大体积混凝土温度裂缝产生的原因分析

钱新伟 冯兴祥 甘央

摘 要：大体积混凝土在浇筑中将释放的水化热而产生的温度和收缩应力，是导致混凝土出现裂缝的主要原因。但导致大体积混凝土出现裂缝的原因很多，本文较全面地对大体积混凝土出现裂缝的原因进行了分析。

关键词：大体积混凝土；裂缝；原因；分析

中图分类号： TV331 文献标识码： A

由于大体积混凝土结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，施工技术要求高。大体积砼在浇筑中将释放的水化热，会产生较大的温度变化和收缩作用，由此而产生的温度和收缩应力，这是导致混凝土出现裂缝的最主要原因。但是导致大体积混凝土出现裂缝的原因有很多，本文较全面地对大体积混凝土出现裂缝的原因进行了分析。

1、水泥水化热是大体积混凝土中的主要温度因素

水泥在水化过程中要发出一定的热量，而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥发出的热量聚集在结构物内部不易散失。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为15～25℃，而在建筑工程中一般为20～30℃，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，是与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随着混凝土的龄期按指数关系增长。但由于结构物有一个自然散热条件，实际上混凝土内部的最高温度，多数发生在混凝土浇筑后的最初3～5d。

由于混凝土的导热性能较差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以致产生很大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度，便开始出现温度裂缝。

2、外界气温变化的影响

大体积混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的。因为外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；而如外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利的。

混凝土内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达60～70℃，并且有较长的延续时间（与结构尺寸和浇筑的块体厚度有关）。在这种情况下，合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力就显得更为重要。

3、约束条件与温度裂缝的关系

各种结构物在变形变化中，必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形，这种约束种类一般可分为外约束和内约束。外约束指结构物的边界条件，一般指支座或其他外界因素对结构物变形的约束；内约束指较大断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。具有大断面之结构，其变形还可能受到其他物体的宏观约束。大体积混凝土由于温度变化会产生变形，而这种变形又受到约束，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。如在完全约束条件下混凝土结构物的温度变形，是温差与温度膨胀系数的乘积。即，当ε超过混凝土的极限拉伸值时，便出现裂缝。

式中ε为混凝土收缩时相对变形。为温差，d为混凝土的温度膨胀系数。

混凝土的温度膨胀系数一般为10×10-6/℃，极限拉伸值一般为（50～100）×10-6 之间，此时容许混凝土的内外温差值应为5～10℃。而实践证明，多数工程混凝土的温差一般在20～25℃之间尚未开裂。这主要因为结构物不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全设有徐变和塑性变形的缘故。有实践表明，在令约束条件下，由于温度变形而引起的温度应力值可达1.0～2.1MPa。这足以说明，改善约束条件对防止混凝土的开裂有很大的影响。

4、混凝土的收缩变形

混凝土中80﹪的水分要蒸发，约20﹪的水分是水泥水化所必须的。混凝土水化作用时产生的体积变形，称为“自生体积变形”。该变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥混凝土来说，大多数为收缩变形，少数为膨胀变形，一般在-50～50×10-6 范围内。如果以混凝土温度膨胀系数为10×10-6/℃计，当混凝土的自生体积变形，从-50×10-6变至50×10-6 时，即相当于温度变化10℃所引起的变形，这一数值是颇为可观的。

如前指出，在混凝土中尚有."/的游离水分需要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土的体积收缩（干缩），这种收缩变形不受约束条件的影响。若有约束，即可引起混凝土的开裂，并随龄期的增加而发展。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。

在大体积混凝土温度裂缝计算中，可将混凝土的收缩值，换算成相当于引起同样温度变形所需要的温度值，即“收缩当量温差”，以便按温差计算混凝土的应力。实践证明，由混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽视的。因由收缩引起的温度应力占混凝土应力值的30﹪以上。

5、关于温度与温度应力

理论计算和国内外大量的工程实践证明，混凝土内部的最高温度是随结构物（或浇筑块）厚度的增加而增大，但超过一定范围（例如4m以上）时，温度的增加就不明显。然而，温度应力的变化情况就不一样，它不仅与高（即厚度）长比有关，而且与结构物的长度有关。结构物长度增加，应力也增加，但不是线性关系。当超过一定长度（80～100m）时，温度应力就趋于常数。同时，在各种边界条件相似的情况下，如结构物厚度从3 m增加到5 m，混凝土内部最高温度约增加5℃，这时温度应力虽有所降低，但必须注意，由于厚度的增加，将会引起附加的非均匀温差增加的自约束应力。因此，较厚板及构筑物反而容易表面开裂。

另外，大体积混凝土的温度应力的大小，还与结构物的内外结束条件有关。

对于外约束应力，通常办法是改善边界（主要指基础）约束条件。当外约束力小于混凝土同龄期的抗拉强度时，混凝土自身的强度足以抵抗外约束力，混凝土就不会发生深层裂缝。显而易见，若结构物设置于软土地基上，对基础的约束力不大，此时发生裂缝的可能性也不大。如果设置于基岩上，对混凝土变形有很大的约束，应慎重考虑如何减少外约束的影响。

对于内约束力，主要是由于混凝土散热不均（内外、上下、左右），结构物各质点之间

相互约束而产生的。内约束应力的大小，决定于混凝土内部温度的不均匀程度，如混凝土的浇筑方法不同，会引起温度不一和造成应力性质的改变（如压应力与拉应力的改变）。因此在施工期间，升温和降温阶段，必须严重控制混凝土内外温差，以防过大的内约束应力而引起的早期裂缝。

至于结构物是否设置变形缝或施工缝，应根据地基的约束条件和施工时控制的温差标准，通过理论计算加以确定。套用现行设计规范或照用其他工程的经验是不合适的。

鉴于上述情况，在大体积混凝土工程中，仅仅根据混凝土内部最高温度，和内外温差来控制混凝土质量是不全面的，还应考虑温度应力的影响；而温度应力的大小，又涉及到构筑物的平面尺寸、浇筑高度、基础约束条件，以及混凝土的各种组成材料特性等多种因素。因此在建筑工程中，必须采用“温差—温度应力”双控的办法，才能避免发生温度裂缝。温度应力一般可取3d为一时间段进行计算，一直计算到混凝土达到稳定温度时为止。

参考文献：

[1]仲晓林，林松涛. 《大体积混凝土施工规范实施指南》 [M].中国建筑工业出版社, 2011

[2]陈斌.《建筑材料》[M].重庆大学出版社, 2008

作者简介：钱新伟, 男, 1963年8月出生, 藉贯：浙江嵊州，工作单位：嵊州市第二建筑工程有限公司，工程师职称，研究方向：施工管理