王志茂
【摘 要】 温度应力是目前混凝土早期开裂的一个很重要的因素，水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，施工过程中通过控制水泥水化热，将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。
【关键词】 大体积混凝土 温度裂缝 预防
前言
近年来，随着大体积混凝土在工程中的广泛应用，大体积混凝土早期开裂也已经成为困扰混凝土工程界的焦点问题。导致大体积混凝土开裂的原因有很多，比如，水泥水化热引起的温度应力和温度变形、内外约束条件的影响、外界气温变化的影响、混凝土内的收缩变形等。德国慕尼黑技术大学R.Springenschmid教授认为，混凝土的2／3应力来自于温度变化，1／3来自干缩和湿胀。可见温度应力是目前大体积混凝土开裂的一个很重要的因素。又因为水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，为了保证大体积混凝土结构具有可靠的强度和耐久性能，必须在施工过程中通过控制水泥水化热，将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。
1 大体积混凝土早期产生温度裂缝的原因
混凝土在凝结硬化过程中，水泥水化产生大量水化热，这些热量积聚而导致混凝土内部温升较快；混凝土结构本身体积厚大，导热系数低，热量不易散发，从而造成与混凝土表面产生过大温差，从而产生拉应力。当拉应力超过此时混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面将开裂，产生温差裂缝。一般情况下，混凝土的内外温差不宜超过25℃，否则混凝土将产生温差裂缝。故《混凝土结构工程验收规范》(GB50204-2001)规定：大体积混凝土的浇筑温度不宜超过28℃。
2 水泥水化的放热过程
水泥的水化热释放主要集中在早期，美国学者梅泰(Mehta，P.K.)认为，水泥加水拌和后，立即出现放热(称为第一个放热峰)，持续几分钟，这可能是铝酸盐和硫酸盐的溶解热。下一阶段是形成钙矾石所放出的热量，对于大部分水泥，大约在4～8h后，会达到第二个放热峰顶点，除钙矾石形成热外，它也包括C、S的一些溶解热和C—S—H的形成热。水泥在开始3d内大致会放出50％的水化热，混凝土ld和3d的绝热温升相应为24．4℃和30.1℃。混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3-4d，掺粉煤灰后可推迟至5-6d，因此，从减少混凝土早期温度应力出发，应尽量减少水泥水化热。
早期混凝土在浇筑后的几个小时后混凝土内部由于温度升高会产生压应力作用，但由于此时混凝土弹性模量较低，故压应力值不大。温度峰值达到之后，混凝土内部的压应力由于温度不断降低而迅速减小，混凝土逐渐处于零应力状态。处于零应力状态时，混凝土内部的温度往往仅比温度峰值低几度。随着混凝土内部温度进一步降低，拉应力逐渐产生，而此时混凝土已具有较高的弹性模量，同时随着硬度和刚度的不断提高，混凝土对于应力的释放作用减弱，故混凝土内部拉应力发展较快导致开裂潜在可能性增加。同时，由于混凝土是热的不良导体，水泥水化过程中释放出的水化热短时间内不容易散发。特别是大体积混凝土，当产生大量水化热时，混凝土内外产生很大温差，从而导致混凝土内部存在温度梯度，温度梯度的产生导致温度变形梯度以及层间约束形成，从而加剧了表层混凝土内部所受拉应力作用，导致表层混凝土开裂危险性的提高。
3 控制大体积混凝土早期温度裂缝措施
3.1 降低早期水化放热
减少水泥水化热可以通过以下几项措施来达到目的。
（1）优选原材料
a.水泥
由于温差主要是由水化热产生的，所以为了减小温差就要尽量降低水化热，为了降低水化热，要尽量采取早期水化热低的水泥，由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数，硅酸盐水泥的矿物组成主要有：C3S、C2S、C3A和C4AF，试验表明：水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）含量高的，水化热较高，所以，为了减少水泥的水化热，必须降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量使水泥的细度适当减小，因为水泥的细度会影响水化热的放热速率，试验表明比表面积每增加100cm2/g，1d的水化热增加17J/g～21J/g，7d和20d均增加4J/g～12J/g。
b.掺加粉煤灰
为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，在混凝土中掺入粉煤灰可以改善混凝土的和易性，降低气温，减少收缩，提高混凝土抗浸蚀性具有良好的效果。水泥水化作用是放热反应，1kg 水泥放出原热量可高达500J，它能使混凝土中的温度达到75 ℃以上。因其内部产生的水化热造成温度急剧上升，与混凝土表面形成温度梯度，故内部产生拉应力，它们都能使混凝土开裂。如能采取技术措施将混凝土温度的顶峰温度加以限制，则能避免开裂。采用冷却措施降低温度，这样费用增加较多，用粉煤灰代替部分水泥，对混凝土温度起到缓解作用。但对低级粉煤灰，当掺量过多时，早期强度较低，温差较大时，不利于混凝土的抗裂，在温度变化较大时，不宜过量掺用，应选择优质的粉煤灰。值得一提的是：由于粉煤灰的比重较水泥小，混凝土振捣时比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面，使上部混凝土中的掺合料较多，强度较低，表面容易产生塑性收缩裂缝。因此，粉煤灰的掺量不宜过多，在工程中我们应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。
c.骨料
尽量扩大粗骨料的粒径，因为粗骨料粒径越大，级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。对于细骨料宜采用级配良好的中砂和中粗砂，最好用中粗砂，因为其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热就低，裂缝就减少，另一方面，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重，因此细骨料尽量用干净的中粗沙。
（2）优化混凝土的配合比
在商品混凝土原材料一定的情况下，配合比对混凝土收缩裂缝产生有重要影响，主要是单位水泥用量，水灰比，砂率等。对配合比的控制主要有以下几点：1)商品混凝土应对混凝土的配合比进行优化；2)不同季节、不同的施工环境应采用不同的配合比；3)不同用途的混凝土应采用不同的配合比；4)原材料变化时应重新确定配合比；5)加强原材料的计量与控制，特别要加强雨季砂、石含水量的控制；6)商品混凝土的水灰比宜为0.4~0.6，砂率宜为38％~45％，最小水泥用量宜为300kg/m3。因此，不良配合比会产生混凝土收缩加大，引起开裂。
3.2 掺加外加剂
掺加缓凝剂与减水剂，缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。加入外加剂后，可延长混凝土的凝结时间，采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，并大大减少施工中出现裂缝的可能性。
3.3 优化大体积混凝土浇筑施工工艺
(1)降低混凝土入模温度。
浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温， 尽量避开炎热天气浇筑。夏季可采用温度较低的地下水搅拌混凝土，或在混凝土拌和水中加入冰块， 同时对骨料进行遮阳、洒水降温，在运输及浇筑过程中也采用遮阳保护、洒水降温等措施，以降低混凝土拌和物的入模温度；掺加相应的缓凝型减水剂；在混凝土入模时，还可以采取强制通风措施，加速模内热量的散发。
(2)加强施工中的温度控制。
大体积混凝土应分层浇筑，每层浇筑厚度不大于30~50cm。浇筑过程中要进行振捣方可密实，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一为宜，振捣后1~2h混凝土可进行二次振捣。浇筑完毕后，表面要压实、抹平，以防止表面裂缝。另外，浇筑混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。
3.4 确保大体积混凝土早期有效养护
在混凝土浇筑之后，做好混凝土的保温保湿养护，以使混凝土缓缓降温，充分发挥其徐变特性，减低温度应力。夏季应坚决避免曝晒，注意保湿；冬季应采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度变化；采取长时间的养护，确定合理的拆模时间，以延缓降温速度，延长降温时间，充分发挥混凝土的“应力松弛效应”；加强测温和温度监测。可采用热敏温度计监测或专人多点监测，以随时掌握与控制混凝土内的温度变化。混凝土内外温差应控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，并及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不致过大，以有效控制有害裂缝的出现。
4 结语
由于影响大体积混凝土早期开裂的因素较多，温度应力产生的裂缝仅是一个方面，在施工中必须全面考虑加以综合防治，才能保证大体积混凝土结构的工程质量。
（作者：晋城市建筑工程质量监督站）
参考文献
1、P梅泰。混凝土的结构、性能与材料[M]，祝永年，沈威，陈志源，译．上海：同济大学出版社，l991．
2、黄士元。高性能混凝土发展的回顾与思考[J]，混凝土，2003，(7)：3-9．
3、乔龄山。硅酸盐水泥的性能及其应用[J]，水泥，2006，(1)：1-7．
4、胡如进，李琳，王善拔。水泥颗粒级配的优化[J]，水泥，2005，(8)：l5-l7．
5、余学芳，董邑宁。粉煤灰混凝土的抗裂性分析[J]，混凝土，2003，(2)：48-49．
6、赵东镐。适于配制高性能混凝土的硅酸盐水泥及其胶凝材料的最佳颗粒级配[J]，水泥，2007，(3)：l-3．
7、《混凝土结构工程验收规范》(GB50204-2001)
