混凝土裂缝与温度关系的探讨

摘要：通过对施工现场观察与分析，以及查阅有关混凝土内部应力方面的专著，对混凝土温度裂缝产生的原因、现场混凝土温度的控制和预防裂缝的措施进行等进行探讨。
　　关键词：混凝土，裂缝，温度
　　一、综述
　　随着我国改革开放和现代化进程的不断深入，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量也日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。在众多的工程质量问题中，混凝土裂缝现象则更为突出，在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。
　　在大体积微硅粉混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝，因此本文仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施进行探讨。
　　二、混凝土裂缝成因
　　混凝土中产生裂缝有多种原因，工程实际中除了荷载作用造成的的裂缝外，更多的是混凝土收缩、混凝土的脆性和不均匀性、温度和湿度的变化、结构不合理、原材料不合格、模板变形以及基础不均匀沉降等导致开裂。
　　混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，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上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。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很小或变化较慢，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。
　　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上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者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。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，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。
　　三、温度应力的分析
　　按温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：
　　（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，在此期间混凝上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。
　　按温度应力引起的原因可分为两类：
　　（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。如箱梁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。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响。
　　大体积混凝土在温度应力作用下的两种不利情况：
　　（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，水化热温升随壁（板）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。
　　（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。
　　大体积混凝土从浇筑到达到设计强度为止，混凝土的抗拉强度与引起混凝土开裂的温度应力是以时间为自变量的函数。当温度应力大于混凝土此龄期的抗拉强度，则混凝土产生裂缝，裂缝出现在受拉混凝土处。
　　如果通过合理措施控制混凝土拉应力一直小于混凝土该龄期抗拉强度，就能保证混凝土不会产生温度裂缝。
　　四、温度的控制和防止裂缝的措施
　　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。控制温度的措施如下：
　　（1）采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量；
　　（2）拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；
　　（3）热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；
　　（4）在混凝土中埋设水管，通入冷水降温；
　　（5）规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度；
　　（6）施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施；
　　改善约束条件的措施是：
　　（1）合理地分缝分块；
　　（2）避免基础过大起伏；
　　（3）合理的安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露；
　　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。
　　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。
　　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。
　　五、结束语
　　以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨，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，具体施工中要靠我们多观察、多比较，出现问题后多分析、多总结，结合多种预防处理措施，混凝土的裂缝是完全可以避免的。
　　　　　
　　微硅粉参考建筑文献资料：
　　1、 罗隆安。浅谈混凝土施工温度与裂缝关系，2006.6
　　2、 钢筋混凝土结构设计规范.中国建筑工业出版社，1999.2
　　3、 鞠丽艳，张雄。混凝土裂缝防治的两种新方法.施工技术，2002.7
　　4、 王南兵。浅议水工混凝土裂缝的预防与处理，2006.6
　　5、 陈刚。一些常见混凝土裂缝的成因及预防，2006.7