浅谈混凝土病害与施工温度的控制
2011-12-12 来源：混凝土 温度应力 控制 养护
混凝土作为主要的建筑结构材料之一应用日益广泛，但由于混凝土是一种脆性材料，抗拉强度仅为抗压强度的1/8～1/10，在混凝土施工过程中，由于受各种外界因素的影响，尽管我们采用各种措施，但裂缝仍然有时出现，查其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要之意义。
1、混凝土裂缝产生的原因
混凝土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和原材料不合格（如碱骨料反应）模具变形，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和老混凝土的约束，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裂能力时，即会出现裂缝，对于强度要求较高的混凝土，水泥用量相对较多，水化热大，温度速率也较大，一般可达35～40℃，加上初始温度可使最高温度超过70～80℃，一般混凝土的热膨胀关系数为10X10-6℃，当温度下降20～25℃时造成的冷缩量为2-2.5X10-4。而混凝土的极限拉伸值也只有1-1.5X10-4，因而冷缩常引起混凝土开裂，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，表面干缩变形受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝，混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时极限拉伸变形只有（0.6-1.0）X104，长期加荷时极限拉伸变形也只有（1.2～2.0）X104，由于原材料不均匀，水灰比不稳定及运输和浇筑过程的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低、易于出现裂缝的薄弱部位，在钢筋混凝土上的边缘部位，如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力，或者只出现很小的拉应力，但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力，有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力变化规律，对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
2、温度产生应力的分析
2.1根据温度应力的形成过程可分为三个阶段
（1）早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天，这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热；二是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：自水泥放热作用基本作用结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中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间，温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种残余应力相叠加。
2.2根据温度应力引起的原因可分为两类
（1）自生应力，边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非浅性分布的，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，在表面再现拉应力，在中间出现压应力。
（2）约束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引起的应力共同作用。要根据已知的温度准确分析出温度应力，大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下，要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力相当大的松驰，计算温度应力时必须考虑徐变的影响，具体计算这里不再细述。
3、温度的控制和防止裂缝的措施
为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件等方面着手。
3.1控制温度措施如下
（1）用中热和低热的水泥品种，可减少水化热，比如选用矿渣硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥、复合水泥等。
（2）可预埋冷却水管，导入循环冷却水将混凝土内部热量带出进行人工导热，达到降温目的。
（3）降低混凝土的入模温度，控制混凝土的内外温差（当设计无要求时，控制在25℃以内）如降低拌合水的温度（拌合水中加冰屑或用地下水）；骨料用水冲洗降温避免暴晒。
（4）使用粗骨料，尽量选用粒径较大，级配良好的粗骨料控制砂石含泥量掺加粉煤灰掺合料或掺加相应的减水剂缓凝剂改善和易性，降低水灰比，以达到减少水泥用量，降低水化热的目的。
（5）在拌合混凝土时，还可掺入适量微胀剂或膨胀水剂使混凝土得到补偿收缩，减少混凝土的温度应力。
（6）在厚大无筋的大体积混凝土中，掺加总量不超过20%的大石块，减少混凝土的用量，以达到节省水泥和降低水化热的目的。
（7）充分利用混凝土的后期强度，减少每立方米混凝土中水泥用量，根据试验，每增减10kg水泥，其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃。
（8）改善配筋，可建议设计人员将浇筑层上下设温度筋，一般￠8钢筋，双向配筋，间矩15cm。这样可以增强低抗温度应力的能力。
3.2改善约束条件的措施
（1）采取分层或分块浇筑大体积混凝土合理设置水平或垂直施工缝，或在适当的位置设置施工后浇带以放松约束程度，减少每次浇筑长度的蓄热量，防止水化热的积聚，减少温度应力。
（2）避免基础过大起伏。
（3）合理的安排施工工序，避免过大的高差或侧面长期暴露。
（4）对于大体积混凝土基础与岩石地基或基础与厚大的混凝土垫层之间设置滑动层，如铺设30～50mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料以削除嵌固作用，释放约束应力，此外，改善混凝土的性能提高抗裂能力加强养护，防止表面干缩，特别是保温混凝土的质量对防止裂缝是十分重要，对于混凝土，为了提高模板的周转率，往往要求新浇注的混凝土尽早拆模，当混凝土温度高于外界气温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模在表面上易引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。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，表面温度比外界气温高，此时拆除模板表面温度骤降，必然引起温度梯度从而在表面产生附加拉应力，与水化热应力叠加混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，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轻型保温材料，如泡沫海绵等，对于防止混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著效果。
（5）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。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下，钢筋的各项性能是稳定的，而与应力状态，时间，温度无关，钢筋的线胀系数与混凝土的线胀系数相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢筋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100～200kg/cm2，因此在混凝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都变得数目多，间矩小，宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间矩密时，对提高混凝土的抗裂性效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构表面常常会发生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种一般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。
3．3正确使用外加剂，如减水防裂剂也是减少开裂措施
（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）混凝土中存在大量毛细孔道，水蒸发后，毛细管中产生毛细管张力，使混凝土干缩变形。增大毛细孔径，可降低毛细管张力，但会使混凝土强度降低。这个表面张力理论早在20世纪60年代就已被国际上所确认。
（6）混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生，减水防裂剂可以有效的提高混凝土的抗拉强度，大幅提高混凝土的抗裂性能。
（7）掺加外加剂可使混凝土的密实性好，有效提高混凝土的抗碳化性，减少碳化收缩。
（8）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。
（9）掺加外加剂混凝土和易性好，表面易磨平，形成微膜减少水分蒸发和干燥收缩，许多外加剂都有缓凝增加和易性，改善塑性的功能，我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究，比单纯靠改善外部条件可能会更加简捷经济。
4、混凝土早期养护
混凝土的凝结硬化是水泥水化作用的结果，而水泥的水化作用，只有在适当的温度和湿度条件下才能顺利进行，混凝土的养护就是创造一下具有适合的温度和湿度的环境使混凝土凝结硬化，逐渐达到设计要求的强度，对于混凝土的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温差过大形成裂缝，因此说混凝土保温对防止混凝土表面裂缝尤其重要。从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：
（1）防止混凝土内外温度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，一方面使水泥水化作用顺利进行以达到设计的强度和抗裂能力，适宜的温湿条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常有保温的效果。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而有余。但由于蒸发等原因，常引起水分损失，从而推迟或防碍水泥的水化表面，混凝土最容易直接受到这种不利影响，因而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、结语
以上对混凝土的施工温度与裂缝的关系进行了初步探讨，在实践中只要对混凝土配合比设计，施工过程控制中采取有效的应对措施，裂缝就可以有效的加以控制，从而减少或避免裂缝带来的不利影响。
