劉生蔭

山西開放大學 山西 太原 030027

由于中國城市建設和基礎設施建設的不斷加快，各種建筑物的規(guī)模也在迅速發(fā)展和擴大，大型建筑物的數量逐年增加?；炷两Y構具有裝飾方便、承載力大、原材料經濟、施工方便等優(yōu)點，因此，大型建筑物結構的主體部分可以用大體積混凝土。我國相關標準對于大體積混凝土，規(guī)定混凝土結構的最小幾何尺寸至少應為1m，否則由于混凝土中的膠凝材料水化，預固混凝土結構會產生有害裂縫。根據美國混凝土協(xié)會的說法，“如果要注入的混凝土尺寸足夠大，它能夠處理產生的大量熱量，并能夠最大限度地防止開裂，這種混凝土就可以大量生產?！被炷潦鞘^、沙子、水泥與水混合而成的復合材料，混凝土澆筑后具有堅固耐用的特性，在現代建筑中占有重要且不可替代的地位。根據中國建筑協(xié)會的標準，由于溫度和收縮，只要混凝土結構的厚度超過0.8m，溫度應力就遠大于外荷載，溫度應力起著很大的作用。然而，在澆筑過程中混凝土開裂是很常見的，主要原因是在澆筑過程中沒有注意應力的變化，對混凝土的溫度變化沒有很好的了解。因此加強對大體積混凝土的溫度控制和溫度應力控制非常重要。

1 大體積混凝土概述

大體積混凝土被廣泛應用于現代建筑中，其在水利工程和建筑工程的使用更為普遍。在水利工程中，臨海建橋，修建水壩，可以促進我國大部分地區(qū)的水利和交通運輸大發(fā)展；在建筑工程中，現代城市擁有許多高層建筑，既美觀又節(jié)省空間，利用率得到了很大程度地優(yōu)化，高層建筑也代表著一座城市的發(fā)展水平。大體積混凝土已成為促進人民生活和社會發(fā)展必不可少的重要因素。我國每年澆筑大體積混凝土僅來自水利工程的統(tǒng)計，就達到了1000萬m3的恐怖數字。在現代土木工程中，大體積混凝土的地位可見一斑。然而，大體積混凝土在工程應用中也面臨諸多問題：在澆注結構中，水泥會產生大量的水化熱，是因為由于其材料的特殊性，如果溫度過高，這種熱量會在混凝土內部積聚并產生壓應力，還可能受到地形和天氣的影響，低溫、空氣循環(huán)和散熱都會使混凝土容易開裂，不僅影響建筑外表的美觀性，裂縫還會導致建筑物承載力不均勻，處理裂縫的過程也會延誤工期[1]。因此，如何做好大體積混凝土的溫度控制和溫度應力顯得尤為重要。

2 大體積混凝土結構的特點

首先，水泥基材料（主要是水泥）水化過程中，一般存在有很大容量的大體積混凝土結構，混凝土導熱系數低，固結過程中會產生大量熱量。另外，混凝土的變形比較大，彈性模量仍然相對較小，因此大體積混凝土的中心溫度非常高。如果混凝土的外層溫度與中心溫度之間的溫差較大，大體積混凝土將會產生較大的溫度應力，進而產生結構裂縫。其次，由于混凝土是一種脆性材料，其抗拉強度遠低于其抗壓強度，也就決定了大體積混凝土的抗變形能力差，因此，大體積混凝土在結構設計上的拉應力應盡可能小。經過統(tǒng)計分析大量的工程試驗數據得出，大體積混凝土受短期載荷的極限拉伸變形值為（1.2～2.0）×10-4m，受長期載荷的極限拉伸變形值為（0.6～1.0）×10-4m，可見無論受載荷影響的時間長短，其變形值均很小。第三，大體積混凝土中鋼筋的比例較低。如水工建筑物和大壩，其表面通常很少甚至沒有鋼筋，因此混凝土是產生拉應力的主要原因。第四，大體積混凝土的結構表面通常暴露在自然環(huán)境中，常和周圍環(huán)境中的空氣和水接觸，且環(huán)境溫度和水量大小全年都在不斷變化，容易引發(fā)混凝土內部結構的不穩(wěn)定和體積的變化，內部產生不易察覺的裂紋。因此，大體積混凝土結構的廣泛應用也給工程行業(yè)帶來一定的挑戰(zhàn)，所以，大體積混凝土結構的建筑工程需要特殊的施工條件，施工過程也較為復雜。造成混凝土裂縫的因素有很多，例如外力、鋼筋腐蝕等，水泥水化產生的拉應力是混凝土結構裂縫最基本的原因，對混凝土大壩的早期調查發(fā)現，由于水化熱引起的混凝土熱開裂非常普遍。在嚴重受損的混凝土大壩中，有很多是由溫度相關問題引起的?；炷两Y構中的大部分裂縫據統(tǒng)計，是由于變形引起的，其中收縮和溫度引起的變形占大多數。由于一次澆筑方量大，在實際工程中，水泥水化釋放的熱量很難在短時間內傳遞，施工階段混凝土結構的幾何尺寸大，結構的內部溫度急劇上升，較大的溫差會產生相應的應力，與外部幾何形狀相對不同。當表面的拉應力超過抗拉強度時，影響結構的完整性，就會出現裂縫，甚至威脅工程的安全，從而影響工程質量。目標裂縫控制方案和對策，可以在掌握大體積混凝土相關的溫度應力及其溫度場變化規(guī)律的情況下制定，不僅提高了結構的耐久性，對國民經濟的發(fā)展非常重要，而且大大提高了工程質量。所以，研究大體積混凝土溫度控制及溫度應力場規(guī)律措施是一個非常重要的課題。

3 溫度裂縫的產生及危害

在干燥硬化過程中當混凝土產生大量水化熱，表面產生拉應力，內部溫度繼續(xù)升高時，冷卻過程中因干燥不均勻而產生拉應力。如果出現裂縫，是因為這些拉應力超過混凝土的抗裂性，由于熱應力引起的混凝土結構開裂。熱應力造成的裂縫在工程裂縫中，約占所有裂縫的80%，裂縫會對混凝土結構產生許多負面影響。首先，結構剛度降低。裂縫，特別是較大的裂縫，會降低基礎結構的剛度，影響建筑物的正常使用。其次，整個結構的承載能力降低了。整個結構發(fā)生很大的變化，是因為混凝土的溫度應力與結構應力的疊加后造成的，裂縫會損害結構的完整性，這將對未來的建筑物使用產生巨大影響，改變設計的力分布導致局部損壞以及危及整個結構[2]。第三，影響使用結構的功能。開裂后的第一個問題就是滲漏，大多數大批量混凝土都在連續(xù)運行，地下結構的滲漏修復難度大，工期也會相應延長，費用高。凝結過程中混凝土內部溫度的變化曲線如圖1所示。

4 大體積混凝土溫度應力的類型及特點

大體積混凝土熱應力的產生具體可以從以下三個階段分析：（1）后期應力穩(wěn)定運行期。在此期間，大體積混凝土結構的溫度場達到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度變化不會顯著影響混凝土內部溫度，混凝土結構的主要影響是外界氣溫的波動，而且這種影響所需的時間也較長，大體積混凝土結構中的溫度場和溫度應力，主要受溫度變化影響。（2）中期應力——運行初期。大體積混凝土結構的溫度場，從水化放熱幾乎完全結束到基本穩(wěn)定?；炷猎谶\行初期繼續(xù)散熱，但逐漸接近穩(wěn)定的溫度場。混凝土特性在此期間趨于穩(wěn)定，環(huán)境溫度影響溫度場。（3）初始應力——從混凝土入倉到水化放熱結束的澆筑期，有一個明顯的初始散熱過程，澆筑期約為一個月。在此期間，由于水泥的水化作用，混凝土釋放出更多的熱量，同時繼續(xù)在注射塊表面散熱，使絕對溫度升高約30℃。混凝土的形態(tài)28天后達到正常強度，也從最初的液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)。所以，在澆筑期間混凝土的力學和熱性能隨時間發(fā)生顯著變化。

澆筑期有兩個特點，一是該階段混凝土的彈性模量隨時間迅速增加。二是，大體積混凝土的溫度場，隨著水泥水化釋放的熱量顯著改變。

5 大體積混凝土溫控防裂措施

預防溫度裂縫，通過分析大體積混凝土溫度裂縫的原因，不僅要控制其他方面的改進，還要控制內外溫差和最高內部溫度，優(yōu)化混凝土性能和結構約束。下面的一些溫控防裂措施是相互關聯的，為了最大限度地發(fā)揮防裂效果，需要更具實際情況綜合采取相關措施。

5.1 設計措施

首先，設計時，C20～C35范圍內的強度等級是合適的，使用中低強混凝土，盡量避免使用高強混凝土。其次，結構形式選擇合理的方法，將其劃分為合理的分塊。第三，鋼筋的分布，使分布鋼筋間距緊密，應盡量使用直徑小的鋼筋，8～14mm為鋼筋直徑，間距為10~15cm或更多。在0.3%～0.5%之間大體積混凝土的總截面鋼筋比為宜，至少應為0.3%。使用細而密的分布桿的實驗表明，有效防止開裂，可以降低混凝土的收縮和溫度應力。第四，處理基礎。適當處理地基從而降低熱應力，可以降低大體積混凝土的約束阻力，防止熱裂縫的形成。可分為兩種不同的地基處理：①硬巖處理，允許在地基底部安裝滑動層。安裝滑動層實驗表明，在外端的1/5到1/4內可以改善結構計算。②處理軟地層的地基，效果大大增強，軟地層的地基可用砂墊層加固，避免了地下水對地基的不利影響，減少了相應的應力，減少了地基對大體積混凝土的約束，有效防止了裂縫的發(fā)生。

5.2 原材料選擇措施

為了提高抗裂性，混凝土原材料的選擇和配合比必須符合標準，主要相關經驗有：首先，水泥的選擇?；炷恋闹饕獰嵩词?，水泥水化反應產生大量熱量，因水泥各成分（礦物質）的不同混凝土的最終水化熱而有很大差異，低熱水泥品種是優(yōu)選的，以減少水泥水化釋放的熱量。其次，粗骨料和細骨料的選擇。在選擇粗骨料時，以碎石為佳，要選擇與自然連續(xù)級配相匹配的粗骨料，這是因為使用連續(xù)粗骨料的混凝土具有良好的和易性，可以制成均勻致密，獲得相同強度所需的水泥較少，具有較高的抗裂性和強度[3]。此外，必須使用中粗砂，在選擇細骨料時，因為使用中粗砂作為細骨料可以減少水泥用量。據相關測試，每塊可節(jié)約水泥20-25kg/m3混凝土。此外，粗、細骨料含泥量過多，會增加收縮率，會降低混凝土的抗拉強度，還嚴重影響混凝土的抗裂性，必須嚴格控制粗、細骨料的含泥量。

5.3 澆筑措施

澆筑時的措施一般的澆筑方法如下，首先，第一層綜合混凝土澆筑完畢后，繼續(xù)澆筑第二層。此時，在未凝固狀態(tài)下澆注第三層，此時第一層混凝土尚未硬化，這種方式一般適用于平面尺寸不太大的場所，當然，如果場地太大，也可以分成兩個部分。同時從兩端向中心按壓，或者從中心向側面推。其次，澆筑一段或一層混凝土時，需要從底部開始，留出一定的距離再澆第二層。所以澆完之后，從下往上。第一層混凝土還沒有開始凝固。此時，可以開始分階段輸液的第二階段，此方法用于工程要求較高而且工期較長的項目。

6 采取保溫與降熱措施

首先，水管的冷卻。先將水管底部灌滿，待大體積混凝土完成后再連接冷水，使冷水帶走里面的熱量。當然，因為它的流程太多，這種方法很耗時，步驟太多。但是，這種方法仍然非常有利于進步，它具有極好的穩(wěn)定性。這有效地控制了人工冷卻溫度，請注意水量和溫度的變化。其次，保溫措施?；炷脸Ｒ妴栴}是裂縫，雖然小裂縫對整體沒有那么有害。但是，表面的裂縫蔓延很深，仍然對耐用性非常不利，應采取相應的保溫措施，控制溫度應力，使內外溫度均勻。第三，溫度監(jiān)測。大體積混凝土必不可少的測試是溫度檢測，實施溫度檢測，及早預測并比較溫度，盡快得出結論，還要根據實際情況調整溫差，防止出現裂縫。

7 結束語

綜上所述，大面積混凝土的防治工作十分復雜，混凝土工程的優(yōu)劣一般決定了混凝土溫度控制的成敗。除降溫措施外，其他措施效率沒有那么高，且相對被動，嚴查混凝土質量，降低后期裂縫發(fā)生的可能性，改進對策加強管理。首先要對混凝土原材料進行合理選擇，然后對材料進行科學管理和配比。施工期間，特別是混凝土的養(yǎng)護，涉及的因素很多，應按規(guī)范進行施工。因地制宜地采取措施，要及早管理好今后的具體工作，做好防控工作，可以更好地控制可能導致混凝土出現個裂縫的問題。另外，大體積混凝土中可能出現的情況有很多，本文只是一個簡單的分析，在具體研究中可能無法給出全面的解釋，希望未來能夠技術創(chuàng)新、與時俱進。