大体积混凝土裂缝成因及控制

                             (内蒙古大学理工学院，内蒙古 呼和浩特 010021)
摘 要：本文分析了大体积混凝土的特点、温度应力变化的特点及在温度应力作用下裂缝的成因，提出了具体的控制措施。
关键词：大体积；混凝土；温度裂缝
中图分类号：TU528.064  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2007)03—0107—02
      日本建筑学会（JASS5）的标准定义“结构断面最小尺寸80cm以上，水化热引起的混凝土内部最高温度与周围环境温差超过25℃的混凝土称为大体积混凝土。”我国目前尚无确切定义，JGJ/T55—96规定：混凝土结构实体最小尺寸大于或等于1m的部位所在的混凝土称为大体积混凝土。有时结构断面尺寸不大，但混凝土强度等级高，水泥用量大，所用水泥水化热高，也按大体积混凝土考虑。 
      混凝土是一种多相的复合材料，裂缝前端的性状复杂，难以测定。从微观上分析，混凝土的开裂主要是由于混凝土中出现了拉应力超过了其抗拉强度，或者拉伸应变超过了其极限拉伸值。混凝土的干缩、升温膨胀、降温冷缩及自身体积收缩等变形，受到其基础及周围环境的约束时，在混凝土内部或表面产生拉应力，并可能导致混凝土开裂。
1 大体积混凝土的特点
1.1 混凝土是脆性材料：抗拉强度只有抗压强度的1/10；拉伸变形能力很小，短期加载时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×10^-4，约相当于温度降低6～10℃的变形，长期加载时的极限拉伸变形也只有（1.2～2.0）×10^-4。
1.2 结构断面尺寸大：混凝土浇筑以后，由于水泥的水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压力并不大；但在日后温度逐渐降低时，弹性模量增大，徐变减小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。
1.3 外界环境长期作用：一年四季中气温和水温的变化在大体积混凝土结构中引起相当大的长期反复拉应力变化，加剧混凝土的开裂可能。
1.4 结构未配或少配筋：大体积混凝土结构通常是不配筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量钢筋，与结构的巨大断面相比，含钢率是极低的。由于没有配置钢筋，如果出现拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。
2 混凝土温度应力的特点及变化过程
混凝土温度应力的特点可以通过一个较为简单的例子来说明，设有一两端固定的钢杆件，杆件内发生温度变化T（τ），T是时间τ的函数：当τ= 0时，T（0）=0，开始阶段，T（τ）随时间而升高，过了最高温度后，逐渐冷却，最终变为T（∞）=0。钢的弹性模量ES为常数，因两端固定，由材料力学可知，杆件内的温度应力为：
            σS（τ）=－ESαS T（τ）
钢杆件温度应力σ_S（τ）与温度T（τ）是成比例的，比例常数为－E_Sα_S，其中α_S为钢的线胀系数。当温度从0℃上升到最高温度时，应力也从0上升到最大压应力，当温度再逐渐降低到0℃时，应力值也逐渐降低到0，即恢复到初始状态。
      对于两端固定的杆件，由于混凝土弹性模量E_C（τ）是随着龄期τ而变化的，温度应力不能再用前述公式计算，而应采用增量法计算，把时间τ划分为一系列时段△τ_i（i =1～n）,在第i个时段△τ_i内，温度增量为△T_i，平均弹性模量为E（τ_i），弹性应力增量为：
           △σi=－αE（τi）△Ti
累加后，得到弹性应力如下：
σ_C（τ）=－α∑E（τ_i）△Ti
      进一步考虑混凝土徐变的影响，应采用下式计算：
σ_C（τ）=－α∑E（τ_i）K（t,τ_i）△Ti
式中K（t,τi）为应力松弛系数，设在龄期τ混凝土受到应力σ（τ），如果应变固定为常数，由于徐变的影响，到了时间t，应力将减小为σ（t）,松弛系数即为σ（t）与σ（τ）的比值，即：
                  K（t，τ）=σ（t）/σ（τ） 
      在早期升温阶段，杆内产生了压应力，但因早期混凝土弹性模量比较小，松弛系数也比较小，因此压应力的数值不大；到了后期降温阶段，混凝土弹性模量较大，松弛系数K（t，τ）也比较大，单位温差产生的应力增量比较大，因此，随着杆内温度的逐步降低，不但早期压应力被抵消了，而且在杆内还会产生很大的拉应力。最终，当时间τ→∞，温度T（∞）→0，但应力并不变为0，而是产生很大的剩余拉应力。实际情况是，当温度变幅达到12～20℃时，对于受到完全约束的混凝土，后期产生的拉应力足以使混凝土被拉断。
3 大体积混凝土在温度应力作用下形成的裂缝
3.1 产生表面裂缝：大体积混凝土浇注后一段时间，内部水化热不易散失，外部混凝土散热较快，水化热温升随结构厚度增加而加大，混凝土内外形成一定的温度梯度。无论温升阶段或温降阶段，混凝土中心温度总是高于混凝土表面温度。根据热胀冷缩原理，中心部分混凝土膨胀速率要比表面混凝土大。因此，混凝土中心与表面各质点间的内约束以及来自地基及其他外部边界约束的共同作用，使混凝土内部产生压应力，混凝土表面产生拉应力。当温度梯度大到一定程度时，表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面产生裂缝。在升温阶段，混凝土未充分硬化，弹性模量小，徐变影响较大。因此拉应力较小，只引起混
凝土表面裂缝。
3.2 产生贯穿裂缝：随着水泥水化反应的结束及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段。温度降低，混凝土体积收缩。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发，降温阶段混凝土中心部分与表面部分的冷缩程度不同，在混凝土内部产生较大的内约束，同时地基与边界条件也对收缩的混凝土产生较大外约束。内外约束的作用，使收缩的混凝土产生拉应力，随混凝土的龄期增长，抗拉强度增大。弹性模量增高，徐变影响减小。因此降温收缩产生的拉应力较大，易在混凝土中心部位形成较高拉应力区，若此时的混凝土拉应力大于混凝土此龄期的抗拉强度，则大体积混凝土产生贯穿裂缝。
4 温度裂缝的控制措施
4.1 选好原材料。主要是胶凝材料，其中水泥最主要。控制C3A，适当控制C3S，提高C2S含量；拒绝快硬型水泥；拒绝太细的水泥；掺加较多的掺合料，如粉煤灰、矿粉，一般重点工程宜选用硅酸盐水泥，掺加较多数量的掺合料；按常规选用与水泥匹配的高效减水剂，减少水泥用量。
4.2 选好配合比。根据实际情况，放弃、放宽早期混凝土强度要求；不以28天作为强度标准值，选用56天，90天为强度标准值；掺加40%～60%的粉煤灰和矿粉或磨细矿粉，在气温热时，适当提高掺合料用量；在气温低时，适当降低掺合料用量。最终的掺量要以试验和实践为依据。
4.3 原材料预冷却。大体积混凝土灌注温度越高，水泥水化热越快，内部温度就越大。有关文献介绍:一般灌注温度提高10℃，混凝土内部温度约增加3～5℃。试验表明，混凝土灌注温度为10℃和30℃时，其早期混凝土内、外部温度相差很大。预冷却是最常用、最有效的方法。
      一般配合比中的各组分预冷却1℃，散失热量占混凝土全部组分的比例如下：（以C50为例）石子：40%，砂子：27%，水20%，胶凝材料13%。
      砂、石由于用量大，露天存放，受太阳辐射，温度升温最大；水的用量不大，但比热大；胶凝材料用量不大，但有时进库的水泥很热，工地筒仓很小，即进即用，也应重视。
      应对措施：水泥，要求水泥厂不提供温度高于30℃的水泥；在水泥筒仓内设置冷却水管；砂、石，在砂、石料场设遮阳篷，砂、石提前一天进入棚内，并不断喷淋冷却；冷却水，用冰水或直接用碎冰搅拌；例如：三峡工程对灌注温度极为重视，封顶混凝土出机温度为8℃～9℃，灌注温度为16℃。有一个发电厂专用于原材料冷却。
4.4 选择合适的作业时间，在夏季一般应在晚上6点以后，日出前就应灌注完毕。冬天天气寒冷，应在中午开始灌注。
4.5 精心养护。混凝土成型开始即进入养护期，一般为14～21天。干燥气候条件下，应增加养护时间。
      一般在头一周内或C30以前为前期养护，此时的混凝土有如婴儿一样需要精心照顾。此后为后期养护，主要是不断喷水保湿。早期养护，防晒、防止水分蒸发，需要不断保湿。此时水化反应刚开始，如果水分大量蒸发，混凝土表面留下一层水泥干粉或出现一些微细裂纹，留下后患。桥梁表面是“随抹随覆盖，压光后，立即加保温、保湿罩，终凝后，立即喷雾保湿。”
      养护用水的水温控制：养护用水应比混凝土表面低一点，最大不超过15℃；脱模后立即进行包裹，并保持内部湿润；根据结构物大小，适当考虑人工通风；不要过分相信养护剂；冬季时以保温为主，防止温差过大造成混凝土开裂。

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