大体积混凝土裂缝产生原因

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：大体积混凝土施工阶段产生的裂缝，是其内部矛盾发展的结果。总结过去大体积混凝土裂缝产生的情况，产生裂缝的主要原因可归纳如下。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失，所以会出现急剧升温。无约束就不会产生应力，因此，改善约束对于防止大体积混凝土开裂具有重要意义。外界温度下降会增加混凝土的降温幅度，特别是外界气温骤降会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土极为不利。

大体积混凝土施工阶段产生的裂缝，是其内部矛盾发展的结果。其一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变；另一方面是结构的外约束和混凝土各质点间的约束（内约束）阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度，就会产生裂缝。总结过去大体积混凝土裂缝产生的情况，产生裂缝的主要原因可归纳如下。

1.水泥水化热

水泥在水化过程中会产生一定的热量，其是大体积混凝土内部热量的主要来源。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失，所以会出现急剧升温。水泥水化热引起的绝热温升，与混凝土单位体积内的水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在10d左右达到最终绝热温升，但由于结构自然散热，实际上混凝土内部的最高温度大多出现在混凝土浇筑后的3～5d。

混凝土的导热性能较差，在浇筑初期，混凝土的弹性模量和强度都很低，对水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力也就较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量和强度相应提高，对混凝土降温收缩变形的约束越来越强，就会产生很大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便开始产生温度裂缝。

2.约束条件

结构在变形时，会受到一定的抑制而阻碍其自由变形，该抑制称为“约束”。其中不同结构之间产生的约束为“外约束”，结构内部各质点之间产生的约束为“内约束”。

外约束分为自由体、全约束和弹性约束三种。

（1）自由体。自由体即结构的变形不受其他任何结构的约束。结构的变形等于结构自由变形，是无约束变形，不产生约束应力，即变形最大，应力为零。

（2）全约束。全约束即结构的变形全部受到其他结构的约束，使结构无任何变形的可能，即应力最大，变形为零。

（3）弹性约束。弹性约束即介于上述两种约束状态之间的一种约束，结构的变形受到部分约束，既有变形，又有应力。这是最常遇到的一种约束状态。

内约束是当结构截面较厚时，其内部温度和湿度分布不均匀，引起各质点变形不同而产生的相互约束。

大体积混凝土由于温度变化产生变形，这种变形受到约束才产生应力，在全约束条件下，混凝土结构的变形应是温差和混凝土线膨胀系数的乘积，即ε＝ΔT·α，当ε超过混凝土的极限拉伸值εp时，结构便出现裂缝。由于结构不可能受到全约束，且混凝土还有徐变变形，所以即使混凝土内外温差在25℃甚至30℃的情况下也可能不开裂。

无约束就不会产生应力，因此，改善约束对于防止大体积混凝土开裂具有重要意义。

3.外界气温变化

pagenumber_ebook=105,pagenumber_book=96

图3-2　混凝土内外温差引起的温度应力

1—压应力；2—拉应力

大体积混凝土结构施工期间，外界气温的变化情况对防止大体积混凝土开裂有重大影响。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和。外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高。外界温度下降会增加混凝土的降温幅度，特别是外界气温骤降会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土极为不利。

温度应力是由温差引起的变形造成的。温差越大，温度应力也越大，如图3-2所示。

大体积混凝土不易散热，其内部温度有时可达80℃以上，而且延续时间较长，为此研究合理的温度控制措施，对防止大体积混凝土内外温差悬殊所引起的过大的温度应力是十分重要的。

4.混凝土收缩变形

在混凝土的拌合水中，只有约20%的水分是水泥水化所必需的，其余的80%都要被蒸发。

混凝土在水泥水化过程中所产生的体积变形多数是收缩变形，少数为膨胀变形，这主要取决于所采用的胶凝材料的性质。混凝土中多余水分的蒸发是引起混凝土体积收缩的主要原因之一。这种干燥收缩变形不受约束条件的影响，若存在约束，就会产生收缩应力。

混凝土的干燥收缩机理较复杂，其主要是混凝土内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力所致。这种干燥收缩在很大程度上是可逆的。混凝土产生干燥收缩后，如再处于水饱和状态，其还可以膨胀恢复到原有的体积。

除上述干燥收缩外，混凝土还会产生碳化收缩，即空气中的CO2与混凝土水泥中的Ca（OH）2反应生成碳酸钙，放出结合水，从而使混凝土收缩。

混凝土的收缩变形是一个长期过程，已有试验表明，收缩变形在开始干燥时发展较快，以后逐渐减慢，大部分收缩在龄期3个月内出现，但龄期超过20年后，收缩变形仍未停止。