大体积混凝土早期温度开裂成因及其防治措施

　　摘要：高层结构、核电设施及大规模基础设施建设中大体积混凝土早期温度开裂屡见不鲜，早期温度开裂降低的混凝土结构的承载能力，劣化了混凝土结构耐久性。本文探讨了大体积混凝土温度开裂的成因以及开裂特征，提出了优化配合比设计、调整施工工艺及合理养护等控制大体积混凝土温度开裂的措施。

　　关键词：早期；温度开裂；大体积混凝土；控制措施
　　
　　1　引言
　　
　　近年来，在高层结构、核电设施以及大规模的基础设施建设中常常采用大体积混凝土施工。大体积混凝土早期温度开裂屡见不鲜，已经成为困扰混凝土工程界的焦点问题。温度裂缝降低的混凝土结构的承载能力，引发了安全隐患。同时裂缝的出现为水和其他有害侵蚀性介质向混凝土内部扩散提供了通道，侵蚀性介质的侵入加剧了混凝土结构中的钢筋修饰，劣化了工程的耐久性。为了保证大体积混凝土结构具有可靠的服役性能和耐久性能，必须在施工过程中将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。

　　本文在目前大体积混凝土施工日益增多的工程背景下，综述了大体积混凝土早期温度开裂的特征、原因以及控制措施。
　　
　　2　大体积混凝土早期温度开裂的特征
　　
　　大体积混凝土温度裂缝属变形荷载引发裂缝，有别于外荷载引发裂缝，主要体现在以下两个方面：一方面温度裂缝的起因为水化导致内部温升从而引发混凝土发生体积变形，在外部约束与内部约束共同作用下产生温度应力，当温度应力超过混凝土抗拉强度时温度开裂发生。混凝土虽然属于脆性材料，但早期混凝土处于粘弹状态，在内部拉应力的作用下产生拉伸徐变，拉伸徐变在很大程度上释放了大体积混凝土内部的温度应力。故拉伸徐变是大体积混凝土早期温度开裂区别于荷载产生裂缝的主要特点，在进行大体积混凝土早期内部应力计算时应充分考虑。另外一方面大体积混凝土内部早期温度应力产生是温度变形的作用，而内部的温升是受胶凝材料水化反应放热过程控制、决定，而胶凝材料水化反应是随龄期逐渐进行的，故大体积混凝土早期内部温度应力随水化反应进行发展变化，应力的发展直至温度开裂产生是一个逐渐进行的过程，故大体积混凝土的温度应力应按分段叠加的方法来求得。而按普通外荷载计算原则，从外荷载作用，结构内力形成，直至裂缝的出现与扩展，似乎都是在一瞬间完成的，是某个“瞬间过程”。
　　
　　3　大体积混凝土早期温度开裂成因分析
　　
　　3．1胶凝材料早期水化放热

　　图1为早期混凝土内部典型的温度及温度应力随时间发展曲线，可见在浇筑后的几个小时后混凝土内部由于温度升高会产生压应力作用，但由于此时混凝土弹性模量较低，故压应力值不大。温度峰值达到之后，混凝土内部的压应力由于温度不断降低而迅速减小。混凝土逐渐处于零应力状态。处于零应力状态时，混凝土内部的温度往往仅比温度峰值低几度。随着混凝土内部温度进一步降低，拉应力逐渐产生，而此时混凝土已具有较高的弹性模量，同时随着硬度和刚度的不断提高，混凝土对于应力的释放作用减弱，故混凝土内部拉应力发展较快导致开裂潜在可能性增加。
　　
　　温度应力可表达成温差、弹性模量以及混凝土热膨胀系数的方程，而混凝土早期的热膨胀系数往往与混凝土内部湿度状况相关。若要对大体积混凝土早期温度应力做出准确的评估与预测，必须研究混凝土早期热膨胀系数及其随时间发展变化情况。而早期混凝土属于弹塑体，因此应用线形变形测试手段监测其热膨胀系数存在一定困难。对此一些混凝土学者开展的具有针对性的研究。日本学者I.Shi-masaki等人应用非接触式高精度位移传感器测定了混凝土早期的热膨胀系数。其研究结果见图2，可见混凝土早期热膨胀系数并非定值，而是随龄期逐渐发展变化，在浇筑后的几个小时后，混凝土热膨胀系数变化尤为明显。以往的混凝土温度应力计算中经常常将混凝土的热膨胀系数视为定值处理，这种方法显然与实际情况存在较大偏差。

　　同时，由于混凝土是热的不良导体，水泥水化过程中释放出的水化热短时间内不容易散发。特别是大体积混凝土，当产生大量水化热时，混凝土内外产生很大温差，从而导致混凝土内部存在温度梯度，温度梯度的产生导致温度变形梯度以及层间约束形成，从而加剧了表层混凝土内部所受拉应力作用，导致表层混凝土开裂危险性的提高。

　　3．2外界气候条件变化

　　大体积混凝土在施工阶段，内部温度、温度应力往往受到外界气温变化影响。外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；而外界温度下降则增加混凝土的降温幅度。特别是气温骤降会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，对大体积混凝土是极为不利。混凝土内部的温度是水化热的绝热温度，浇注温度和结构物的散热降温等各种温度叠加，而温度应力则是由温差引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力越大，当温度应力超出了混凝主的抗拉强度时，就会出现温度开裂。

　　3．3早期养护不良

　　早期混凝土处于凝结硬化过程，内部结构相对疏松，当表面养护不当时，水分很容易向干燥环境散失。水分的蒸发、散失导致表面干燥和干缩变形的产生，表层混凝土的干缩变形受到基体的约束使得内部产生拉应力。干缩变形受到约束产生的拉应力与温度应力的叠加效果和综合作用增加了大体积混凝土表面干裂的潜在可能性。
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　　4　控制温度开裂措施
　　
　　通过上述分析可见大体积混凝土产生温度裂缝的影响因素主要有胶凝材料早期水化放热、外界气候变化、施工及养护条件等，故施工中可从如下三方面考虑温度裂缝的预防控制。

　　4．1降低胶凝材料早期水化放热

　　减少水泥水化热主要是通过减少水泥用量和选择低水化热水泥品种。具体可以通过以下几项措施来达到目的。

　　4．1．1优化混凝土的配合比设计

　　在保证强度的前提下，尽可能降低水泥用量，从而降低混凝土水化热温度升值，选料要选用粗细骨料粒径和级配连续的、粒径较大的粗骨料配置混凝土。

　　4．1．2掺加掺合料和外加剂

　　混凝土内适当掺加Ⅱ级以上的粉煤灰来部分取代水泥以减少水泥用量，粉煤灰取代水泥剂量百分率不得超过规范规定，同时也掺加缓凝剂与减水剂，使缓凝时间在8h以上，从而改善混凝土拌和物的流动性、粘聚性和保水性，在降低用水量和提高后期强度的同时，降低水化热、推迟放热峰值出现时间。

　　4．1．3选择低水化热水泥

　　采用低水化热的粉煤灰水泥或矿渣硅酸盐水泥，控制混凝土内部温升。

　　4．2优化大体积混凝土浇筑施工工艺

　　优化浇筑工艺，采用斜面分层、薄层浇筑、连续推进的方式。分层厚度应控制在300mm～500mm之间，采用插入式振动器振捣，插点间距和振捣时间应按施工规范要求执行。布置冷却管，在浇筑前预先在混凝土模内按1.0m层距布设降温冷却水管，待每层循环水管被混凝土覆盖后进行该层水管通水，使混凝土内部温度降低。埋设测温管，及时观察和掌握混凝土内外温差，以便采取相应的措施防止温度裂缝。

　　4．3确保大体积混凝土早期有效养护

　　为确保大体积混凝土的质量，做好混凝土的保温保湿养护，在混凝土上方搭盖保温棚，以及表面蓄水，喷洒养护液形成保湿膜或直接洒水养护等，降低混凝土内外温差，慢降温，发挥徐变特性，减少温度应力。采取长时间的养护，规定合理的拆模时间，延缓降温的时间和速度。
　　
　　5　结语
　　
　　5．1大体积混凝土早期温度开裂有别于外荷载作用引发开裂，开裂过程为逐渐产生发展过程，其中伴随着拉伸徐变对于应力的释放作用。

　　5．2大体积混凝土早期温度开裂主要受胶凝材料早期水化放热、外界气候变化、施工及养护条件等因素决定影响。

　　5．3大体积混凝土早期温度膨胀系数并非定值，温度应力计算中将混凝土的热膨胀系数视为定值处理会使结果与实际情况存在较大偏差。

　　5．4针对大体积混凝土开裂早期开裂的成因，采取有效的防控措施可尽量减少、避免温度裂缝产生，达到安全、经济、有效、合理的预防效果。 　 原作者： 王雷 崔文良 
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