范忠磊/上海二十冶建設(shè)有限公司

淺談混凝土的裂縫及控制措施

范忠磊/上海二十冶建設(shè)有限公司

我公司主要從事冶金工業(yè)建設(shè)，混凝土工程尤其是大體積混凝土基礎(chǔ)十分普遍，通過多年的現(xiàn)場觀察，積累，查閱有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專著，對混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，現(xiàn)場溫度控制及預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行闡述。

混凝土；溫度應(yīng)力；裂縫；控制

混凝土是以膠凝材料、水、細(xì)骨料、粗骨料需要時(shí)加入外加劑和礦物摻和料，按適當(dāng)比例配合經(jīng)過均勻拌制，密實(shí)成型及養(yǎng)護(hù)硬化而成的人工石材。在現(xiàn)代工程建設(shè)中，占有十分重要的地位，而混凝土的裂縫幾乎無處不在，成為我們現(xiàn)場施工技術(shù)人員十分關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容。

一、裂縫產(chǎn)生原因

混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫可分為微觀裂縫和宏觀裂縫，微觀裂縫肉眼看不見，主要有三種：一骨料與水泥石結(jié)合面上的裂縫，稱粘著裂縫；二是水泥石中自身裂縫；三骨料本身裂縫。微觀裂縫是不規(guī)則的，不貫通的。宏觀裂縫是由微觀裂縫擴(kuò)展而來的。因此混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫是絕對存在的。本文主要是指宏觀裂縫。

混凝土結(jié)構(gòu)物的宏觀裂縫產(chǎn)生原因主要有三種：一是由外荷載引起的，發(fā)生最為普遍。即按常規(guī)計(jì)算的主要應(yīng)力引起的。二結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫是由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與計(jì)算假設(shè)模型的差異引起的。三是變形應(yīng)力引起的裂縫由溫度、收縮膨脹、不均勻沉降等引起結(jié)構(gòu)變形。當(dāng)變形受到約束時(shí)便產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)此應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂縫。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力，后期在降溫過程中由于受到基礎(chǔ)或老混凝土上的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力超過混凝土的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫，這些往往都是表面裂縫。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工，當(dāng)混凝土澆筑體邊界無約束時(shí)（如底、頂板頂面），在早期水化熱溫度迅速升高階段，由于混凝土內(nèi)、外散熱條件不同，形成溫度梯度，表面受拉，內(nèi)部受壓。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。在混凝土的降溫階段，混凝土的溫差引起的變形加上混凝土的體積收縮變形，受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束時(shí)，在澆筑體中央斷面產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土整個(gè)截面就產(chǎn)生貫穿裂縫。因此掌握溫度應(yīng)力變化規(guī)律對于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。

二、溫度應(yīng)力分析

（一）根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個(gè)階段：

1.早期

自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天，這個(gè)階段有兩個(gè)特征一是水泥放出大量水化熱，二是混凝土彈性模量急劇變化，由于彈性模量的變化，這一時(shí)期混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力，此時(shí)混凝土主要產(chǎn)生塑性收縮，溫度收縮變形。

2.中期

自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界溫度變化引起的，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土彈性模量變化不大，此時(shí)混凝土產(chǎn)生溫度收縮、自收縮變形。

3.晚期

混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期，溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化引起的，這些應(yīng)力與前兩種殘余應(yīng)力相疊加。此時(shí)混凝土主要產(chǎn)生干燥收縮變形。

（二）根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：

1.自生應(yīng)力

邊界上沒有任何約束或完全靜止結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。如大體積混凝土基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)尺寸較大，混凝土冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

2.約束應(yīng)力

結(jié)構(gòu)全部或部分邊界受到外界約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力，如頂板混凝土，護(hù)欄混凝土。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土干縮所引起的應(yīng)力共同作用，要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力分布，大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下需要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算，混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松弛，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)必須考慮徐變的影響。

三、溫度控制和防止裂縫的措施

為防止混凝土裂縫，減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩方面入手：

（一）降低水化熱和變形

首先從材料選用上用低水化熱的水泥品種配置混凝土，利用混凝土的后期強(qiáng)度減少水泥用量，選用粒徑較大，級配良好的粗細(xì)骨料，控制含泥量，摻加相應(yīng)的粉煤灰和外加劑，改善和易性，降低水灰比。其次在混凝土中預(yù)埋冷卻水管，通入冷卻水強(qiáng)制降低混凝土水化熱溫度，另外大體積混凝土中可以加入不超過20％的大石塊以減少混凝土用量。最后可以設(shè)置溫度筋和后澆帶，利于散熱和降低混凝土內(nèi)部溫度。

（二）降低混凝土溫差，加強(qiáng)施工中溫度控制

首先選用合適的氣溫澆筑大體積混凝土，避開熱天。夏天可用低溫水或冰水?dāng)嚢杌炷?，對骨料進(jìn)行強(qiáng)冷，運(yùn)輸工具遮蓋等以降低混凝土入模溫度，另外改善混凝土模內(nèi)通風(fēng)，加速混凝土熱量散發(fā)。其次澆筑后做好混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)，緩緩降溫，充分發(fā)揮徐變特性，降低溫度應(yīng)力，夏季注意暴曬，冬期注意保溫覆蓋，以免發(fā)生急劇的溫度梯度，采取長時(shí)間養(yǎng)護(hù)，規(guī)定合理的拆模時(shí)間，延緩降溫時(shí)間和速度，充分發(fā)揮混凝土的“應(yīng)力松弛效應(yīng)”。最后加強(qiáng)測溫管理工作，混凝土灌入后在升溫階段，用點(diǎn)式測溫計(jì)每隔2h測量一次混凝土內(nèi)部各點(diǎn)、混凝土表面、循環(huán)水進(jìn)出水溫度。

（三）改善約束條件，削減溫度應(yīng)力

采用分層或分塊澆筑大體積混凝土，合理設(shè)置水平，垂直施工縫，在適當(dāng)位置設(shè)置后澆帶，放松約束程度，減少每次澆筑長度的蓄熱量，防止水化熱積聚，減少溫度應(yīng)力。采用二次投料，二次振搗法，澆筑后及時(shí)排除表面積水，提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度和彈性模量，另外在大體積混凝土中設(shè)溫度配筋，在截面突變處、轉(zhuǎn)折處、洞口邊增加斜向構(gòu)造配筋，改善應(yīng)力集中，防止裂縫出現(xiàn)。

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，合理選定拆模時(shí)間，與墊層間設(shè)滑動(dòng)層，特別是保證混凝土質(zhì)量對防止裂縫十分重要。應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫通裂縫，出現(xiàn)后要在恢復(fù)其整體性是十分困難的。

四、結(jié)束語

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生的原因很復(fù)雜也是不可避免的，混凝土裂縫的防治重點(diǎn)在于“防”，而不在于“治”在采取了上述綜合性控制措施后，由于各種原因仍可能有少量的混凝土裂縫發(fā)生。當(dāng)這些裂縫發(fā)生后，必須先查明裂縫產(chǎn)生的原因，判明裂縫的類型，才能選擇正確的處理方法，同時(shí)要通過合理設(shè)計(jì)混凝土配合比、正確選用原材料、合理設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)施工監(jiān)控、嚴(yán)格遵守施工技術(shù)規(guī)程、提高施工技術(shù)水平，這樣才有可能最大程度減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，把裂縫寬度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，盡量減少裂縫造成的危害。

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