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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(dāng)放熱減少會(huì)造成混凝土體積減小，這樣一來就形成了混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉抗剪強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂縫，輕者降低混凝土的使用性和耐久性，嚴(yán)重時(shí)將影響混凝土的結(jié)構(gòu)及使用安全。文章對(duì)大體積混凝土裂縫及溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；溫度裂縫；溫度應(yīng)力；溫控防裂措施；配合比；工程建設(shè)

在工程建設(shè)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(jié)構(gòu)，這些工程的結(jié)構(gòu)尺寸大，在現(xiàn)場澆筑以后，混凝土內(nèi)部的水泥水化熱量大，易造成混凝土溫度升高同時(shí)熱量難以散發(fā)，在混凝土邊緣和內(nèi)部形成較大的溫差，進(jìn)而引發(fā)溫度應(yīng)力。在溫度應(yīng)力作用下，混凝土體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生開裂。盡管造成大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因很多，除了人為設(shè)計(jì)的不合理、混凝土配合比不當(dāng)、施工環(huán)境差以及材料本身的問題外，最復(fù)雜也最難以控制的是混凝土內(nèi)部水泥水化熱散失后，在大型混凝土內(nèi)部因?yàn)榻禍囟a(chǎn)生溫度裂縫。因此，研究混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因以及溫度對(duì)裂縫的控制機(jī)理，對(duì)研究相應(yīng)的溫度裂縫控制措施具有重要的意義。

1混凝土溫度應(yīng)力

1.1基本概念

物體在受到溫度變化的影響時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度變形，將物體四周固定好，物體升溫時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹，由于四周的限制，物體無法膨脹而會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；物體降溫時(shí)發(fā)生收縮受到四周的限制，因?yàn)闇囟鹊淖兓沟梦矬w內(nèi)產(chǎn)生的力無法傳遞至外界，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力或拉應(yīng)力，這種因溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力就是溫度應(yīng)力。當(dāng)混凝土的溫度降低時(shí)，混凝土內(nèi)部降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力可能使其內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力裂縫。對(duì)于處于嵌固狀態(tài)新澆筑的混凝土，當(dāng)混凝土內(nèi)部的升降溫的幅度達(dá)到12℃～20℃時(shí)，后期混凝土降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超過混凝土的極限拉應(yīng)力而造成混凝土被拉裂。

1.2產(chǎn)生原因

混凝土在進(jìn)行澆筑時(shí)候，其組成成分水泥遇水發(fā)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(duì)于大體積混凝土，這種熱量可以使內(nèi)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(huì)達(dá)到70℃。大體積混凝土由于水泥水化時(shí)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(huì)導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部溫升幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面溫升幅度。由于大體積混凝土在升溫峰值后會(huì)發(fā)生降溫，且內(nèi)部因?yàn)槊芊庑詫?dǎo)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(fā)生溫度的升降變化，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)于大體積混凝土而言，其熱量散發(fā)周期長，一般將混凝土放熱分為兩個(gè)階段：在初期階段，混凝土中放熱速度很快，尤其是內(nèi)部的發(fā)熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散熱速度，內(nèi)部溫度急劇升高，大體積混凝土在內(nèi)部熱量集聚的情況下受熱后體積發(fā)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(xù)對(duì)外大量散熱而溫度降低，混凝土發(fā)生體積收縮。由于混凝土在不斷膨脹或收縮過程中會(huì)受到地基或基礎(chǔ)的約束，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力。

1.3分類

1.3.1自生應(yīng)力。當(dāng)混凝土沒有其他空間限定條件時(shí)，無論混凝土內(nèi)部溫度如何變化，都不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)混凝土受到外界約束，混凝土內(nèi)部的溫度變化在一定的約束條件下容易形成應(yīng)力，即為自生應(yīng)力。這種應(yīng)力的形成多是在混凝土澆筑初期混凝土內(nèi)部水泥水化作用釋放的熱量，短時(shí)間難以散發(fā)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高，體積膨脹應(yīng)力表現(xiàn)為混凝土表面的拉應(yīng)力。

1.3.2約束應(yīng)力。當(dāng)大體積混凝土邊界受約束時(shí)，外界約束條件為限制內(nèi)外溫度差造成的變形而產(chǎn)生了溫度應(yīng)力。澆筑的試塊冷卻時(shí)受到地基的約束產(chǎn)生的應(yīng)力即為約束應(yīng)力。一般混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力為溫度應(yīng)力和約束應(yīng)力的疊加。混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)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(wěn)定，由于后期的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前期的彈性模量，導(dǎo)致溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力在抵消溫升產(chǎn)生的壓應(yīng)力后仍會(huì)存在多余的拉應(yīng)力。盡管混凝土徐變對(duì)應(yīng)力的影響會(huì)逐漸減小，但對(duì)工程結(jié)構(gòu)而言，可減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力。

2混凝土溫度裂縫產(chǎn)生原因

2.1水泥水化熱

對(duì)于大體積混凝土，在混凝土澆筑和運(yùn)行中，由于體積過大，混凝土散熱差，水泥與水反應(yīng)所產(chǎn)生的水化熱不能及時(shí)從混凝土內(nèi)部散出，導(dǎo)致內(nèi)部中心部位溫度快速升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土表面溫度，這樣就在混凝土內(nèi)部形成分布不均的溫度場。由于內(nèi)外約束的存在，易產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力，當(dāng)其超過容許值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

2.2環(huán)境及澆筑溫度

澆筑溫度是混凝土溫度場的環(huán)境溫度，也是混凝土內(nèi)部的初始溫度，環(huán)境溫度對(duì)混凝土溫度場的分布具有重要影響。當(dāng)澆筑溫度較高時(shí)或者混凝土受到較大幅度的環(huán)境溫度變化都會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，因此我國對(duì)混凝土的澆筑溫度給出了明確的規(guī)定，在28℃以內(nèi)為宜。

2.3約束條件

混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力的一個(gè)關(guān)鍵因素就是約束條件。一旦混凝土因?yàn)闇囟炔痪a(chǎn)生溫差時(shí)，如果沒有約束條件，自身變形沒有約束條件，應(yīng)力能得以釋放；但當(dāng)存在外界的約束時(shí)，使其自身變形得到約束，易形成溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的變形極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

2.4干縮影響

混凝土的凝結(jié)過程是由于水化反應(yīng)會(huì)消耗混凝土結(jié)構(gòu)中的水分，使得游離態(tài)的水分子變成結(jié)合態(tài)，與此同時(shí)，水化作用過程會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，加快水分的蒸發(fā)，這些過程均會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生收縮變形。當(dāng)混凝土受到外部約束時(shí)，在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，同時(shí)因?yàn)樗值恼舭l(fā)產(chǎn)生干縮應(yīng)力，導(dǎo)致干縮縫的產(chǎn)生。

3混凝土溫控防裂措施研究

3.1澆筑前材料預(yù)冷和澆筑后冷卻散熱

澆筑前預(yù)冷是在混凝土澆筑前提前對(duì)混凝土澆筑材料和混凝土澆筑設(shè)備等進(jìn)行冷卻，以使混凝土澆筑時(shí)的溫度低于設(shè)計(jì)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(xì)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(nèi)，粗細(xì)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(chǎn)生的水化熱是混凝土成型過程中主要的熱量來源，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)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(shí)排走產(chǎn)生的水化熱）是最直接有效的散熱措施。通常在混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)通冷卻水或冷卻空氣，及時(shí)排走混凝土內(nèi)部水化熱產(chǎn)生的熱量直至結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(nèi)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(yùn)輸過程中通過壓縮冷卻空氣來及時(shí)排走混凝土拌合過程中的水化熱也是一種切實(shí)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(zhǔn)備階段要做好外界環(huán)境、澆筑溫度等環(huán)境因素分析，提前做好溫控措施盡量使每個(gè)溫度梯度降至最低，在最大程度上控制結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。實(shí)踐表明，日內(nèi)氣溫的變幅、溫度的持續(xù)降低都會(huì)導(dǎo)致混凝土溫度應(yīng)力的提高，外界溫度高則有利于溫度應(yīng)力的減小，利于混凝土溫度的控制。在進(jìn)行大體積混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，要參考當(dāng)?shù)氐臍鉁貧夂蛞?guī)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(shí)段進(jìn)行澆筑。對(duì)大體積混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，要確保混凝土溫度梯度控制在拉應(yīng)力容許的范圍內(nèi)，結(jié)合相應(yīng)的人工措施，如鼓風(fēng)、灑水等，對(duì)溫度梯度進(jìn)行綜合全面控制。

3.3外覆保溫層養(yǎng)護(hù)

通過對(duì)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(yīng)力。由于其施工方便，且對(duì)混凝土溫度裂縫具有良好的控制作用，被廣泛應(yīng)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(yè)，可通過在混凝土表面敷設(shè)保溫材料來減小混凝土表面的放熱過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)的選擇，保溫系數(shù)要根據(jù)工程投資、混凝土施工進(jìn)度、施工效率來綜合考慮。一般來說保溫層的放熱系數(shù)越小，外界對(duì)結(jié)構(gòu)溫度的影響越小，對(duì)混凝土的保溫效果也越好。因此要根據(jù)不同工程，綜合考慮實(shí)際施工條件、氣候環(huán)境和效率等因素，在條件允許的情況下，先對(duì)不同組合進(jìn)行仿真分析，綜合選擇最優(yōu)的保溫措施。

4結(jié)語

大體積混凝土水化過程放熱量大，加上本身散熱環(huán)境差，容易造成體積膨脹；當(dāng)放熱減少又會(huì)造成混凝土體積的減小，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此要做好混凝土的溫度應(yīng)力控制，避免因過大的應(yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫。

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作者：周欣欣；李鐵軍 單位：中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司