X104，長期加荷時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)定及運輸和澆筑過程的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，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)了拉應力，則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現(xiàn)拉應力，或者只出現(xiàn)很小的拉應力，但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當大的拉應力，有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力，因此掌握溫度應力變化規(guī)律，對于進行合理的結(jié)構(gòu)設計和施工極為重要。
2、溫度產(chǎn)生應力的分析
2.1根據(jù)溫度應力的形成過程可分為三個階段
（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，這個階段的兩個特征，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，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應力。
（2）中期：自水泥放熱作用基本作用結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，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轉(zhuǎn)時間，溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種殘余應力相疊加。
2.2根據(jù)溫度應力引起的原因可分為兩類
（1）自生應力，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)的溫度應力，例如：橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時，表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面再現(xiàn)拉應力，在中間出現(xiàn)壓應力。
（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力，如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮引起的應力共同作用。要根據(jù)已知的溫度準確分析出溫度應力，大小是一項比較復雜的工作。在大多數(shù)情況下，要依靠模型試驗或數(shù)值計算。混凝土的徐變使溫度應力相當大的松馳，計算溫度應力時必須考慮徐變的影響，具體計算這里不再細述。
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、復合水泥等。
（2）可預埋冷卻水管，導入循環(huán)冷卻水將混凝土內(nèi)部熱量帶出進行人工導熱，達到降溫目的。
（3）降低混凝土的入模溫度，控制混凝土的內(nèi)外溫差（當設計無要求時，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的減水劑緩凝劑改善和易性，降低水灰比，以達到減少水泥用量，降低水化熱的目的。
（5）在拌合混凝土時，還可摻入適量微脹劑或膨脹水劑使混凝土得到補償收縮，減少混凝土的溫度應力。
（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度，減少每立方米混凝土中水泥用量，根據(jù)試驗，每增減10kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應升降1℃。
（8）改善配筋，可建議設計人員將澆筑層上下設溫度筋，一般￠8鋼筋，雙向配筋，間矩15cm。這樣可以增強低抗溫度應力的能力。
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置水平或垂直施工縫，或在適當?shù)奈恢迷O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，減少溫度應力。
（2）避免基礎過大起伏。
（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）對于大體積混凝土基礎與巖石地基或基礎與厚大的混凝土墊層之間設置滑動層，如鋪設30～50mm厚瀝青木絲板或聚苯乙烯泡沫塑料以削除嵌固作用，釋放約束應力，此外，改善混凝土的性能提高抗裂能力加強養(yǎng)護，防止表面干縮，特別是保溫混凝土的質(zhì)量對防止裂縫是十分重要，對于混凝土，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，當混凝土溫度高于外界氣溫時應適當考慮拆模時間，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)，表面引起相當大的拉應力，表面溫度比外界氣溫高，此時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)生附加拉應力，與水化熱應力疊加混凝土干縮，表面的拉應力達到很大的數(shù)值，就有導致裂縫的危險，但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋輕型保溫材料，如泡沫海綿等，對于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應力，具有顯著效果。
（5）加筋對大體積混凝土的溫度應力影響很小，因為大體積混凝土的含筋率極低。只是對一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應力低于屈服極限的條件下，鋼筋的各項性能是穩(wěn)定的，而與應力狀態(tài)，時間，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，在溫度變化時兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應力。由于鋼筋的彈性模量為混凝土彈性模量的7～15倍，當混凝土應力達到抗拉強度而開裂時，鋼筋的應力將不超過100～200kg/cm2，因此在混凝中想要利用鋼筋來防止細小裂縫的出現(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而間矩密時，對提高混凝土的抗裂性效果較好?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)表面常常會發(fā)生細而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種一般都較淺，但它對結(jié)構(gòu)的強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孔道，水蒸發(fā)后，毛細管中產(chǎn)生毛細管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑，可降低毛細管張力，但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在20世紀60年代就已被國際上所確認。
（6）混凝土在收縮時受到約束產(chǎn)生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產(chǎn)生，減水防裂劑可以有效的提高混凝土的抗拉強度，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，混凝土緩凝時間適當，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上，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，我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究，比單純靠改善外部條件可能會更加簡捷經(jīng)濟。
4、混凝土早期養(yǎng)護
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?shù)臏囟群蜐穸葪l件下才能順利進行，混凝土的養(yǎng)護就是創(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，逐漸達到設計要求的強度，對于混凝土的裂縫，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防止混凝土表面裂縫尤其重要。從溫度應力觀點出發(fā)，保溫應達到下述要求：
（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，應該盡量設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)護主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到兩個方面的效果，一方面使水泥水化作用順利進行以達到設計的強度和抗裂能力，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)護的關(guān)鍵時期，在施工中應切實重視起來。
5、結(jié)語
以上對混凝土的施工溫度與裂縫的關(guān)系進行了初步探討，在實踐中只要對混凝土配合比設計，施工過程控制中采取有效的應對措施，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。
