张琼（安徽农业大学 经济技术学院，安徽 合肥 230601）



温度应力对大体积混凝土裂缝的影响及控制对策探究

张琼
（安徽农业大学 经济技术学院，安徽 合肥 230601）

摘 要：大体积混凝土结构在现代建筑行业中广泛应用，方便了人们对建筑的使用需求，但由于自身结构的特点，大体积混凝土会受到内部温度应力的作用而出现裂缝从而对建筑物的美观性、安全性、耐久性产生影响.本文从温度应力的角度出发，研究大体积混凝土温度裂缝的控制方法，从材料选择、施工方式、保温养护等角度提出裂缝控制的具体措施.同时也对大体积混凝土内部的徐变对温度应力及裂缝影响的机理进行了研究.

关键词：大体积混凝土；温度应力；温度裂缝；徐变

现代建筑中，大体积混凝土一般使用在大坝、高层建筑的重要结构上，也适用于建筑物的地基等.对于大体积混凝土的概念，顾名思义，就是混凝土的体积比较大，我国在《GB 50496-2009大体积混凝土施工规范》中对大体积混凝土规定为：“大体积混凝土指的是最小断面尺寸大于1m以上的混凝土结构，其尺寸已经大到必须采用相应的技术手段妥善处理温度差值，合理解决温度应力并控制裂缝开展的混凝土结构”.

1 大体积混凝土的结构特点

1、大体积混凝土结构的浇筑不是一次成型，而是分层进行的，所以上、下层混凝土之间必然有温差，加上大体积混凝土体积巨大，浇筑以后混凝土内部的温度散发不出去，导致内部温度上升，水泥水化热的出现.而温升会导致随着温度的降低，弹性模量增大，遇到一定约束时，会出现很大的拉应力.

2、大体积混凝土是一类脆性材料，其抗拉强度比较小，容易发生断裂.

3、大部分的大体积混凝土是使用在建筑物的外表面的，其外表面在常年的风吹日晒、与水接触之下，外界温度的变化会造成大体积混凝土内部非常大的拉应力.

2 大体积混凝土温度裂缝产生的原因

从以上大体积混凝土的特点可以看到，大体积混凝土除了体积大这一特点外，最重要的是体积巨大引起的内部温升水泥水化热散发不出去，加上内外温差过大，以及环境因素的影响，致使大体积混凝土内部出现很大的温度应力.

根据热胀冷缩的原理，大体积混凝土内部温度升高的时候，体积会发生膨胀，冷却之后，体积就会收缩.如果混凝土内的温度不能呈线性或均匀变化，且不受外力作用，那么混凝土膨胀或收缩将不会受到限制，也就不会产生温度应力.然而事实并非如此，大体积混凝土是分层浇筑的，最初浇筑的混凝土受到地基面的约束力，便会产生温度应力，而其它依次浇筑的混凝土，由于与老混凝土的初始温度不同，再加上散热的条件及其它外界因素影响，混凝土内部就会受到非线性温度场的作用而产生温度应力.温度应力是温度裂缝出现的主要原因，裂缝的出现使得结构的耐久性和适用性受到很大影响.因此要避免大体积混凝土这一材料的结构出现裂缝，就要降低混凝土的温度应力，在现代大体积混凝土结构中温度应力的研究也成为了建筑专业的研究重点.

3 大体积混凝土温度裂缝的危害

3.1 危害结构的整体性，影响结构的使用功能

大体积混凝土的裂缝分为三种：表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝.表面裂缝的出现在所难免，深层裂缝的出现对建筑物也不会有太大的影响，而贯穿裂缝的出现会使结构的整体性受到影响，也破坏了建筑物结构的稳定性能，会给建筑物带来非常严重的安全问题.

3.2 造成混凝土刚度的下降，影响耐久性

大体积混凝土如果出现裂缝，会使混凝土结构的刚度明显下降；也可能会使大气中的水分进入到混凝土的内部，锈蚀混凝土内的钢筋，随着钢筋的不断被锈蚀，其体积不断扩大，也便使得混凝土的裂缝跟随着扩大；此外，裂缝也会造成混凝土自身的碳化、腐蚀，从而影响大体积混凝土的耐久性能.

4 大体积混凝土温度应力的分类

大体积混凝土温度应力是根据其发展的过程可以分为三个时期：

4.1 早期温度应力

早期温度应力是发生在大体积混凝土从浇筑到水化热放热结束的一段时间，历时大约一个月左右.混凝土由流质体转为固态，伴随着内部释放出大量的水化热，也引起了内部温度场的变化，其力学性能和热学性能与之前也产生较大差异.

4.2 中期温度应力

中期温度应力是在早期应力之后，混凝土内部温度场趋于稳定，这一时期的混凝土处在逐渐散热的阶段，性质也趋于稳定，变化不大.

4.3 晚期温度应力

此时的混凝土内部温度场基本达到稳定，外界环境变化对混凝土内部的影响甚小，只对混凝土表面的温度应力有所影响.

由此可见，影响大体积混凝土温度应力最关键的时期是大体积混凝土浇筑的早期，所以，这一时期是控制温度应力引起裂缝的关键时期.

5 徐变对大体积混凝土温度应力的影响

5.1 徐变的概念

大体积混凝土在施工、使用的过程当中，由于受施加荷载的影响，会发生变形.随着时间的推移，混凝土内部会演变成为缓慢的非弹性变形，这样的非弹性变形称为徐变.徐变逐渐加大且变形的量往往是瞬间弹性变形的1-2.5倍，但徐变的产生可能会减少温度应力的值，使其达到控制温度裂缝的作用.

5.2 影响徐变的因素

由于受到了大体积混凝土使用环境和使用材料的影响，混凝土徐变的主要影响因素可以分为内部和外部两类：

（1）内部因素

水灰比和灰浆率是影响混凝土徐变的主要内部因素，水灰比大的混凝土中孔隙较多，水泥内颗粒之间的间隙较大，水分在应力的作用下向较大的孔隙间移动，破坏了混凝土内部的水化平衡，导致应力的产生，所以徐变与水灰比所呈的是正比关系；灰浆率亦是如此，灰浆率越大，混凝土内水泥砂浆的含量越大，如果混凝土的强度不变的话，徐变也就越大.

（2）外部因素

徐变的外部因素主要受到压应力大小、作用时间、养护条件以及加载龄期的影响.压应力越大，混凝土徐变就越大，尤其当压应力超过强度的0.5倍时，徐变比应力增长的速度更快；在压应力作用的早期，大体积混凝土的徐变随着荷载作用时间的增加而增加，但荷载作用在中后期的时候，徐变就变得缓慢，一般徐变可以持续一两年完成；外界养护条件也是影响徐变的因素之一，高温、干燥下的混凝土发生的徐变比较大，而外界气温越低，空气湿度越大，徐变产生越小；加载龄期对徐变的影响非常明显，随着加载龄期的增加，徐变会越来越小，浇筑早期的混凝土，其正处在水化热阶段，强度比较低，此时加载，徐变会比较大，而在浇筑的后期，混凝土的强度增大，受限之后的徐变会小很多.

5.3 徐变对大体积混凝土裂缝影响的机理研究

通过对以上徐变的概念及影响因素的研究，在大体积混凝土浇筑的早期，徐变可以起到缓解和降低内部温度应力的作用，从而降低裂缝产生和发展的几率.大体积混凝土结构体中，混凝土徐变的因素受持载时间、加载龄期的影响：随着加载龄期的增加，徐变会越来越小，浇筑早期的混凝土，其正处在水化热阶段，强度比较低，此时加载，徐变会比较大，而在浇筑的后期，混凝土的强度增大，受限之后的徐变会小很多.因此，在工程上建议使用Auperin 和Larrard及朱伯芳院士对大体积混凝土裂缝研究的公式对徐变系数进行计算：

（1）LCPC（法国）Auperin和Larrard的计算公式：

以上式中：εer（t,τ）表示在t时刻施加应力时的徐变；

Kcr表示徐变系数；

E0表示混凝土在28天的弹性模量，单位为MPa；

σ表示对混凝土施加的应力大小，单位为MPa；

f（τ-t）表示时间的动态函数；

t表示加载的时间，单位为s；

同时：

（2）朱伯芳院士得出的弹性模量与徐变系数的公式为：

以上式子中：E0=1.05E（360d）

或E0=1.20E（90d）

或E0=1.45E（28d）

在大体积混凝土的结构中，徐变具有降低温度应力的作用，所以，应有效利用徐变对混凝土的这一影响，达到控制温度裂缝的目的.

6 大体积混凝土温度裂缝的控制措施

6.1 材料的选择

（1）水泥

在混凝土裂缝的控制上，材料的选择是非常重要的.首先是水泥的选择，在大体积混凝土的施工中，水泥是常规材料，而实验证明，大体积混凝土中每降低10KG水泥的使用量就可以减少1℃水泥水化热的温度，所以，降低水泥使用量、选择低热水泥是材料选择的首要考虑因素.

（2）骨料

要考虑在混凝土中起骨架和填充作用的骨料的选择，降低水泥用量之后，需要依靠骨料来达到混凝土强度的要求，因此，要选择热学性能较好的骨料来作为混凝土的材料来源.

（3）掺合料（粉煤灰）

在混凝土中掺入一定量的粉煤灰来取代水泥，可以减少水泥用量，从而起到降低混凝土水化热的作用，另外，由于粉煤灰是呈球形的，所以具有“滚珠效应”，在混凝土中起到润滑的作用，改善混凝土的可泵性.

（4）外加剂（膨胀剂）

添加一定量的膨胀剂，可以利用它的微膨胀效应达到补偿混凝土收缩的作用，以减少大体积混凝土开裂的危险，同时也具有抗渗、降低水化热、缓凝等作用.

6.2 施工的方法

（1）大体积混凝土的浇筑

施工时的浇筑方法对温度裂缝的控制也起到一定的作用.在浇筑时，采用分层和推移两种方法，分层浇筑主要作用是便于振捣，也可以利用层面的散热来抑制混凝土内部的温度升高.

（2）大体积混凝土的养护措施

大体积混凝土浇筑完毕之后，适当的养护对于温度裂缝的控制起到很大的作用.即在混凝土浇筑的12小时之后在其表面覆盖薄膜，以阻止水分的蒸发，尤其是掺入膨胀剂的混凝土，必须要进行保湿养护才能让膨胀剂发挥作用；

（3）大体积混凝土表面的处理

混凝土初凝之前，使用刮杠刮平及木抹子抹压的方式，提高混凝土表面的密实性，并且覆盖塑料薄膜及草帘被达到保温效果，保持浇筑完毕的混凝土的表面温度，减少水分散发，以提高混凝土表面的抗温度裂缝能力.

参考文献：

〔1〕朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1999.

〔2〕王铁梦.建筑物裂缝控制［M］.上海：上海科学技术出版社，1987.

〔3〕叶琳昌，沈义.建筑施工［M］.北京：北京中国建筑工业出版社，1987.

〔4〕徐芝纶.弹性力学［M］.北京：高等教育出版社，1990.

〔5〕韩重庆，冯健，吕志涛.大面积混凝土梁板结构温度应力分析的徐变应力折减系数法［J］.工程力学，2003（20）.

中图分类号：TU755

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）06-0023-03

收稿日期：2016-01-20