大體積混凝土裂縫及溫度應力探討范文

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摘要：混凝土中的水泥在水化過程中放熱使混凝土溫度升高，造成混凝土體積膨脹，當放熱減少會造成混凝土體積減小，這樣一來就形成了混凝土內部的溫度應力。當溫度應力超過混凝土抗拉抗剪強度時會產生裂縫，輕者降低混凝土的使用性和耐久性，嚴重時將影響混凝土的結構及使用安全。文章對大體積混凝土裂縫及溫度應力進行了研究。

關鍵詞：混凝土結構；溫度裂縫；溫度應力；溫控防裂措施；配合比；工程建設

在工程建設中，一些大型工程如泵站、港口、橋梁等都涉及到大體積混凝土結構，這些工程的結構尺寸大，在現場澆筑以后，混凝土內部的水泥水化熱量大，易造成混凝土溫度升高同時熱量難以散發，在混凝土邊緣和內部形成較大的溫差，進而引發溫度應力。在溫度應力作用下，混凝土體積發生變化，從而產生開裂。盡管造成大體積混凝土產生裂縫的原因很多，除了人為設計的不合理、混凝土配合比不當、施工環境差以及材料本身的問題外，最復雜也最難以控制的是混凝土內部水泥水化熱散失后，在大型混凝土內部因為降溫而產生溫度裂縫。因此，研究混凝土內部溫度應力產生的原因以及溫度對裂縫的控制機理，對研究相應的溫度裂縫控制措施具有重要的意義。

1混凝土溫度應力

1.1基本概念

物體在受到溫度變化的影響時會產生溫度變形，將物體四周固定好，物體升溫時會發生膨脹，由于四周的限制，物體無法膨脹而會在內部產生壓應力；物體降溫時發生收縮受到四周的限制，因為溫度的變化使得物體內產生的力無法傳遞至外界，內部會產生壓應力或拉應力，這種因溫度變化產生的應力就是溫度應力。當混凝土的溫度降低時，混凝土內部降溫產生的拉應力可能使其內部出現拉應力裂縫。對于處于嵌固狀態新澆筑的混凝土，當混凝土內部的升降溫的幅度達到12℃～20℃時，后期混凝土降溫產生的拉應力很容易超過混凝土的極限拉應力而造成混凝土被拉裂。

1.2產生原因

混凝土在進行澆筑時候，其組成成分水泥遇水發生水化作用，并釋放大量熱量。研究表明，水泥的水化放熱量一般為200～400kJ/kg。對于大體積混凝土，這種熱量可以使內部的混凝土溫度上升超過30℃，加上混凝土本身的溫度，則混凝土中的最高溫度會達到70℃。大體積混凝土由于水泥水化時放出大量的熱量，加上本身體積較大、密封性好，因此具有一定的保溫性能，往往會導致大體積混凝土內部溫升幅度遠遠大于表面溫升幅度。由于大體積混凝土在升溫峰值后會發生降溫，且內部因為密封性導致其降溫速度又比表面慢。在這些溫度變化過程中，混凝土不斷發生溫度的升降變化，導致混凝土內部產生應力。對于大體積混凝土而言，其熱量散發周期長，一般將混凝土放熱分為兩個階段：在初期階段，混凝土中放熱速度很快，尤其是內部的發熱速度遠遠大于散熱速度，內部溫度急劇升高，大體積混凝土在內部熱量集聚的情況下受熱后體積發生膨脹；在后期階段，大體積混凝土放熱量大幅度降低，隨著持續對外大量散熱而溫度降低，混凝土發生體積收縮。由于混凝土在不斷膨脹或收縮過程中會受到地基或基礎的約束，在混凝土內產生了壓應力或者拉應力。

1.3分類

1.3.1自生應力。當混凝土沒有其他空間限定條件時，無論混凝土內部溫度如何變化，都不會產生溫度應力。當混凝土受到外界約束，混凝土內部的溫度變化在一定的約束條件下容易形成應力，即為自生應力。這種應力的形成多是在混凝土澆筑初期混凝土內部水泥水化作用釋放的熱量，短時間難以散發，導致結構內部溫度升高，體積膨脹應力表現為混凝土表面的拉應力。

1.3.2約束應力。當大體積混凝土邊界受約束時，外界約束條件為限制內外溫度差造成的變形而產生了溫度應力。澆筑的試塊冷卻時受到地基的約束產生的應力即為約束應力。一般混凝土內部的溫度應力為溫度應力和約束應力的疊加。混凝土內部的溫度應力受混凝土彈性模量的變化及徐變特性造成影響。混凝土彈性模量從澆筑到后期逐步變大并趨向穩定，由于后期的彈性模量遠遠大于前期的彈性模量，導致溫降產生的拉應力在抵消溫升產生的壓應力后仍會存在多余的拉應力。盡管混凝土徐變對應力的影響會逐漸減小，但對工程結構而言，可減小結構產生的拉壓應力。

2混凝土溫度裂縫產生原因

2.1水泥水化熱

對于大體積混凝土，在混凝土澆筑和運行中，由于體積過大，混凝土散熱差，水泥與水反應所產生的水化熱不能及時從混凝土內部散出，導致內部中心部位溫度快速升高，遠遠超過混凝土表面溫度，這樣就在混凝土內部形成分布不均的溫度場。由于內外約束的存在，易產生較大的溫度拉應力，當其超過容許值時，會產生溫度裂縫。

2.2環境及澆筑溫度

澆筑溫度是混凝土溫度場的環境溫度，也是混凝土內部的初始溫度，環境溫度對混凝土溫度場的分布具有重要影響。當澆筑溫度較高時或者混凝土受到較大幅度的環境溫度變化都會導致混凝土產生較大的溫度應力，因此我國對混凝土的澆筑溫度給出了明確的規定，在28℃以內為宜。

2.3約束條件

混凝土內部產生溫度應力的一個關鍵因素就是約束條件。一旦混凝土因為溫度不均產生溫差時，如果沒有約束條件，自身變形沒有約束條件，應力能得以釋放；但當存在外界的約束時，使其自身變形得到約束，易形成溫度應力，當溫度應力超過混凝土的變形極限時就會產生溫度裂縫。

2.4干縮影響

混凝土的凝結過程是由于水化反應會消耗混凝土結構中的水分，使得游離態的水分子變成結合態，與此同時，水化作用過程會產生大量的水化熱，加快水分的蒸發，這些過程均會導致混凝土發生收縮變形。當混凝土受到外部約束時，在內部會產生收縮應力，同時因為水分的蒸發產生干縮應力，導致干縮縫的產生。

3混凝土溫控防裂措施研究

3.1澆筑前材料預冷和澆筑后冷卻散熱

澆筑前預冷是在混凝土澆筑前提前對混凝土澆筑材料和混凝土澆筑設備等進行冷卻，以使混凝土澆筑時的溫度低于設計的最高混凝土澆筑溫度。其中混凝土澆筑材料包括水泥、粗細骨料和鋼筋，澆筑拌合用水等。水泥通常堆放在冷棚或涼棚內，粗細骨料堆場搭蓋涼棚，澆筑前灑冰水。拌合用水溫度控制在0℃～5℃之間，在混凝土中添加冰水混合物或冰粒也是一種可靠可行的降溫措施。澆筑大體積混凝土所產生的水化熱是混凝土成型過程中主要的熱量來源，會導致內部中心部位溫度快速升高。澆筑后冷卻散熱（即在混凝土澆筑完成后及時排走產生的水化熱）是最直接有效的散熱措施。通常在混凝土結構中提前埋置蛇形冷卻管，在澆筑下料過程中和澆筑成型后，在冷卻管內通冷卻水或冷卻空氣，及時排走混凝土內部水化熱產生的熱量直至結構達到設計強度。該方法散熱效果更直接，冷卻效率高，施工靈活。混凝土澆筑后冷卻散熱能減少混凝土內部高溫和表面低溫形成較大的溫度差，從而減少混凝土的開裂。另外，混凝土運輸過程中通過壓縮冷卻空氣來及時排走混凝土拌合過程中的水化熱也是一種切實可行的降低混凝土水化熱的措施。

3.2外界溫度梯度控制

在施工準備階段要做好外界環境、澆筑溫度等環境因素分析，提前做好溫控措施盡量使每個溫度梯度降至最低，在最大程度上控制結構的溫度應力。實踐表明，日內氣溫的變幅、溫度的持續降低都會導致混凝土溫度應力的提高，外界溫度高則有利于溫度應力的減小，利于混凝土溫度的控制。在進行大體積混凝土設計時，要參考當地的氣溫氣候規律，在滿足工程整體工期的前提下，盡可能地選取回暖、晝夜溫差小的時段進行澆筑。對大體積混凝土進行養護時，要確保混凝土溫度梯度控制在拉應力容許的范圍內，結合相應的人工措施，如鼓風、灑水等，對溫度梯度進行綜合全面控制。

3.3外覆保溫層養護

通過對不同混凝土外覆不同的保溫層可有效降低混凝土的溫度應力。由于其施工方便，且對混凝土溫度裂縫具有良好的控制作用，被廣泛應用在大體積混凝土的工程施工中。要做好混凝土的保溫作業，可通過在混凝土表面敷設保溫材料來減小混凝土表面的放熱過程，實現對混凝土的保溫，降低混凝土溫度場的差異程度。保溫層的選擇在于保溫系數的選擇，保溫系數要根據工程投資、混凝土施工進度、施工效率來綜合考慮。一般來說保溫層的放熱系數越小，外界對結構溫度的影響越小，對混凝土的保溫效果也越好。因此要根據不同工程，綜合考慮實際施工條件、氣候環境和效率等因素，在條件允許的情況下，先對不同組合進行仿真分析，綜合選擇最優的保溫措施。

4結語

大體積混凝土水化過程放熱量大，加上本身散熱環境差，容易造成體積膨脹；當放熱減少又會造成混凝土體積的減小，造成混凝土內部產生溫度應力，因此要做好混凝土的溫度應力控制，避免因過大的應力產生溫度裂縫。

參考文獻

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作者：周欣欣；李鐵軍 單位：中國市政工程中南設計研究總院有限公司