对混凝土裂缝及温度控制的分析探讨

【摘 要】混凝土的裂缝是建筑工程中一个普遍存在而又难以解决的实际问题.如何控制好混凝土温度,避免混凝土裂缝的产生是每个工程人员应注意的问题. 因此笔者就针对混凝土裂缝的产生原因,混凝土硬化过程中温度对裂缝的影响、混凝土温度控制办法和防止裂缝的措施及混凝土早期养护的重要性进行了阐述。

【关键词】裂缝原因;温度控制;养护

1、裂缝产生的原因分析

混凝土中产生裂缝的原因有许多种，裂缝产生的原因可分为两类：一是结构型裂缝，是由外荷载引起的，包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝。二是材料型裂缝，是由非受力变形变化引起的，主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的.本文主要探讨材料型裂缝。

混凝土硬化期间水泥放出大量的水化热，内部温度不断上升, 在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会使混凝土内部出现拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化或变化较慢，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，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝产生.混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时的拉伸变形只有(0.6～1.0)×104，长期加荷时的极限拉伸变形也只有( 1.2～2.0)×104。由于原材料不均匀，水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象，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，易于出现裂缝的部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土上的边缘部位如果结构内出现拉应力或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。因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要[1]。

2、混凝土内部温度应力的分析

混凝土浇筑后，因水泥水化热作用，引起温度升高较快，加上混凝土的导热性能很差，导致混凝土内外出现温差。由于材料的热胀冷缩性,引起内部受压、外部受拉。当混凝土此时的抗拉强度小于外部温度拉应力时就要出现裂缝，有些部位在拆模(龄期2～3d左右)时已出现裂缝，有些部位在拆模后1～2d内出现裂缝。

一般来说，根据温度应力的形成过程可以分为三个阶段：

(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，二是混凝土上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期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。根据温度应力引起的原因可分为两类[2]：

① 自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。

② 约束应力：结构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所引起的应力共同作用，要想根据已知的温度准确分配出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作. 在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响，具体计算这里就不再细述。

3、温度的控制和防止裂缝的措施

温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错；梁板类长度尺寸较大的结构，裂缝多平行于短边；深入和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密.裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。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两个方面着手。主要预防措施:

3.1 尽量选用低热或中热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。

3.2 减少水泥用量，将水泥用量尽量控制在450kg/m3 以下。

3.3 降低水灰比，一般混凝土的水灰比控制在0.6 以下。

3.4 改善骨料级配，掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,降低水化热，

3.5 改善混凝土的搅拌加工工艺，在传统的“三冷技术”的基础上采用“ 二次风冷”新工艺，降低混凝土的浇筑温度。

3.6 在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，改善混凝土拌合物的流动性、保水性，降低水化热，推迟热峰的出现时间。

3.7 高温季节浇筑时可以采用搭设遮阳板等辅助措施控制混凝土的温升，降低浇筑混凝土的温度。

3.8 大体积混凝土的温度应力与结构尺寸相关,混凝土结构尺寸越大，温度应力越大，因此要合理安排施工工序，分层，分块浇筑，以利于散热。减小约束。

3.9 在大体积混凝土内部设置冷却管道，通冷水或者冷气冷却, 减小混凝土的内外温差。

3.10 加强混凝土温度的监控，及时采取冷却，保护措施。

3.11 预留温度收缩缝。

3.12 减小约束，浇筑混凝土前宜在基岩和老混凝土上铺设5mm左右的砂垫层或使用沥青等材料涂刷。

3.13 加强混凝土养护，混凝土浇筑后，及时用湿润的草帘、麻片等覆盖，并注意洒水养护，适当延长养护时间，保证混凝土表面缓慢冷却.在寒冷季节,混凝土表面应设置保温措施，以防止寒潮袭击。

3.14 混凝土中配置少量的钢筋或者掺入纤维材料将混凝土的温度裂缝控制在一定的范围之内。

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，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要，应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的，因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。

在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模，当混凝土温度高于气温时应当适当考虑拆模时间，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, 此时表面温度亦较气温高, 此时拆除模, 表面温度骤降, 必然引起温度梯度, 从而在表面附加一拉应力与水化应力迭加, 再加上混凝土干缩, 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一轻型保温材料, 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的效果。

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, 钢的各项性能是稳定的, 而与应力状态、时间及温度无关.钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小, 在温度变化时两者只发生很小的内应力.由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量7～15倍, 当内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, 在混凝土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变得数目多、间距小、宽度与深度较小的.而且如果钢筋的直径细而间距密时, 对提高混凝土的抗裂性的效果较好.混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝, 其中大多数属于干缩裂缝. 虽然这种裂缝一般都较浅, 但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。

为保证混凝土工程质量, 防止开裂, 提高混凝土的耐久性, 正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一.例如使用减水防裂剂, 笔者在实践中总结出其主要作用为:

(1) 混凝土中存在大量毛细孔道, 水份蒸发后毛细管中产生毛细管张力, 使混凝土干缩性变形.增大毛细孔径可降低毛细管表面张力, 但会使混凝土强度降低.这个表面张力理论早在六十年代就已被国际上确认。

(2) 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%。

(3) 水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素, 掺加减水防裂剂的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。

(4) 减水防裂剂可以改善水泥的稠度, 减少混凝土泌水, 减少沉降变形。

(5) 提高水泥与骨料的粘结力, 提高混凝土的抗裂性能。

(6) 混凝土在收缩时受到结束产生拉应力, 当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生.减水防裂剂可有效的提高混凝土的抗拉强度, 大幅度提高混凝土的抗裂性能。

(7) 掺加外减水剂可使混凝土密实性好, 可有效地提高混凝土的抗碳化性, 减少碳化收缩。

(8) 掺减水防裂剂, 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带来的塑性收缩增加。

(9) 掺外加剂混凝土和易性好、表面易摸平、形成微膜, 减少水蒸发, 减少干燥收缩.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, 比单纯的靠改善外部条件, 可能会更加简捷、经济。

4、混凝土的早期养护

实践证明, 混凝土常见的裂缝, 大多数是不同深度的表面裂缝, 其主要原因是温度梯度造成,因此混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要[3]。从温度应力观点出发, 保温应达到下述要求:

4.1 防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。

4.2 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。

4.3 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, 一方面使混凝土免受不利温度、湿度变形的侵害, 防止有害的冷缩和干缩.一方面使水泥水化作用顺利进行, 以期达到设计的强度和抗裂能力.适宜的温湿度条件是相互关联的.混凝土的保温措施常常也有保湿的效果.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, 表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响.因此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、裂缝处理

5.1 表面修补法

表面修补法是一种简单、常见的修补方法, 它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝的处理.通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料, 在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂, 通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。

5.2 结构加固法

当裂缝影响到混凝土结构的性能时, 就要考虑采取加固法对混凝土结构进行处理.结构加固中常用的主要有以下几种方法: 加大混凝土结构的截面面积, 在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。

5.3 灌浆、嵌逢封堵法

灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补, 它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中, 胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体, 从而起到封堵加固的目的.常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料.嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法, 它通常是沿裂缝凿槽, 在槽中嵌填塑性或刚性止水材料, 以达到封闭裂缝的目的. 常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等; 常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

5.4 混凝土置换法

混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法, 此方法是先将损坏的混凝土剔除, 然后再置换入新的混凝土或其他材料.常用的置换材料有: 普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

5.5 仿生自愈合法

仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法, 它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质, 而使创伤部位得到愈合的机能, 在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分(如含粘结剂的液芯纤维或胶囊), 在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统, 当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合[4]。

6、结束语

混凝土裂缝是建筑工程界关注的一个重要问题, 通过以上分析可知, 对于混凝土的施工温度与裂缝之间的关系, 虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论, 但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一, 同时在实践中的应用效果也是比较好的.具体施工中只要精心选择原材料, 并在施工中结合多种预防处理措施, 是能够有效的防止裂缝的发生。

参考文献

[1]龚召熊.水工混凝土的温控与防裂[M] . 北京: 中国水利水电出版社, 1999.

[2]覃维祖.混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[J] .混凝土, 2001.

[3]郭仕万, 肖欣, 赵和平.混凝土施工中的裂缝控制[J] .山西水利科技, 2000.11.

[4]鞠丽艳, 张雄.混凝土裂缝防治的两种新方法[J] .施工技术, 2002. 7.