大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝,一方面是混凝土内部因素:由于内外温差而产生的;另一方面是混凝土的外部因素:结构的外部约束和混凝土各质点间的约束,阻止混凝土收缩变形,混凝土抗压强度较大,但受拉力却很小,所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时,即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内,一般不会影响结构的强度,但却对结构的耐久性有所影响,因此必须予以重视和加以控制。

    总结大体积混凝土产生裂缝的工程实例,产生裂缝的主要原因有以下几个方面。

1.水泥水化热的影响

    水泥在水化反应过程中产生大量的热量,这是大体积混凝土内部温升的主要热量来源,试验证明每克普通硅酸盐水泥放出的热量可达500J。由于大体积混凝土截面厚度大,水化热聚集在结构内部不易散发,所以会引起混凝土结构内部急骤升温。水泥水化热引起的绝热温升,与混凝土结构的厚度、单位体积的水泥用量和水泥品种等有关。混凝土结构的厚度越大,水泥用量越多,水泥早期强度越高,混凝土结构的内部温升越快。大体积混凝土测温试验研究表明,水泥水化热在1~3d内放出的热量最多,占总热量的50%左右;混凝土浇筑后的3~5d内,混凝土内部的温度最高。

    混凝土的导热性能较差,浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低,对水泥水化热急剧温升引起的变形约束不大,温度应力自然也比较小,不会产生温度裂缝。随着混凝土龄期的增长,其弹性模量和强度相应不断提高,对混凝土降温收缩变形的约束也越来越强,即产生很大的温度应力,当混凝土的抗拉强度不足以抵抗此温度应力时,便容易产生温度裂缝。

2.内外约束条件的影响

    各种混凝土结构在变形变化中,必然受到一定的约束,从而阻碍其自由变形,阻碍变形的因素称为约束条件,约束又分为内约束和外约束。结构产生变形变化时,不同结构之间产生的约束称为外约束,结构内部各质点之间产生的约束称为内约束。外约束又分为自由体、全约束和弹性约束3种。建筑工程中的大体积混凝土,相对水利工程来说(如混凝土大坝、混凝土水闸等),体积并不算很大,它承受的温差和收缩主要是均匀温差和均匀收缩,故外约束应力占主要地位。

    大体积混凝土与地基浇筑在一起,当温度变化时受到下部地基的限制,因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时,产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力,此时混凝土的弹性模量很小,混凝土的徐变和应力松弛均较大,混凝土与基层连接不太牢固,因而压应力较小。但当温度下降时,则产生较大的拉应力,若超过混凝土的极限抗拉强度,混凝土将会出现垂直裂缝。

    在全约束的条件下,混凝土结构的变形应当是温差和混凝土线膨胀系数的乘积,即E=△T・a。当变形值を超过混凝土的极限拉伸数值E,时,混凝土结构便出裂缝。由于结构不可能受到全约束,况且混凝土还有徐变,所以温差在25~30℃情况下,也可能不产生裂缝。由此可见,降低混凝土内外温差和改善其约束条件,是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。

3.外界气温变化的影响

    大体积混凝土结构在施工期间,外界气温的变化对防止大体积混凝土开裂有着重大影响。混凝土的内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加之和组成。混凝土的浇筑温度与外界气温有着直接关系,外界气温越高,混凝土的浇筑温度也越高;如果外界气温下降,会增加混凝土的温度梯度,特别是气温骤然下降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温差,因而会造成过大的温度应力,易使大体积混凝土出现裂缝。

    大体积混凝土由于厚度大,不易散热,混凝土内部的温度一般可达60~65℃,有的工程竟高达90℃以上,而且持续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的,温差越大,温度应力也越大。因此,研究和采取合理的温度控制措施,控制混凝土表面温度与外界气温的温差,是防止混凝土裂缝产生的另一个重要措施。

4.混凝土收缩变形的影响

    混凝土收缩变形的影响主要包括塑性收缩变形和体积变形两个方面。

    (1)混凝土塑性收缩变形 在混凝土硬化之前,混凝土处于塑性状态,如果上部混凝土的均匀沉降受到限制,如遇到钢筋或大的混凝土集料,或者平面面积较大的混凝土,其水平方向的减缩比垂直方向更难时,就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。这种裂缝通常是互相平行的,间距一般为0.2~1.0m,并且有一定的深度,它不仅可以发生在大体积混凝土中,而且可以发生在平面尺寸较大、厚度较薄的结构构件中。

    (2)混凝土体积变形 混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形,但多数是收缩变形,少数为膨胀变形。混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的,而约80%的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。如果混凝土收缩后,然后再使其处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。

    混凝土干缩变形的机理比较复杂,其主要原因是混凝土内部孔隙水蒸发引起的毛细管应力所致,这种干缩变形在很大程度上是可逆的,即混凝土产生干燥收缩后,如果再使其处于水饱和状态,混凝土还可以膨胀恢复到原来的体积。

    除上述干燥收缩外,混凝土还会产生碳化收缩变形即空气中的二氧化碳(CO2)与混凝土中的氢氧化钙反应生成碳酸钙和水,这些结合水会因蒸发而使混凝土产生收缩变形。