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摘 要 经过多年现场施工观察，结合有关混凝土内部应力方面的知识，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阐述。
关键词 混凝土 温度应力 裂缝 控制
混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂缝较为普遍，尽管在施工中采取各种措施，但裂缝仍然时有出现。究其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。
在大体积混凝土中，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，因此为确保结构砼具有耐久性、经济性、足够的强度以及满足施工的和易性，应针对不同使用要求的砼采取相应技术措施，配制满足特定性能要求的高标号和高性能砼。
1 裂缝的原因
混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。
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。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1／10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104， 长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。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。
2 温度应力的分析
根据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。
（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。
根据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。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，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。
（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。
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，具体计算这里就不再细述。
3 温度的控制和防止裂缝的措施
(1) 防止碳化措施
使用对防止碳化较有利的硅酸盐水泥；使用减水剂，改善砼的施工特性，制取密实的砼；使用密实透气性小的骨料；采用水灰比小、单位水泥用量大的砼配合比；加强砼的养护、砼振捣密实、避免出现裂缝、蜂窝、气孔等，保证钢筋的保护层厚度；用水泥砂浆进行砼表面处理，防止砼的碳化。
(2) 砼配合比设计原则
选用较普通砼略低的水灰比，以提高砼的体积稳定性，提高工程结构的耐久性。
选用适中的浆骨比，兼顾砼拌和物的可泵性及降低砼的收缩徐变，提高砼弹性模量及抗裂能力。
适当提高砂率，以确保砼的可泵性及填充性，同时也兼顾大体积砼要求的低收缩徐变的体积稳定性及高弹性模量。
(3) 原材料的选用原则
1) 水泥及掺和料
为减少水泥用量，实现砼低收缩徐变的体積稳定性，降低砼拌和物凝结水化热。选用质量稳定、含碱量低、强度富余系数大的普通硅酸盐水泥。
2) 细骨料
为减少拌和物用水量，降低水灰比，增强砼的体积稳定性，选用机制粗砂与细度模数满足配合比要求的河砂混合配制成细骨料，进一步提高细骨料的细度模数及改善级配，从而增强预应力砼的体积稳定性。
3) 粗骨料
针对当前国内采石工艺及破碎工艺相对落后的现状，生产的碎石料形不良，特别是级配差，10mm以下颗粒少。为改善粗骨料级配，减少填充骨料间空隙浆体量，从而减少水泥用量，进而减少砼的收缩并有利于防裂。本工程粗骨料均选用粒形及级配良好的碎石，必要时可采用双级配粗骨料，即（质量比）30%的5-10mm级配与70%的10-20mm级配的双级配碎石，或30%的5-16mm级配与70%的10-25mm（31.5mm）的双级配碎石。
4) 外加剂
为降低水灰比，改善水泥水化条件和提高砼的体积稳定性及抗渗耐久性，实现砼拌和物具有较好流动性并能延长流动性损失时间的可泵性，本工程混凝土应掺入减水剂、缓凝剂、流变剂及引气剂等复合而成的高效流化泵送剂，另掺加微膨胀剂一起共同形成“双掺”技术，从而达到减少砼收缩，避免开裂等质量缺陷现象。
(4) 砼的搅拌
砂、石骨料含水量对高性能砼的性能有明显影响，故工程施工中，应根据天气变化及时测定砂、石含水率，作为对当班浇筑砼施工配合比加水量调整的依据。
高性能砼用水量小、粘性大、不易拌合均匀，应比普通砼延长搅拌时间1-1.5分钟。
(5) 砼的输送
高性能砼虽然具有较好的可泵性，但拌合物流动性损失较快，容易变稠，造成泵送困难，故在泵送施工时也要根据输送距离，粗骨料粒径选用性能合适的砼输送泵及正确安装输送泵管。
(6) 砼的浇筑
因高性能砼流动性较好，侧压力较大，故对模板及支撑系统必须认真进行力学计算设计和精心施工。
因高性能砼用水量小、粘性大、空气不易排出，故仍应加强振捣，并应加强砼表面抹压，防止表面砼形成硬壳开裂。
4 混凝土的早期养护
实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：
1）防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。
2）防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3）防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。
适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟或防碍水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期，在施工中应切实重视起来。
5 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。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词 混凝土 温度应力 裂缝 控制
混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂缝较为普遍，尽管在施工中采取各种措施，但裂缝仍然时有出现。究其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。
在大体积混凝土中，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，因此为确保结构砼具有耐久性、经济性、足够的强度以及满足施工的和易性，应针对不同使用要求的砼采取相应技术措施，配制满足特定性能要求的高标号和高性能砼。
1 裂缝的原因
混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。
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。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1／10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104， 长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。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。
2 温度应力的分析
根据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。
（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。
根据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。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，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。
（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。
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，具体计算这里就不再细述。
3 温度的控制和防止裂缝的措施
(1) 防止碳化措施
使用对防止碳化较有利的硅酸盐水泥；使用减水剂，改善砼的施工特性，制取密实的砼；使用密实透气性小的骨料；采用水灰比小、单位水泥用量大的砼配合比；加强砼的养护、砼振捣密实、避免出现裂缝、蜂窝、气孔等，保证钢筋的保护层厚度；用水泥砂浆进行砼表面处理，防止砼的碳化。
(2) 砼配合比设计原则
选用较普通砼略低的水灰比，以提高砼的体积稳定性，提高工程结构的耐久性。
选用适中的浆骨比，兼顾砼拌和物的可泵性及降低砼的收缩徐变，提高砼弹性模量及抗裂能力。
适当提高砂率，以确保砼的可泵性及填充性，同时也兼顾大体积砼要求的低收缩徐变的体积稳定性及高弹性模量。
(3) 原材料的选用原则
1) 水泥及掺和料
为减少水泥用量，实现砼低收缩徐变的体積稳定性，降低砼拌和物凝结水化热。选用质量稳定、含碱量低、强度富余系数大的普通硅酸盐水泥。
2) 细骨料
为减少拌和物用水量，降低水灰比，增强砼的体积稳定性，选用机制粗砂与细度模数满足配合比要求的河砂混合配制成细骨料，进一步提高细骨料的细度模数及改善级配，从而增强预应力砼的体积稳定性。
3) 粗骨料
针对当前国内采石工艺及破碎工艺相对落后的现状，生产的碎石料形不良，特别是级配差，10mm以下颗粒少。为改善粗骨料级配，减少填充骨料间空隙浆体量，从而减少水泥用量，进而减少砼的收缩并有利于防裂。本工程粗骨料均选用粒形及级配良好的碎石，必要时可采用双级配粗骨料，即（质量比）30%的5-10mm级配与70%的10-20mm级配的双级配碎石，或30%的5-16mm级配与70%的10-25mm（31.5mm）的双级配碎石。
4) 外加剂
为降低水灰比，改善水泥水化条件和提高砼的体积稳定性及抗渗耐久性，实现砼拌和物具有较好流动性并能延长流动性损失时间的可泵性，本工程混凝土应掺入减水剂、缓凝剂、流变剂及引气剂等复合而成的高效流化泵送剂，另掺加微膨胀剂一起共同形成“双掺”技术，从而达到减少砼收缩，避免开裂等质量缺陷现象。
(4) 砼的搅拌
砂、石骨料含水量对高性能砼的性能有明显影响，故工程施工中，应根据天气变化及时测定砂、石含水率，作为对当班浇筑砼施工配合比加水量调整的依据。
高性能砼用水量小、粘性大、不易拌合均匀，应比普通砼延长搅拌时间1-1.5分钟。
(5) 砼的输送
高性能砼虽然具有较好的可泵性，但拌合物流动性损失较快，容易变稠，造成泵送困难，故在泵送施工时也要根据输送距离，粗骨料粒径选用性能合适的砼输送泵及正确安装输送泵管。
(6) 砼的浇筑
因高性能砼流动性较好，侧压力较大，故对模板及支撑系统必须认真进行力学计算设计和精心施工。
因高性能砼用水量小、粘性大、空气不易排出，故仍应加强振捣，并应加强砼表面抹压，防止表面砼形成硬壳开裂。
4 混凝土的早期养护
实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：
1）防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。
2）防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3）防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。
适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟或防碍水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期，在施工中应切实重视起来。
5 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。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。