【正文】 土木建筑 學(xué)院 0504 班學(xué)生 高尚立 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 14頁(yè) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 淺談混凝土的施工 過(guò)程中 溫度與裂縫 控制 By G. K. Kululanga, W. Kuotcha, R. McCaffer, Member, ASCE, and F. EdumFotwe 美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì) 摘 要 為了防止業(yè)主對(duì)混凝土工程的索賠 ,就必須做好施工過(guò)程中溫度與裂縫控制 。本文 通過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀察，通過(guò)查閱有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專著，對(duì)混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行等進(jìn)行闡述。 關(guān)鍵詞 ： 混凝土 ； 溫度應(yīng)力 ； 裂縫 ； 控制 混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。 而在今天，混凝土的裂縫較為普遍，在橋梁工程中裂縫幾乎無(wú)所不在。盡管我們?cè)谑┕ぶ胁扇「鞣N措施，小心謹(jǐn)慎，但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)。究其原因，我們對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。 在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文僅對(duì)施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一探討。 裂縫的原因 混凝土中產(chǎn)生裂 縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。 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(guò)程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，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)力超出混凝土的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束， 也往往導(dǎo)致裂縫?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的 1／ 10 左右，短期加荷時(shí)的極限拉伸變形只有（ ～ ） 104， 長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限位伸變形也只有（ ～ ） 于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或 者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力可超過(guò)其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。 溫度應(yīng)力的分析 土木建筑 學(xué)院 0504 班學(xué)生 高尚立 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 14頁(yè) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下三個(gè)階段： （ 1）早期：自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約 30 天。這個(gè)階段的兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。 （ 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氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。 （ 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所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。 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(méi)有任何約束或完全靜止的結(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。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)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)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。 這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(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)力的分布、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?；炷恋男熳兪箿囟葢?yīng)力有相當(dāng)大的松馳，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮徐變的影響，具體計(jì)算這里就不再細(xì)述。 溫度的控制和防止裂縫的措施 為了防止裂縫，減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手。 控 制溫度的措施如下： （ 1）采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土，摻混合料，加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量； （ 2）拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度； （ 3）熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱； （ 4）在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫； （ 5）規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度； （ 6）施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施； 改善約束條件的措施是： （ 1）合理地分縫分塊； （ 2）避免基礎(chǔ)過(guò)大起 伏； （ 3）合理的安排施工工序，避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露； 此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混土木建筑 學(xué)院 0504 班學(xué)生 高尚立 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 14頁(yè) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。 在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模，在表面引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期，由于水化 熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高，此時(shí)拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉等，對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。 加筋對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小，因?yàn)榇篌w積混凝土的含筋率極低。只是對(duì)一般鋼筋混凝土有影響。在溫度不太高及應(yīng)力低于屈服極限的條件下，鋼的各項(xiàng)性能是穩(wěn)定的，而與應(yīng)力狀態(tài)、時(shí)間及溫度 無(wú)關(guān)。鋼的線脹系數(shù)與混凝土線脹系數(shù)相差很小，在溫度變化時(shí)兩者間只發(fā)生很小的內(nèi)應(yīng)力。由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的 7~15 倍，當(dāng)內(nèi)混凝土應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開(kāi)裂時(shí)，鋼筋的應(yīng)力將不超過(guò) 100~200kg／ cm2..因此，在混凝土中想要利用鋼筋來(lái)防止細(xì)小裂縫的出現(xiàn)很困難。但加筋后結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫一般就變得數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小了。而且如果鋼筋的直徑細(xì)而間距密時(shí)，對(duì)提高混凝土抗裂性的效果較好?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的表面常常會(huì)發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫。雖然這種裂縫一般都較淺，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和 耐久性仍有一定的影響。 為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開(kāi)裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開(kāi)裂的措施之一。例如使用減水防裂劑，筆者在實(shí)踐中總結(jié)出其主要作用為： （ 1）混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。這個(gè)表面張力理論早在六十年代就已被國(guó)際上所確認(rèn)。 （ 2）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25％。 （ 3）水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混 凝土強(qiáng)度的條件下可減少 15％的水泥用量，其體積用增加骨料用量來(lái)補(bǔ)充。 （ 4）減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少沉縮變形。 （ 5）提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高的混凝土抗裂性能。 （ 6）混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土的抗裂性能。 （ 7）摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。 （ 8）摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，土木建筑 學(xué)院 0504 班學(xué)生 高尚立 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 14頁(yè) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 避免因水泥 長(zhǎng)期不凝而帶來(lái)的塑性收縮增加。 （ 9）摻外加劑混凝土和易性好，表面易 抹 平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮 . 許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。 混凝土的早期養(yǎng)護(hù) 實(shí)踐證明，混凝土常見(jiàn)的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā)，保溫應(yīng)達(dá)到下述要求： 1）防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝 土表面梯度，防止表面裂縫。 2）防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。 3）防止老混凝土過(guò)冷，以減少新老混凝土間的約束。 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。 適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的?；炷系谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?。 從理論上分析，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因 常引起水分損失，從而推遲或 妨礙 水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來(lái)。 結(jié)合 經(jīng)驗(yàn) ，對(duì)模板的設(shè)計(jì)、制作安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)等關(guān)鍵工序的操作要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并介紹了成型后混凝土的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以降低工程造價(jià)，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 影響防水混凝土的質(zhì)量因素很多。任何一個(gè)環(huán)節(jié)不注意均會(huì)不同程度地?fù)p失防水混凝土阻 水功能，在地下室工程施工中，采取了從模板制作與安裝、鋼筋制作與綁扎、混凝土的拌 制和運(yùn)輸、混凝土的澆筑和振搗、施工縫作法、混凝土的養(yǎng)護(hù)與拆模以及做好回填土等方面嚴(yán)把質(zhì)量關(guān) 方法確保防水混凝土自防水，并通過(guò)實(shí)踐獲得成功。 施工方法 2． 1 模板制作與安裝 由于防水混凝土特別強(qiáng)調(diào)密實(shí)性，所以對(duì)模板的制作和安裝也相應(yīng)提高 了要求 ，即要求密實(shí)不漏漿，堅(jiān)固不變形 ，吸水性要小 ，宜優(yōu)先選用竹膠板模板或鋼模板。嚴(yán)格控制模板間的縫隙大小 ，超過(guò) 2 mm 的必須用海綿條塞縫 ，對(duì)于板面多孔的模板一律不用，土木建筑 學(xué)院 0504 班學(xué)生 高尚立 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 14頁(yè) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 同時(shí)做好墻柱爛根防治工作，采取根部貼海綿條，底部抹水泥砂漿 ，澆筑混凝土前，先注入同標(biāo)號(hào)的水 泥砂漿 由于防水混凝土結(jié)構(gòu)壁厚大多較薄，為保證構(gòu)件的幾何尺寸，常采用內(nèi)外螺栓拉接的措施，需要注意的是 ，應(yīng)在拉接螺栓中間設(shè)置止水鐵板 ，以防止水沿著螺栓滲漏，形成引水通路。 2． 2 鋼筋制作與綁扎 防水混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋有如下要求 ： 1)鋼筋應(yīng)盡可能采用螺紋鋼筋 ，增加握裹力和止水能力。 2)鋼筋接頭應(yīng)盡量采用焊接接頭 ，盡量少用和不用綁扎接頭。 4)嚴(yán)格控制鋼筋保護(hù)層厚度。 防水混凝土鋼筋保護(hù)層最小厚度不小于 25 mm，特別是迎水面的保護(hù)層不允許有負(fù)誤差，用砂漿墊塊作保護(hù)層時(shí)，應(yīng)用預(yù)埋在砂漿塊內(nèi)的鐵絲與 鋼筋綁扎 牢固。若采用鋼筋鐵馬架固定鋼筋時(shí)，也應(yīng)加焊止水鐵板或固定 在墊塊上，以增強(qiáng)防水效果 ,本工程用新型材料尼龍固定片有效 的防止了鋼筋保護(hù)層偏差過(guò)大的質(zhì)量通病。 混凝土的拌制和運(yùn)輸 由于防水混凝土要求較高的密實(shí)性，所以拌制也要有較好的 均勻性，為此應(yīng)做好如下幾點(diǎn)： 1)確保攪拌時(shí)間，每次攪拌從投料到出料一般不少于 2 min。 2)當(dāng)使用外加劑，應(yīng)將外加劑制成一定濃度的溶液后加入攪 拌機(jī)內(nèi)，不得將外加劑的干粉或高濃度溶液直接加入攪拌機(jī)內(nèi)， 防止攪拌不均勻而局部集中，既失去外加劑作用 ，又影響混凝 土質(zhì)量。 3)施工過(guò)程中應(yīng)定期抽查測(cè)定混凝土坍落度，施工中如遇下 雨或其他原因，砂石含水量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)測(cè)定其含水率，并 調(diào)整施工配合比。 4)本工程使用商品混凝土，有效的提高了混凝土攪拌質(zhì)量及 各類外加劑的摻量，嚴(yán)格控制了混凝土水灰比及坍落度。 5)混凝土的澆筑采用泵送工藝，有效的避免了混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生離析泌水及漏漿現(xiàn)象。 2． 4 施工中的注意事項(xiàng) 1)施工作業(yè)面的合理劃分。防水混凝土澆筑應(yīng)嚴(yán)格分層進(jìn)行 ，并一次連續(xù)施工完成土木建筑 學(xué)院 0504 班學(xué)生 高尚立 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 14頁(yè) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 前后及上下層之間接頭應(yīng)嚴(yán)格控制在 水泥的初凝時(shí)間內(nèi)為此