大体积混凝土裂缝及温度应力探讨范文
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摘要：混凝土中的水泥在水化过程中放热使混凝土温度升高，造成混凝土体积膨胀，当放热减少会造成混凝土体积减小，这样一来就形成了混凝土内部的温度应力。当温度应力超过混凝土抗拉抗剪强度时会产生裂缝，轻者降低混凝土的使用性和耐久性，严重时将影响混凝土的结构及使用安全。文章对大体积混凝土裂缝及温度应力进行了研究。
关键词：混凝土结构；温度裂缝；温度应力；温控防裂措施；配合比；工程建设
在工程建设中，一些大型工程如泵站、港口、桥梁等都涉及到大体积混凝土结构，这些工程的结构尺寸大，在现场浇筑以后，混凝土内部的水泥水化热量大，易造成混凝土温度升高同时热量难以散发，在混凝土边缘和内部形成较大的温差，进而引发温度应力。在温度应力作用下，混凝土体积发生变化，从而产生开裂。尽管造成大体积混凝土产生裂缝的原因很多，除了人为设计的不合理、混凝土配合比不当、施工环境差以及材料本身的问题外，最复杂也最难以控制的是混凝土内部水泥水化热散失后，在大型混凝土内部因为降温而产生温度裂缝。因此，研究混凝土内部温度应力产生的原因以及温度对裂缝的控制机理，对研究相应的温度裂缝控制措施具有重要的意义。
1混凝土温度应力
1.1基本概念
物体在受到温度变化的影响时会产生温度变形，将物体四周固定好，物体升温时会发生膨胀，由于四周的限制，物体无法膨胀而会在内部产生压应力；物体降温时发生收缩受到四周的限制，因为温度的变化使得物体内产生的力无法传递至外界，内部会产生压应力或拉应力，这种因温度变化产生的应力就是温度应力。当混凝土的温度降低时，混凝土内部降温产生的拉应力可能使其内部出现拉应力裂缝。对于处于嵌固状态新浇筑的混凝土，当混凝土内部的升降温的幅度达到12℃～20℃时，后期混凝土降温产生的拉应力很容易超过混凝土的极限拉应力而造成混凝土被拉裂。
1.2产生原因
混凝土在进行浇筑时候，其组成成分水泥遇水发生水化作用，并释放大量热量。研究表明，水泥的水化放热量一般为200～400kJ/kg。对于大体积混凝土，这种热量可以使内部的混凝土温度上升超过30℃，加上混凝土本身的温度，则混凝土中的最高温度会达到70℃。大体积混凝土由于水泥水化时放出大量的热量，加上本身体积较大、密封性好，因此具有一定的保温性能，往往会导致大体积混凝土内部温升幅度远远大于表面温升幅度。由于大体积混凝土在升温峰值后会发生降温，且内部因为密封性导致其降温速度又比表面慢。在这些温度变化过程中，混凝土不断发生温度的升降变化，导致混凝土内部产生应力。对于大体积混凝土而言，其热量散发周期长，一般将混凝土放热分为两个阶段：在初期阶段，混凝土中放热速度很快，尤其是内部的发热速度远远大于散热速度，内部温度急剧升高，大体积混凝土在内部热量集聚的情况下受热后体积发生膨胀；在后期阶段，大体积混凝土放热量大幅度降低，随着持续对外大量散热而温度降低，混凝土发生体积收缩。由于混凝土在不断膨胀或收缩过程中会受到地基或基础的约束，在混凝土内产生了压应力或者拉应力。
1.3分类
1.3.1自生应力。当混凝土没有其他空间限定条件时，无论混凝土内部温度如何变化，都不会产生温度应力。当混凝土受到外界约束，混凝土内部的温度变化在一定的约束条件下容易形成应力，即为自生应力。这种应力的形成多是在混凝土浇筑初期混凝土内部水泥水化作用释放的热量，短时间难以散发，导致结构内部温度升高，体积膨胀应力表现为混凝土表面的拉应力。
1.3.2约束应力。当大体积混凝土边界受约束时，外界约束条件为限制内外温度差造成的变形而产生了温度应力。浇筑的试块冷却时受到地基的约束产生的应力即为约束应力。一般混凝土内部的温度应力为温度应力和约束应力的叠加。混凝土内部的温度应力受混凝土弹性模量的变化及徐变特性造成影响。混凝土弹性模量从浇筑到后期逐步变大并趋向稳定，由于后期的弹性模量远远大于前期的弹性模量，导致温降产生的拉应力在抵消温升产生的压应力后仍会存在多余的拉应力。尽管混凝土徐变对应力的影响会逐渐减小，但对工程结构而言，可减小结构产生的拉压应力。
2混凝土温度裂缝产生原因
2.1水泥水化热
对于大体积混凝土，在混凝土浇筑和运行中，由于体积过大，混凝土散热差，水泥与水反应所产生的水化热不能及时从混凝土内部散出，导致内部中心部位温度快速升高，远远超过混凝土表面温度，这样就在混凝土内部形成分布不均的温度场。由于内外约束的存在，易产生较大的温度拉应力，当其超过容许值时，会产生温度裂缝。
2.2环境及浇筑温度
浇筑温度是混凝土温度场的环境温度，也是混凝土内部的初始温度，环境温度对混凝土温度场的分布具有重要影响。当浇筑温度较高时或者混凝土受到较大幅度的环境温度变化都会导致混凝土产生较大的温度应力，因此我国对混凝土的浇筑温度给出了明确的规定，在28℃以内为宜。
2.3约束条件
混凝土内部产生温度应力的一个关键因素就是约束条件。一旦混凝土因为温度不均产生温差时，如果没有约束条件，自身变形没有约束条件，应力能得以释放；但当存在外界的约束时，使其自身变形得到约束，易形成温度应力，当温度应力超过混凝土的变形极限时就会产生温度裂缝。
2.4干缩影响
混凝土的凝结过程是由于水化反应会消耗混凝土结构中的水分，使得游离态的水分子变成结合态，与此同时，水化作用过程会产生大量的水化热，加快水分的蒸发，这些过程均会导致混凝土发生收缩变形。当混凝土受到外部约束时，在内部会产生收缩应力，同时因为水分的蒸发产生干缩应力，导致干缩缝的产生。
3混凝土温控防裂措施研究
3.1浇筑前材料预冷和浇筑后冷却散热
浇筑前预冷是在混凝土浇筑前提前对混凝土浇筑材料和混凝土浇筑设备等进行冷却，以使混凝土浇筑时的温度低于设计的最高混凝土浇筑温度。其中混凝土浇筑材料包括水泥、粗细骨料和钢筋，浇筑拌合用水等。水泥通常堆放在冷棚或凉棚内，粗细骨料堆场搭盖凉棚，浇筑前洒冰水。拌合用水温度控制在0℃～5℃之间，在混凝土中添加冰水混合物或冰粒也是一种可靠可行的降温措施。浇筑大体积混凝土所产生的水化热是混凝土成型过程中主要的热量来源，会导致内部中心部位温度快速升高。浇筑后冷却散热（即在混凝土浇筑完成后及时排走产生的水化热）是最直接有效的散热措施。通常在混凝土结构中提前埋置蛇形冷却管，在浇筑下料过程中和浇筑成型后，在冷却管内通冷却水或冷却空气，及时排走混凝土内部水化热产生的热量直至结构达到设计强度。该方法散热效果更直接，冷却效率高，施工灵活。混凝土浇筑后冷却散热能减少混凝土内部高温和表面低温形成较大的温度差，从而减少混凝土的开裂。另外，混凝土运输过程中通过压缩冷却空气来及时排走混凝土拌合过程中的水化热也是一种切实可行的降低混凝土水化热的措施。
3.2外界温度梯度控制
在施工准备阶段要做好外界环境、浇筑温度等环境因素分析，提前做好温控措施尽量使每个温度梯度降至最低，在最大程度上控制结构的温度应力。实践表明，日内气温的变幅、温度的持续降低都会导致混凝土温度应力的提高，外界温度高则有利于温度应力的减小，利于混凝土温度的控制。在进行大体积混凝土设计时，要参考当地的气温气候规律，在满足工程整体工期的前提下，尽可能地选取回暖、昼夜温差小的时段进行浇筑。对大体积混凝土进行养护时，要确保混凝土温度梯度控制在拉应力容许的范围内，结合相应的人工措施，如鼓风、洒水等，对温度梯度进行综合全面控制。
3.3外覆保温层养护
通过对不同混凝土外覆不同的保温层可有效降低混凝土的温度应力。由于其施工方便，且对混凝土温度裂缝具有良好的控制作用，被广泛应用在大体积混凝土的工程施工中。要做好混凝土的保温作业，可通过在混凝土表面敷设保温材料来减小混凝土表面的放热过程，实现对混凝土的保温，降低混凝土温度场的差异程度。保温层的选择在于保温系数的选择，保温系数要根据工程投资、混凝土施工进度、施工效率来综合考虑。一般来说保温层的放热系数越小，外界对结构温度的影响越小，对混凝土的保温效果也越好。因此要根据不同工程，综合考虑实际施工条件、气候环境和效率等因素，在条件允许的情况下，先对不同组合进行仿真分析，综合选择最优的保温措施。
4结语
大体积混凝土水化过程放热量大，加上本身散热环境差，容易造成体积膨胀；当放热减少又会造成混凝土体积的减小，造成混凝土内部产生温度应力，因此要做好混凝土的温度应力控制，避免因过大的应力产生温度裂缝。
参考文献
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作者：周欣欣；李铁军 单位：中国市政工程中南设计研究总院有限公司