在现代文明高度发达的今天不管是铁路、公路、水利、城市建设等国民基础建设, 以及人们日常生活都离不开混凝土组成的构件 (由胶凝材料、水和骨料等按适当比例配制, 经混合搅拌, 硬化成型的一种人工石材) 。在工程建设中, 由混凝土浇筑成型的结构所占的比重越来越大。然而世界级难题——混凝土的裂缝, 往往困扰每一个从事工程建设的建设者们。不管是桥梁工程, 还是水利大坝工程混凝土裂缝几乎无所不在。尽管我们在混凝土的施配和施工过程中采取各种措施, 但裂缝仍然不可避免的存在。
大体积混凝土产生砼裂缝的原因是多方面的, 其中砼温度应力及温度控制是关键。首先, 在施工中混凝土常常出现温度裂缝, 影响到结构的稳定性和耐久性。其次, 在砼构件运行过程中, 外界温度变化对结构的内部应力变化具有显著的不容忽视的影响。我们在正常施工过程中遇到的主要是第一种——温度裂缝。因此本文主要从施工中混凝土浇筑、养护、运行等环节对结构物产生裂缝的成因和控制措施做一些浅析。
结构裂缝产生的原因很复杂, 根据国内外的调查资料, 引起裂缝有两大类原因, 一种由外荷载直接应力和结构次应力引起的裂缝, 其机率约20%;一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素引起的裂缝, 其机率约80%。
(1) 干燥收缩研究表明, 水泥加水后变成水泥硬化体的过程中, 其绝对体积在减小。每100克水泥水化后的化学减缩值为7mL～9mL, 如砼水泥用量为350kg/m3, 则形成孔缝体积约25～30L/m3之巨。这是砼抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明, 每100g水泥浆体可蒸发水约6mL, 如砼水泥用量为350kg/m3, 当砼在干燥条件下, 则蒸发水量达21L/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力, 使砼产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1%～0.2%;砼的干缩值为0.04%～0.06%。而砼的极限拉伸值只有0.01%～0.02%, 故易引起干缩裂缝。
(2) 温差收缩水泥水化是个放热过程, 其水化热为165～250J/g, 随砼水泥用量提高, 其绝热温升可达50℃～80℃。研究表明, 当砼内外温差10℃时, 产生的冷缩值εc=△T/α=10/1×10-5=0.01%, 如温差为20℃～30℃时, 其冷缩值为0.02%～0.03%, 当其大于砼的极限拉伸值时, 则引起砼结构开裂。
(3) 塑性收缩砼初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发, 引起失水收缩, 此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形, 它发生在砼终凝之前的塑性阶段, 故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在砼表面上, 特别在抹压不及时和养护到位的部位出现龟裂, 宽度达1mm～2mm, 属表面裂缝。水灰比过大、水泥用量大、外加剂保水性差、粗骨料少、振捣不良、环境温度高、表面失水大等都能导致砼塑性收缩而发生表面开裂现象。
(4) 收缩密封的砼内部相对湿度随水泥水化的进展而降低, 称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压, 因而引起砼的自生收缩。高水灰比的普通砼 (OPC) 由于毛细孔隙中贮存大量水分, 自干燥引起的收缩压力较小, 所以自生收缩值较低而不被注意。但是低水灰比的高性能砼 (HPC) 则不同, 早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快, 以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而高性能砼结构致密, 外界水很难渗入补充, 在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明, 龄期2个月水胶比为0.4的HPC, 自干收缩率为0.01%, 水胶比为0.3的HPC, 自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等, 水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知, HPC的收缩性与OPC完全不同, OPC以干缩为主, 而HPC以自干收缩为主。问题的要害是:HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天, 湿度梯度首先引发表面裂缝, 随后引发内部微裂缝, 若砼变形受到约束, 则进一步产生收缩裂缝。这是高标号砼容易开裂的主要原因之一。
(5) 自20世纪80年代中期推广商品 (泵送) 砼以来, 结构裂缝普遍增多。这是为什么呢?除了与砼的水泥用量和砂率提高有关外, 人们忽视了减水剂引起的负面影响。例如过去干硬性及预制砼的收缩变形约为 (4～6) ×10-4, 而现在泵送砼收缩变形约为 (6～8) ×10-4, 使得砼裂缝控制的技术难度大大增加。研究表明在砼配合比相同情况下, 掺入减水剂的坍落度可增加100mm～150mm, 但是它与基准砼的收缩值相比, 却增加120%～130%。所以, 在《砼减水剂》规范GB138076-97中规定掺减水剂的砼与基准砼的收缩比≤135%。研究表明, 掺入不同类型的减水剂砼的收缩比是不相同的。一般是木钙减水剂萘磺酸盐减水剂三聚氰胺减水剂氨基磺酸减水剂聚丙烯酸减水剂。这说明商品砼浇筑的结构开裂机率大与减水剂带来负面影响有关。
(6) 砼后期膨胀出现裂缝主要是: (1) 水泥中游离CaO过高, Ca (OH) 2体积膨胀所致; (2) 水泥中MgO过高, Mg (OH) 2体积膨胀所致; (3) 水泥和外加剂碱含量过高, 与集料中活性硅等发生碱-集料反应所致; (4) 有害离子Cl-、Mg++等侵入砼内部, 导致钢筋锈蚀或形成二次钙矾石膨胀破坏所致。
(7) 徐变结构物在任意内应力作用下, 除瞬间弹性变形外, 其变形值随时间的延长而增加的现象称为徐变变形。砼拉徐变时对抗裂有利, 一般可以提高钢筋砼极限拉伸值50%左右。而砼抗压徐变很小, 一般把收缩变形与徐变变形的计算一并加以考虑。
大体积钢筋砼结构是由砼和钢筋共同承担极限状态的承载力, 结构设计师根据地基情况, 从静、动荷载、环境因素、结构耐久性等方面来控制荷载裂缝。
从国内外有关设计规范可知, 对结构变形作用引起的裂缝问题, 客观上存在两类学派:第一类, 设计规范没有验算裂缝的明确规定, 设计方法留给设计人员自由处理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的实际处理手法。第二类, 设计规范有明确规定, 对于荷载裂缝有计算公式并有严格的允许宽度限制。对于变形裂缝没有计算规定, 只按规范预留伸缩缝。
大量工程实践证明, 留缝与否, 并不是决定结构变形开裂与否的唯一条件, 留缝不一定不裂, 不留缝不一定裂, 开裂与许多因素有关。我们认为, 控制裂缝应该防患于未然, 首先尽量预防有害裂缝, 重点在防。
我国大体积砼结构工程向长大化、复杂化发展, 砼设计强度等级向C40～C60发展, 但设计师多注重结构安全, 而对变形裂缝控制考虑不周, 这也是结构裂缝发生增多的原因之一。
(1) 砼配合比设计是否科学合理, 水泥与外加剂是否相适应, 砂石级配及其含泥量是否符合规范要求, 砼坍落度控制是否合理, 这些都影响到砼的质量及其收缩变形。
(2) 砼浇筑震捣不均匀密实、施工缝和细部未按照规范处理, 也会带来结构开裂的后患;过震则使浮浆过厚, 抹压又不及时, 则砼表面出现塑性裂缝。
(3) 拆摸过早 (1d～3d) , 砼水化热正处于高峰, 内外温差最大, 砼易“感冒”开裂。
(4) 砼养护十分重要。然而许多施工单位忽视这一环节, 尤其是竖向高大的结构物保温保湿养护不到位, 容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大, 但由于吹风影响, 加速了砼水分蒸发速度, 亦即增加干缩速度, 容易引起早期表面裂缝。这也许是夏季比秋冬季, 南方比北方出现结构裂缝较多的原因。从已建工程调查中发现, 地面以下基础养护较好, 出现裂缝概率较低, 而地面以上结构物出现裂缝概率很高约占80%, 这与保温保湿养护不足有很大关系。
除上述技术因素外, 施工管理不严、赶进度、偷工减料、工人素质低、施工操作不规范等也是造成结构出现裂缝的原因。
不少结构是在浇筑完3～6月, 甚至在1～2年内出现裂缝
除荷载问题外, 主要是环境温度和风吹日晒引起的收缩变形所致。如地下室不及时复土;上部结构不及时做好;封闭出入口长期敞开等。这些与施工和业主对结构维护缺乏认识有关。钢筋砼结构与其他物件一样都存在“热胀冷缩”的特征, 尤其超长结构更为明显, 所以应重视已浇结构的保温保湿维护工作。
根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段。
早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束, 一般约14天。这个阶段有两个特征:一是水泥放出大量的水化热;二是混凝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。
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。
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。
自生应力:周围没有任何约束或完全静止的砼结构, 如果内部温度是非线性分布的, 那么砼结构本身相互约束而出现了温度应力。例如桥梁墩身结构尺寸相对较大, 混凝土冷却时表面温度低, 而砼内部温度高, 则形成在表面出现拉应力, 在中间出现压应力。
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。如桥梁工程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。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、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驰, 计算温度应力时, 必须考虑徐变的影响。
为了防止裂缝, 控制温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
(1) 采用改善骨料级配, 采用干硬性混凝土, 掺粉煤灰、矿粉等混合料或加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。
(2) 拌合砼用原材料采用遮阳、洒水等降温措施, 降低混凝土的入模温度。
(3) 夏季浇筑混凝土时控制砼浇筑厚度, 利用浇筑层面散热。
(4) 在浇筑砼埋设水管, 在砼养护期间通过循环水来控制砼的内外温度差, 减少温度应力的产生。
(5) 以结构物同期养护试件强度为准, 控制合理的拆模时间。气温骤降时进行表面保温, 气温较高时进行覆盖洒水养护, 避免混凝土表面发生急剧的温度差, 产生砼内外张力。
(6) 在严寒地区施工, 混凝土结构物表面或薄壁结构, 应采取保温措施。
(7) 大体积普通砼结构物浇筑砼时, 应抛填部分片石, 使低温片石吸收由于砼硬化释放的大量热量, 来降低砼内、外部的温度差。
(1) 对砼结构物进行合理地分缝分块。
(2) 避免基础起伏过大。
(3) 合理的安排施工工序, 避免过大的高差和侧面长期暴露。
为防止产生温度裂缝, 在大体积砼结构施工中, 应着重控制砼温升, 延缓砼降温速率, 减少砼的收缩, 提高砼极限拉伸值, 改善约束和完善构造设计等方面采取措施。另外在大体积砼结构施工过程中温度监测也十分重要, 他可以使有关人员及时了解砼结构内部温度变化情况, 必要时可临时采取事前考虑的有效措施, 以防止砼结构产生的温度裂缝。结合温控采取的方法措施, 主要从以下几个方面进行预防。
水泥品种的选择应根据大体积砼的特点、结构特点进行水化热和收缩控制。掺加矿粉、粉煤灰等混合料, 来降低水灰比, 减少水泥浆量, 提高砼的和易性, 特别是可明显的延缓水化热峰值的出现, 降低温度峰值。收缩变形也有所减低。再者掺加减水剂或缓凝型减水剂, 减少拌和用水量, 来降低水灰比, 改善和易性, 并且减少水泥用量, 降低水化热量, 减缓水化速度。相对中低强度等级的砼可选普通减水剂, 夏季宜选用缓凝型的, 冬季选用普通型的。粗细骨料选择连续级配的粗骨料配置砼, 这样砼有较好的和易性, 较少的用水量。细骨料宜采用中、粗砂为宜。同时严格控制粗细骨料的含泥量, 如果超标将大大增加砼的收缩, 同时降低砼强度, 对砼抗裂性能将极大降低。
降低砼的浇筑温度, 也就是相应地降低了砼内部的最高温度, 并减少了结构的内外温差。高温气候条件下, 浇筑砼用水必须加冰, 使搅拌水温为4℃～8℃之间, 降低砼温度, 防止内外温差太大, 产生温度裂缝。
设计阶段应综合考虑结构形式。施工阶段的砼浇筑尺寸对温度应力有着重要影响。浇筑块越大, 温度应力越大, 就越容易产生裂缝。实际经验和理论分析表明, 当浇筑尺寸控制在15×15m左右是, 温度应力比较小, 基础约束高度3m～4m。
它是砼抗裂能力的一个重要指标。由于砼的抗拉强度低于抗压强度, 所以砼的极限拉伸变形远小于其极限压缩变形, 这也是砼产生裂缝的主要原因。
大体积砼结构拆模后, 应尽快回填, 用土体保温避免气温骤变产生不利影响, 同时也可延缓降温速率, 避免产生裂缝。在孔洞断面、转角处由于温度变化和砼收缩, 应力集中处产生裂缝。为此, 可在孔洞4周增配斜向钢筋或网片。
大体积砼裂缝采取必要的测温监控措施、必要养护措施等进行预防和控制。
因此, 为防止砼裂缝的产生, 必须加强施工管理、提高砼施工质量。总之, 预防大体积砼裂缝是一个复杂、繁杂的工作, 必须从控制砼浇筑温度、控制温升、减少温差、改进施工操作工艺、改善结构约束条件等方面, 采取综合性控制措施。
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是统一的, 同时在实践施工中的应用效果也是比较好的。在实际操作中要靠我们多观察、多分析、多总结, 借鉴国内外专家的预防处理措施, 预防和控制温度裂缝的产生。
摘要：通过多年的施工和观察, 并查阅国内外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措施方法等进行阐述。
关键词：混凝土,温度应力,裂缝,控制
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