大体积混凝土温度裂缝成因机理研究

李俊

摘 要：大体积混凝土由于水化热引起的温度应力容易产生温度裂缝，温度裂缝对混凝土整体性以及耐久性等影响很大，严重的裂缝直接决定了混凝土能否正常使用。混凝土温度裂缝一般形成于混凝土早期，研究混凝土温度裂缝产生机理具有一定实际意义。论文从大体积混凝土断裂损坏机理、应力作用下温度裂缝成因机理、大体积混凝土温度裂缝扩展规律三个层面对大体积混凝土温度裂缝产生机理进行深入探讨。

关键词：大体积混凝土；温度裂缝；水化热；断裂损坏

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.095

1 基本概念

1.1 大体积混凝土概念

何為大体积混凝土，各学术界定义尚无统一。日本建筑学会是这样定义的：结构断面最小尺寸在80cm以上，水化热引起的混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土[1]。

体积的大小不是衡量大体积混凝土的最主要指标，主要衡量指标是水化热的多少以及水化热的散发难易。大体积混凝土最主要的特征就是容易形成温度应力产生温度裂缝。所以，仅仅用混凝土的尺寸大小来定义大体积是不够科学的，毕竟大体积混凝土研究意义是采取施工等措施降低温度收缩裂缝。当然，用混凝土构件水化热的最高温度与环境温度之间的温差来对大体积混凝土做定义也是不够准确的，因为温差产生温度应力能够导致温度裂缝还取决于混凝土的外界约束作用。混凝土受外界的约束很大时，混凝土的允许温差就越小，反之就越大。

1.2 裂缝的概念

裂缝指的是固体材料中的某种不连续的状态，学术上把它归为结构材料的强度理论领域。大量的混凝土微观研究以及工程实践都表明，裂缝是一种不可避免的材料特征。现在各国规范对对裂缝的控制范围和要求不尽相同，混凝土构建绝对无裂缝是做不到的。我国规范对不同介质情况下，不同环境下的混凝土构件裂缝的规定也是不同的。从这个角度来说，对于一定程度的裂缝在我国的规范设计上是允许的。对于裂缝各国针对本国的特点要求也不一样，这表明了混凝土的裂缝是绝对的，无裂缝则是相对的。只要把裂缝程度控制在规范允许的范围内，就基本保证了混凝土构件的无裂缝状态[2]。

2 大体积混凝土断裂损坏机理分析

2.1 大体积混凝土水化温度变化过程

大体积混凝土原材料水泥在水化过程产生大量的水化热导致混凝土内部温度激增，引起热胀效应，但是由于受到模板等外界的约束而形成压应力。相反，在混凝土的冷却中引起混凝土的收缩，就会导致混凝土表面拉应力的出现。混凝土的膨胀与收缩是虽然是两个相反的过程，但是混凝土的后期弹性模量大于早期的弹性模量，所以这两个过程产生相反效应并不会抵消，这就形成了大体积混凝土的温度裂缝。

大量的实验表明，混凝土浇筑完成后温度变化大致可分为三个明显阶段，见图1所示[3]。

如图1可知，混凝土浇筑完成，温度有三个明显变化阶段，A、B、C。热源期为阶段A，此时混凝土不断放热，内部温度不断增加；到B阶段为热源结束期，热量逐渐散去，混凝土内部温度不断降低；当温度下降到一定程度，基本趋于稳定，也就到达C阶段稳定期。

2.2 大体积混凝土断裂损坏

目前，国内外这方面的科研人员普遍认同：混凝土出现断裂损坏是因为混凝土在浇筑过程、养护过程中不可避免会出现气孔，混凝土原材料也或多或少存在一定的缺陷，在内外部的影响因素下，这些共同的缺陷的联合作用势必导致混凝土的断裂损坏。此外，混凝土不同骨料结合的边界处是断裂的薄弱点，在温度的作用下很容易相互断开形成表面缝隙，这些缝隙逐渐发展成微观裂缝。如果不采取有效措施，在温度不断的影响下这些微观裂缝逐步变大，发展为宏观裂缝。如果继续下去，由于宏观裂缝的存在降低了混凝土的抗拉性能，在原来没有开裂的部位又会产生新的微观裂缝，这些下裂缝又形成新的宏观裂缝[4]。如此下去，最终将导致构件的断裂损坏。可以这样认为，混凝土的开裂就是一个逐步断裂损坏的过程，由于缺陷导致混凝土损伤，损伤导致裂缝，裂纹导致断裂。

混凝土的断裂损坏原理跟混凝土所受荷载形式关系不大，不管构件是受压、受拉还是剪扭，引起混凝土的断裂机理是类似的。举例说明下，如果混凝土在拉力作用下则断裂方向一般与拉应力方向垂直；反之，若构件为压应力下断裂方向一般与压应力方向平行；在剪切应力或者弯扭应力作用下，断裂方向一般沿着剪切应力方向。混凝土裂纹的出现首先会在受力最大处，甚至有时候只会在受力最大处出现裂纹，因为受力最大处的开裂可能会对相邻处受力较小处产生卸载作用，从而抑制混凝土的发展。

混凝土是由水泥与粗细骨料等组成的胶合物，水泥在水化过程中要产生大量的水化热，这就必然导致了混凝土在施工、养护过程中要经过升温和冷却两个过程。水泥石和骨料的膨胀系数不同，在升温的过程中不均匀的膨胀势必会在水泥与骨料边界处产生损伤，在温度的不断作用下，这种损伤外在化，表现为裂纹，达到一定程度后边界裂纹会想骨料或者水泥石中扩展。在冷却的过程中，原来的边界裂缝在冷却应力下继续扩展，由裂纹或者微观裂缝变成宏观裂缝，这就很大程度上造成了混凝土构件的断裂损坏。要知道，这种断裂损坏事不可逆的，不仅在冷却过程中原有的裂纹不会恢复，甚至会产生新的裂纹。

3 应力作用下的温度裂缝成因机理分析

大体积混凝土水化过程中产生大量的水化热是引起其温度裂缝的主要原因。查阅相关资料可以得知，石子等骨料的热膨胀系数大约为0.70×10-5/℃，而水泥石的热膨胀系数约为骨料膨胀系数的两倍。正是因为两者的热膨胀系数差别很大，所以在两者接触面产生了温度的作用，这种作用大于两者的粘结力时，便会把两者拉开，即产生裂缝。

研究混凝土的温度作用在骨料、水泥浆间的应力作用，不妨假定水泥在外面包裹了石子等骨料。可以用平面应力来简化研究，简化的模型如图2。

这里假设骨料及外围的水泥浆都为圆形，且骨料的半径为R，用代表骨料的膨胀系数，代表骨料的弹性模量。用代水泥石的膨胀系数，代表水泥石的弹性模量。则在温度变化的过程中，骨料与水泥石产生应力，根据径向变形协调可以得到： 其中：为水泥石温度作用下的径向位移；

为水泥石温度作用下的界面径向位移；

为骨料温度作用下的径向位移

为骨料温度作用下的界面径向位移

用弹性厚壁薄筒热力学模型解答可得到：

其中：界面温度作用的法向应力；

为骨料、水泥石的泊松比。

将方程（2）、（3）、（4）、（5）代入方程（1）中可得到：

从方程（6）不难看出，骨料与水泥石界面形成的法向应力大小与混凝土的龄期和温差正相关，由弹性力学可以得到下面方程：

其中：为骨料中心到水泥石中任一点的距离。

从以上三个方程可以得出，骨料与水泥石的界面处应力最大。在混凝土放热时，骨料中会形成径向压力；在混凝土降温过程中，水泥石中形成径向和环向拉力。骨料与水泥石的交接面处最薄弱，所以在放热与降温的过程中形成的拉应力大于界面的粘结力，就这导致界面裂缝的产生[5]。

4 大体积混凝土温度裂缝扩展规律

4.1 混凝土水化放热时裂纹扩展规律

前文已经介绍温度变化引起骨料和水泥石的膨胀不均匀变化，便会在其交界面形成裂缝。为了研究裂缝在温度不断升高的过程中扩展规律，可采用断裂力学来对这个问题进行分析。简化的裂缝终端应力强度可以用以下方程表示：

其中：

为裂缝尖端处的斜率且

对于简化的裂缝，可以得知：

可得到的表达式：

将方程（12）、（14）代入可得：

根据轻度因子与能量释放之间的相互关系可以得到能量释放率的表达式：

裂缝断裂稳定机理是：

这里的K为裂缝阻力曲线，根据相关研究资料K的表达式为：

其中：为初始缝隙的长度

为断裂常数，可根据实验确定。

将方程（18）、（19）代入方程（17）進行整理得到：

从以上的表达式可以看出，在水泥水化放热的过程中会导致骨料和水泥石界面的开裂，随着水化放热温度不断升高裂缝不断发展，就引起在温度升高过程中的累计损伤效应。

4.2 混凝土冷却时裂纹扩展规律

在混凝土降温冷却中也会在骨料与水泥石界面产生最大的拉力作用，此时的最大压应力表达式为：

根据简化的模型图，可得到裂缝的应力强度表达式：

应力强度与应变能释放关系可以得到能量释放率的表达式：

裂缝断裂稳定机理是：

为实验得到的阻力曲线，水泥石裂缝阻力曲线表达式为：

其中：为开始的微观裂纹长度

为断裂常数

将方程（23）、（25）代入方程（24）进行整理得到：

以上的表达式可以看出，水泥水化热是导致骨料和水泥石界面的根本原因，裂缝的大小与温度成正比。

5 结论

大体积混凝土温度裂缝的形成和扩展受温差和混凝土的龄期制约；在水泥水化放热的过程中会导致骨料和水泥石界面的开裂，随着水化放热温度不断升高裂缝不断发展，就引起在温度升高过程中的累计损伤效应；大体积混凝土水化热导致裂缝的产生，在升温的过程中裂缝不断的出现与扩大，这就必然会引起大体积混凝土构件的损伤，当损伤达到一定程度后裂缝的宽度不断变大，由微观变为宏观，将造成构件的失稳扩展。

参考文献：

[1]刘宁，吕泰仁.随机有限元及其工程应用[J].力学进展，2014，27（05）：463-468.

[2]李继业，王仲发等.大体积硅结构防止产生裂缝的措施[J].山东农业大学学报，2015，28（0l）：51-55.

[3]归树茂.大体积混凝土基础内部温度的变化规律及对策研究[J].建筑技术，2013，27（02）：18-19.

[4]吴胜兴.混凝土结构温度应力与温度裂缝控制研究田[D].武汉：武汉理工大学博士学位论文，2004.

[5]M N Haque. Properties of high-strength concrete using a fine fly ash[J].Cement and Concrete Research， 2012（28）： 1445-1452.