大體積混凝土結構裂縫產生的原因及控制措施

顏清波

（永州市冷水灘區水利局 永州市 425000）

水利工程大體積混凝土指的是最小斷面尺寸大于1 m以上的混凝土結構，與普通鋼筋混凝土相比，具有結構厚，體形大、混凝土數量多、工程條件復雜和施工技術要求高的特點。

1 裂縫產生的原因

水利工程大體積混凝土結構裂縫產生的原因是多方面的，主要是溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性、以及結構不合理、原材料不合格、模板變形、基礎不均勻沉降等。

（1）水泥水化熱的影響。

混凝土硬化期間，水泥水化過程中放出大量的熱量，水泥的水化熱隨齡期的增長而增長，大部分發生在3 d齡期之前，3 d一般可以放出228 J/g左右的熱量，7 d可以放出261 J/g左右的熱量，如果以水泥用量350 kg/m3來計算，每m3混凝土將放出91 350 kJ的熱量，從而使混凝土內部溫度升高（可達70℃左右，甚至更高）。尤其對于大體積混凝土來講，這種現象更加嚴重。因為混凝土內部和表面的散熱條件不同，混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產生裂縫。

（2）混凝土收縮的影響。

混凝土凝結初期或硬化過程中出現的體積縮小現象稱為混凝土收縮。一般分為塑性收縮（又稱沉縮），化學收縮（又稱自身收縮），干燥收縮及碳化收縮。混凝土在不受外力的情況下的這種自發變形，受到外部約束時（支承條件、鋼筋等）將在混凝土中產生拉應力，使得混凝土開裂。

（3）外界氣溫濕度變化的影響。

水利工程大體積混凝土結構在施工期間，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產生起著很大的影響。混凝土內部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結構的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應力，極其容易引發混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，許多混凝土的內部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發生劇烈變化。如養護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。

（4）其他因素的影響。

建筑物由于結構地基土質不勻、松軟，或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降會產生沉陷裂縫，這種裂縫會隨著基礎沉降而不斷的增大，待地基下沉穩定后，將不會變化。

混凝土配合比不良會造成混凝土塑性沉降裂縫，一般是混凝土配合比中，粗骨料級配不連續、數量不夠，砂率及水灰比不當所造成的裂縫。

由于模板剛度不足，模板支撐間距過大或支撐底部松動等導致混凝土結構產生裂縫，特別是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產生不均勻沉降，致使混凝土結構產生裂縫。

堿骨料反應裂縫和鋼筋銹蝕引起的裂縫是鋼筋混凝土結構中最常見的由于化學反應而引起的裂縫。混凝土拌和后會產生一些堿性離子，這些離子與某些活性骨料產生化學反應并吸收周圍環境中的水而體積增大，造成混凝土酥松、膨脹開裂。這種裂縫一般出現在混凝土結構使用期間，一旦出現很難補救。

2 裂縫的控制措施

（1）合理選擇原材料，優化混凝土配合比。

選擇混凝土原材料，優化混凝土配合比的目的是使混凝土具有較強的抗裂能力，具體來說，就是要求混凝土的絕熱溫升較小，抗拉強度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強比較小，自生體積變形最好是微膨脹，至少是低收縮。

理論研究表明大體積混凝土產生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。因此在大體積混凝土施工中應盡量使用低熱或者中熱的礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥，并盡量降低混凝土中的水泥用量，以降低混凝土的溫升，提高混凝土硬化后的體積穩定性。為保證減少水泥用量后混凝土的強度和坍落度不受損失，可適度增加活性細摻料替代水泥；選用適宜的骨料，施工中根據現場條件盡量選用粒徑較大，級配良好的粗骨料，最大粒徑越大，骨料的空隙率和表面積越小，混凝土的水泥漿及水泥用量就越小；選用中粗砂，改善混凝土的和易性，并充分利用混凝土的后期強度，減少用水量；嚴格控制砂石骨料的含泥量，在保證混凝土強度及流動條件下，盡量節省水泥，降低混凝土絕熱溫升。

精心設計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設計準則，生產出高強、高韌性、中彈、低熱和高極拉值的抗裂混凝土。

（2）合理進行溫度控制。

對于大體積混凝土的溫度控制，主要考慮3個特征值:入模溫度、最高溫度及養護溫度。

入模溫度控制。混凝土的入模溫度取決于各種原材料的初始溫度，在溫度較高的情況下進行施工，可以在施工現場對堆在露天的砂石用布覆蓋，以減少陽光對其的輻射，同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。盡量選擇較低氣溫時段澆筑混凝土，在混凝土運輸工具上覆蓋麻袋，并經常噴灑冷水降溫，以降低混凝土的入模溫度；摻加相應的緩凝型減水劑；在混凝土入模時，還可以采取強制通風措施，加速模內熱量的散發。在冬季進行施工，因為要防止早期混凝土被凍問題，所以要求混凝土澆筑時應該具有較高的澆筑溫度。在澆筑混凝土以前還應該對基礎及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱，對原材料應視氣溫高低進行加熱。

最高溫度控制。采用薄層澆筑以增加散熱面，并適當延長間歇時間；在高溫季節，在混凝土內部預埋蛇形冷卻水管，利用冷卻水管內流通的制冷水帶走大體積混凝土內部積聚的水泥水化熱，削減澆筑層水化熱溫升，已采用預冷措施時，則可采用厚塊澆筑，防止因氣溫過高而熱量倒流，以保持預冷效果。

養護溫度控制。大體積混凝土的裂縫，特別是表面裂縫，主要是由于混凝土中產生了溫度梯度。在混凝土澆筑之后，做好混凝土的保溫保濕養護，以使混凝土緩緩降溫，充分發揮其徐變特性，減低溫度應力。夏季應堅決避免曝曬，注意保濕；冬季應采取措施保溫覆蓋，以免發生急劇的溫度梯度變化；采取長時間的養護，確定合理的拆模時間，以延緩降溫速度，延長降溫時間，充分發揮混凝土的“應力松弛效應”；混凝土內外溫差應控制在25℃以內，基面溫差和基底面溫差均控制在20℃以內，并及時調整保溫及養護措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不致過大，以有效控制有害裂縫的出現；常用的保溫材料有模板、草袋、濕砂、鋸末等，保溫材料不僅要放置在混凝土的表面，還要注意結構物四周的保溫，保溫時間不少于28 d。

（3）采用分層、分段、分縫澆筑。

大體積混凝土澆筑方案應根據整體連續性澆筑的要求，結構物的整體大小，鋼筋疏密，混凝土運輸供應條件等具體情況確定。一是分面、分層澆筑，做到第一層全面澆筑完畢后，在第一層混凝土還未初凝時再開始澆筑第二層，如此逐層進行，直至澆筑完成。這種施工方案適用于結構物厚度和體積大的工程，澆筑時宜從結構物的短邊開始，沿長邊推進。二是分段、分層澆筑，混凝土澆筑時，先從底層開始，澆筑至一定距離后澆筑第二層，如此依次向前澆筑其他各層。由于總的層數較多，所以澆筑到頂后，第一層末端的混凝土還未初凝，又可以從第二段依次分層澆筑。這種方案適用于單位時間內要求供應的混凝土較少，不象第一種方案那樣集中。這種方案適用于結構物厚度不太大而面積或長度較大的工程。三是斜面分層，要求斜面的坡度不大于1/3，適用于結構的長度大大超過厚度3倍的情況。混凝土從澆筑層下端開始，逐漸上移。

（4）采用先進的施工工藝。

在加強混凝土質量控制的同時，應積極推廣新技術、新材料和新工藝的應用，還要在施工過程中針對施工現場情況，周圍環境，天氣氣溫及變化情況，精心安排混凝土一天時間中最有利的施工時間，并總結應用降溫和保濕方法，從材料質量、施工技術，環境等方面采取措施，綜合治理，控制大體積混凝土裂縫，使結構工程、經濟、合理、安全、實用、可靠。

（5）合理組織施工。

在施工過程中精心安排混凝土施工時間，在高溫季節施工時，混凝土澆筑時間盡量安排在16時至翌日上午10時前進行，以減少混凝土溫度回升。新舊混凝土澆筑間隔時間為（5～7）d，相鄰澆筑壩塊高差控制在8 m以內。