超長結構混凝土溫度裂縫如何防控？

建工房產 2022-04-27 15:00 發表于江蘇

（上篇）預防混凝土溫度裂縫的“放”

人的皮膚受多變氣候影響容易干燥開裂，混凝土結構也一樣如此，高溫、日曬、干燥等不利環境都會導致結構開裂。初秋悄然而至，早晚溫差逐漸變大，正如肌膚需要保養一樣，混凝土也需要防裂。本期創新工作室來談談超長混凝土結構溫度裂縫的成因和防治措施。

引言

混凝土裂縫有很多種，主要有收縮裂縫、溫度裂縫、沉降裂縫和結構裂縫。有調查顯示，目前已建工程中出現的裂縫有95%左右是屬于溫度裂縫、收縮裂縫、沉降裂縫等非荷載裂縫，結構裂縫僅占5%。那么，日常防治裂縫的工作重點首要就在于防治溫度裂縫。

那么溫度裂縫是怎么產生的呢？為什么超長混凝土容易產生溫度裂縫呢？溫度裂縫的防治措施是什么？今天帶著這些問題，我們開始以下的分析。

溫度應力和其影響因素01

溫度裂縫的產生是因為溫度應力大于混凝土的極限抗拉強度，導致混凝土受拉破壞，要防止出現溫度裂縫首先要了解溫度應力。溫度應力按成因可分為兩類：（1）水泥硬化時產生的水化熱使混凝土內外溫度不均產生應力；（2）混凝土的熱脹冷縮受到外部制約，不能自由變形而引起應力。本文主要討論后者。

為什么超長結構更容易產生溫度裂縫呢？首先我們了解下什么是超長結構。《高層建筑混凝土結構技術規程》對超長結構說明如下：

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）13.9.1（條文說明） ……本節所述超長結構，通常指平面尺寸大于本規程規定的伸縮縫間距的結構。

了解了什么是超長混凝土結構，我們再對其進行受力分析。以臥置在地基上的筏板為例，假設同一截面上的應力分布均勻，在地基土的制約下，構件截面上將出現水平法向應力σx和豎向應力σy，其沿構件長度方向的分布如下圖所示。

其中σx是引起垂直裂縫的主要應力，是設計控制應力，其最大值出現在構件中點，即x=0 處。σy可能引起水平裂縫，但其值一般很小，可忽略不計。σx max的計算公式為：

其中：

E——混凝土彈性模量（MPa） H——板厚（mm） L——結構物的長度（mm） Cx——地基阻力系數（N/mm3） cosh——雙曲線余弦函數 α——混凝土線膨脹系數，為1.0e-5/℃ T——綜合溫差，T=T1+T2-T3 T1——混凝土因水泥水化導致的升溫值 T2——混凝土干縮當量溫差 T3——混凝土膨脹當量溫差

分析式（1）可發現法向最大應力σx的大小與構造和材料兩大因素有關，我們把他們記做材料因子M和構造系數S。

σx max = M·S

材料因子分析：混凝土彈性模量E、混凝土線膨脹系數α和混凝土強度等級相關，相對固定，可視為常數；綜合溫差T和混凝土的配合比相關。

構造系數分析：構造系數S是[0,1]之間的數，當結構長度L、地基阻力系數Cx增加時，構造系數S也會變大。

材料因子和構造系數變大，混凝土法向應力也會變大。根據分析可知，防止溫度裂縫的關鍵在于結構受力約束形式、構件尺寸、混凝土材料。通過控制約束形式和構件尺寸來實現釋“放”溫度應力，通過調整混凝土材料來實現抵“抗”溫度應力。

釋“放”溫度應力的技術措施02

分析公式（1）可知，通過合理的構造形式和減少構件尺寸，降低構造系數S的數值，可有效釋放結構承受的約束應力。由此思路可引出以下幾種“放”的技術措施：

1、設滑動層減阻力

首先我們考慮的是如何減少約束，充分釋放溫度應力，還是以超長混凝土結構筏板為例。在筏板與地基土之間的防水層上滿鋪一層10~20mm厚的細砂作為滑動層，以減小底板和地基之間的摩擦系數，釋放約束應力。從而讓混凝土自由收縮，釋放溫度應力，避免混凝土開裂。

2、設伸縮縫

縮短結構長度L可減小構造系數S，最終降低混凝土溫度應力。因此釋放約束應力的另一思路是通過合理分縫設計，降低結構長度，伸縮縫的應用正是基于這一原理。伸縮縫的做法是沿建筑物長度方向每隔一定距離預留永久性結構縫隙，將建筑物從屋頂、墻體、樓層和底板等構件全部斷開，縫隙內用防水材料填充。規范（GB50010-2010）規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距如下表所示。

3. 跳倉法施工

縮短結構長度L的方法還有跳倉法施工。“跳倉法”就是把超長、超寬的混凝土結構劃分成若干區段，采用間隔澆筑的一種施工方法。如下圖所示，按照“分塊規劃、隔塊施工、分層澆筑、整體成型”的原則，如同跳棋一樣，隔一段澆一段，相鄰兩段間隔時間一般不少于7天，來有效釋放混凝土在硬化初期劇烈的溫度和干燥收縮應力。

4. 設誘導縫

縮短結構長度L的第3種方法是設誘導縫。誘導縫是為了控制混凝土開裂的位置，人為造成薄弱連接面，其做法如下圖所示。通過留置誘導縫，當構件的收縮應力大于其抗拉強度時，構件在設定位置有序開裂，開裂后構件的結構長度L減小，釋放了收縮應力，從而防止在其他部位繼續發生無序的開裂。因其容易產生滲水，只能用于水位低或干燥的地方。

5. 設后澆帶

縮短結構長度L的另一種方法是設后澆帶。后澆帶將結構暫時劃分為若干部分，經過構件內部收縮，在若干時間后再澆搗該施工縫混凝土，將結構連成整體。與傳統伸縮縫不同，后澆帶是只存在于施工階段的臨時性伸縮縫，避免了永久留縫所導致的滲漏水等問題。后澆帶的留設間距可取與伸縮縫相同，封閉時間一般需根據兩側混凝土的收縮完成情況結合施工作業要求確定（一般不少于42天）。

總結03

如果把溫度應力比作洪水，那么本文就“治理洪水”中的“疏水”介紹了幾種技術措施，下一篇我們將針對“治理洪水”中的“堵水”進行講解，聊一下防止溫度裂縫中“抗”的技術措施。

（下篇）預防混凝土溫度裂縫的“抗”

“抗”的力量來源于材料因子01

上篇給出了導致溫度裂縫的“罪魁禍首”混凝土水平法向應力σxmax：

如果說“放”是通過控制結構受力約束形式、構件尺寸來降低構造系數，那么“抗”就是通過調整混凝土材料來降低材料因子。材料因子由混凝土的材料屬性決定，主要與混凝土的水泥配合比、外摻料和外加劑相關。

超長混凝土結構的裂縫發展規律02

為什么超長混凝土結構容易產生溫度裂縫？為什么常見的超長混凝土結構裂縫出現的間距都有規律？讓我們進一步分析：

以基礎底板溫度開裂為例，當混凝土開始收縮時，基礎與地基的接觸面上出現剪應力τ，基礎底板中產生水平法向應力（即拉應力）σx\\\\'，如圖1a所示；第一階段的最大拉應力σx\\\\'max > ft（混凝土極限抗拉強度）時，第一批裂縫常發生在跨中，開裂后引起應力重分布，如圖1b所示；第二階段的最大拉應力σx\\\\'\\\\'max > ft，則繼續開裂，此時裂縫往往出現在1/4跨處，出現第二批裂縫并導致應力重分布，如圖1c所示；……第n階段，直到最大拉應力σx\\\\'\\\\'\\\\'max < ft，則開裂穩定下來，否則繼續按上述規律發展。

由此可知，控制裂縫的關鍵在于σmax ≤ ft。是不是提高ft就能解決混凝土開裂呢？答案是混凝土作為一種脆性材料，它強度等級的提高對抗拉強度提高作用有限。同時，混凝土標號的提高又會帶來水化熱增加導致的干縮問題，成本也隨之提高，得不償失。那么還有什么辦法呢？

膨脹混凝土補償溫度收縮應力03

聰明的工（ban）程（zhuan）師（ren）就想，能否利用混凝土的抗壓強度高的特性，先對混凝土作用預壓應力σc，變相提高混凝土抗拉強度，使σmax ≤ ft+ σc，這樣就可以抑制混凝土開裂。那么如何讓超長混凝土結構中產生預壓應力？答案是在混凝土中添加膨脹劑。在膨脹劑的作用下，混凝土產生預壓應力，通過鋼筋受拉力進行平衡，于是得出：

Ac·σc=As·σs=As·Es·εr（4）

令ρ=As/Ac為配筋率（%），則：

σc=ρ·Es·εr（5）

其中：σc —— 混凝土預壓應力（MPa）As —— 鋼筋截面面積（mm2）Ac —— 混凝土截面面積（mm2）Es —— 鋼筋彈性模量（MPa）εr —— 混凝土的限制膨脹率（%）

我們可以試算一下，假設筏板混凝土強度等級為C30，鋼筋配筋率為0.8%，鋼筋彈性模量2x105MPa，控制混凝土限制膨脹率0.05%，從式（5）可得：

σc=ρ·Es·εr=0.8%·2x105·0.05%=0.8MPa

也就是能讓混凝土獲得0.8MPa的預壓應力，則混凝土最大允許法向應力σmax提高為：

σmax=ft+σc=1.43+0.8=2.23MPa

比原混凝土提高約1.5倍，再把這個數值反代入公式（1），就能推出，使用膨脹混凝土的結構物不開裂長度L可比普通混凝土大大提高。我們的結論是：如果按規范要求設置后澆帶間距為40米，按上述參數使用膨脹混凝土后可把該間距提高為60米。

混凝土限制膨脹率04

由式（5）可知，預壓應力σc與限制膨脹率εr為正比關系，控制σc的關鍵就在于膨脹劑摻量，也就是控制限制膨脹率εr。

根據《混凝土膨脹劑應用技術規范》GBJ50119，通過試驗可得出膨脹劑摻量和限制膨脹率的關系。以下以某種膨脹劑為例：

以上我們了解了“放”和“抗”的原理，在實際工程中聰明的工程師會采用這兩種方式互補——“放”、“抗”結合，解決溫度裂縫。

膨脹加強帶——“放”和“抗”相結合05

是否有必要提高整個底板混凝土的膨脹劑摻量（12%）來提高最大溫度應力抗力呢？根據實踐經驗，每隔一段距離設膨脹加強帶（2~3米，膨脹劑摻量12%）就能降低整塊底板的膨脹劑摻量（9%）。其實膨脹加強帶就是一種“放”，用膨脹劑在混凝土中產生預壓應力就是一種“抗”，這就是“放”、“抗”結合。如下圖所示：

膨脹應力補償收縮應力示意圖

膨脹加強帶的施工工藝即：先采用小膨脹混凝土（εr=2~3x10-4）澆筑加強帶兩側，待溫度和干縮變形得到有效釋放后，改用強度等級提高一級的大膨脹混凝土（εr=4~5x10-4）澆筑加強帶部分，如此可實現超長混凝土結構不留設永久性伸縮縫。