浅谈机制砂混凝土的施工温度与裂缝控制技术

　　摘要：通过多年的现场施工观察及结合马岭河特大桥的承台、墩、塔座大体积机制砂混凝土施工现场的绝热升温控制，特别是机制砂混凝土，机制砂与河砂比较，颗粒形状粗糙，多棱角，颗粒内部微裂纹多、空隙率大，比表面积大，石粉含量较高等原因，如果控制不好，机制砂混凝土拌和物不但工作性差，应用不当会造成机制砂混凝土抗裂性能和耐久性能受到不利影响。
　　关键词：机制砂混凝土；温度应力；裂缝；控制
　　概述：在工程建设中机制砂混凝土占着重要地位，在结构工程中机制砂混凝土的裂缝较为普遍，特别是大体积机制砂混凝土工程，在施工中稍不谨慎，就会有不同程度的裂缝产生，从而影响机制砂混凝土结构的整体性和耐久性，甚至会为工程运行过程中带来质量隐患和安全隐患，机制砂混凝土的裂缝成因跟河砂混凝土不尽相同，虽然都是温度裂缝，但由于机制砂与河砂的技术性能的差异，机制砂混凝土裂缝的成因和处理措施也不同。
　　一、机制砂混凝土裂缝形成的原因：机制砂混凝土产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化、机制砂混凝土的脆性和不均匀性、原材料的技术指标控制不当（机制砂的粉尘含量、碱骨料反应）、基础不均匀沉降等。温度裂缝是机制砂混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，形成内外温差而在机制砂混凝土表面引起拉应力；或是施工在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，也会在机制砂混凝土内部出现拉应力；或是在结构运行期间环境气温过大的突变也会在机制砂混凝土表面引起极大的拉应力。当这些拉应力超出机制砂混凝土的抗裂能力时，温度裂缝因此而产生。在大体积机制砂混凝土中内部湿度的变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化，在这种情况下，若养护不及时而使机制砂混凝土表面时干时湿，表面干缩形变受到内部机制砂混凝土的约束，也会导致裂缝产生。机制砂混凝土同河砂混凝土一样，都是脆性材料，抗拉强度只是抗压强度的10%左右，短期加载的极限拉伸变形和长期加载的极限位伸变形抵抗能力也非常有限的，加之在施工过程中若碎石和机制砂的粉尘含量等技术指标控制不好、原材料不均匀、水灰比不稳定、运输过程中产生离析和浇筑过程中振捣不均匀等现象，至使同一构件中强度不均匀，存在许多抗拉能力差异，温度裂缝从构件的薄弱部位出现。在钢筋混凝土构件中，拉应力主要是由钢筋承担，机制砂混凝土只是承受压应力，在构件的边缘部位出现了拉应力，依靠机制砂混凝土自身承担，此时机制砂混凝土表面会出现浅表裂纹。在施工中机制砂混凝土由最高温度冷却稳定的温度过程中，在机制砂混凝土内部引起相当大的拉应力。
　　二、温度应力的分析：根据机制砂混凝土温度应力的形成过程可分为三个阶段：
　　（1）早期：自浇筑机制砂混凝土开始至水泥放热基本结束，高峰值一般出现在72小时左右，最终完约28天，这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化，由于弹性模量的变化，这一时期在机制砂混凝土内形成残余应力。
　　（2）中期：自水泥放热作用基本结束时起至机制砂混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于机制砂混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间机制砂混凝土的弹性模量变化不大。
　　（3）晚期：机制砂混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。
　　根据温度应力引起的原因可分为两类：（1）自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身，结构尺寸相对较大，机制砂混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。
　　（2）约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力特别是大体积机制砂混凝土（承台、墩、塔座等），这两种温度应力往往和机制砂混凝土的干缩所引起的应力共同作用。在施工控制中，要根据机制砂混凝土的内部温度情况准确分析出温度应力的分布、大小来建立模型试验或数值计算；机制砂混凝土的徐变对温度应力也有很大的影响，计算温度应力时，也应综合考虑徐变的影响。
　　三、机制砂混凝土温度的控制和防止裂缝的措施：为了防止裂缝产生，减轻温度应力，采取以下措施对机制砂混凝土的温度进行控制：
　　（1）首选低热水泥，机制砂混凝土的小化热主要来源于水泥，水泥品种的选择是关键的。
　　（2）采用改善骨料级配，用干硬性机制砂混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少机制砂混凝土中的水泥用量；
　　（3）拌合机制砂混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低机制砂混凝土的浇筑温度；
　　（4）热天浇筑机制砂混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；
　　（5）在机制砂混凝土中埋设冷却水管，通入循环水降温；
　　（6）确定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免机制砂混凝土表面发生急剧的温度梯度；
　　（7）施工中长期暴露的机制砂混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施；
　　在施工中，除了控制好机制砂混凝土的温度外，还要注意改善机制砂混凝土的约束条件：合理地分缝分块；避免基础过大起伏；合理的安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露；此外，改善机制砂混凝土的性能，提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证机制砂混凝土的质量对防止裂缝是十分重要。
　　在机制砂混凝土的施工中，当机制砂混凝土温度高于外部温度时应适当考虑拆模时间，以免引起机制砂混凝土表面的早期裂缝，在机制砂混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引和内部会产生很大的温差，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面温差应力，与水化热应力迭加，再加上机制砂混凝土干缩，表面的拉应力也会增大，就有导致裂缝的危险，如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料，如泡沫海棉等，对于防止机制砂混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著的效果。
　　为保证机制砂混凝土工程质量，防止开裂，提高机制砂混凝土的耐久性，正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂，其主要作用为：
　　（1）机制砂混凝土中存在大量毛细孔道，水蒸发后毛细管中产生毛细管张力，使机制砂混凝土干缩变形，使用外加剂而减少机制砂混凝土的的拌和用水量。
　　（2）水灰比是影响机制砂混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可使机制砂混凝土用水量减少。
　　（3）水泥用量也是机制砂混凝土收缩率的重要因素，掺加外加剂的机制砂混凝土在保持机制砂混凝土强度的条件下可减少水泥用量。
　　（4）高效减水剂可以改善水泥浆的稠度，减少机制砂混凝土泌水，减少沉缩变形。
　　（5）提高水泥浆与骨料的粘结力，提高的机制砂混凝土抗裂性能。
　　（6）机制砂混凝土同河砂混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于机制砂混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。
　　（7）掺加外加剂可使机制砂混凝土密实性更好，可有效地提高机制砂混凝土的抗碳化性，减少碳化收缩。
　　（8）掺减水防裂剂后机制砂混凝土缓凝时间适当，在有效防止水泥迅速水化放热基础上，避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。
　　（9）掺外加剂机制砂混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，减少水分蒸发，减少干燥收缩。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能，我们在工程实践中已多次进行这方面的实验对比和研究，这比单纯的靠改善外部条件，更简捷、更经济。
　　四、机制砂混凝土的早期养护：机制砂混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。机制砂混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要，保温应达到下述要求：
　　1）防止机制砂混凝土内外温度差及机制砂混凝土表面梯度，防止表面裂缝。
　　2）防止机制砂混凝土超冷，应该尽量设法使机制砂混凝土的施工期最低温度不低于机制砂混凝土使用期的稳定温度。
　　3）防止老机制砂混凝土过冷，以减少新老机制砂混凝土间的约束。
　　4）在机制砂混凝土结构物表面加设防裂钢筋网，以约束机制砂混凝土的表面裂纹出现。
　　机制砂混凝土的早期养护，主要作重于保持适宜的温湿条件，一方面使机制砂混凝土免受湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，适宜的温湿度条件是相互关联的，机制砂混凝土的保温措施常常也有保湿的效果，从理论上分析，新浇机制砂混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟或防碍水泥的水化，表面机制砂混凝土最容易而且直接受到影响，因此机制砂混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期，在施工中应切实重视起来。
　　结束语：以上对机制砂混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨，虽然学术界对于机制砂混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论，但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一，同时在实践中的应用效果也是比较好的，具体施工中要靠我们多观察、多比较、多分析、多总结，结合多种预防处理措施，机制砂混凝土的裂缝是完全可以避免的。
　　
　　参考文献：
　　《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》
　　《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005
　　《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》JGJ52-92
　　《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119-2003
　　《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002
　　《混凝土用水标准》JGJ63-2006
　　《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000
　　《水工混凝土试验规程》DL/T5150-2001（绝热温升）