高層建筑基礎中大體積混凝土施工裂縫的預控措施

曹 涯

（中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司，廣西 南寧 530007）

高層建筑基礎中大體積混凝土施工裂縫的預控措施

曹 涯

（中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司，廣西 南寧 530007）

對大體積混凝土的概念、特點及施工裂縫原因較為詳細的分析，提出了控制和防止裂縫的一些有效措施,為大體積混凝土施工總結經驗，對工程技術管理人員有一定的借鑒作用。

高層建筑；大體積混凝土；裂縫；預控措施

隨著科學技術的不斷進步，物質文明的極大提高及建筑施工技術水平的日臻成熟完善，同時，也因土地資源日漸減少與人口增長之間日益突出的矛盾，高層建筑也越來越多。而高層建筑基礎中大體積混凝土施工裂縫的出現對工程結構存在極大的安全隱患，故迫切解決的問題就是如何控制大體積混凝土的施工裂縫。

（一）大體積混凝土的概念、特點及裂縫原因

大體積混凝土是指厚度大于或等于1.5m，長、寬較大，施工時水化熱引起混凝土內的最高溫度與外界溫度之差不低于25℃的混凝土結構。大體積鋼筋混凝土結構多為工業建筑中的設備基礎及高層建筑中厚大的樁基承臺、箱形基礎、地下室底板和結構轉換層等。

大體積混凝土的特點是混凝土澆筑面和澆筑量大，整體性要求高，往往不允許留施工縫，要求一次連續澆筑完畢。另外，澆筑后水泥的水化熱量大且聚集在構件內部，形成較大的內外溫差，易造成混凝土表面產生收縮裂縫等。

其特征是結構厚實，混凝土量大，工程條件復雜，施工技術要求高；水泥水化熱使結構產生溫度和收縮變形；應采取相應的措施，盡可能減少溫度變形引起的開裂。

大體積混凝土施工裂縫在高層建筑底板基礎中經常可以見到，經驗及檢測證實了大體積混凝土和鋼筋混凝土結構中存在著肉眼不可見的裂縫。也就是說沒有裂縫的混凝土幾乎沒有。因此，施工中預控方法是相當重要的。常見裂縫主要有以下三種類型：1.粘著裂縫。指鋼筋與水泥石粘接面上的裂縫，主要沿鋼筋周圍出現；2.水泥石裂縫。指水泥漿中的裂縫，主要出現在鋼筋與鋼筋之間；3.鋼筋骨料裂縫。指鋼筋或者骨料等本身的裂縫。

這三種裂縫比較，前兩種較多，大體積混凝土的裂縫主要指前兩種，它們的存在對于大體積混凝土的基本物理力學性質如彈塑性、各種強度、變形、泊松比、結構剛度、化學反應等有著重要的影響。大體積混凝土裂縫產生的原因可按其構造理論加以解釋，即把混凝土看做是由鋼筋、水泥石、氣體、水份等組成的非均質材料，在溫度、濕度和其他條件變化下，混凝土逐步硬化，同時產生體積變形，這種變形是不均勻的，水泥石收縮較大，鋼筋收縮很小，水泥石熱膨脹系數較大，鋼筋熱膨脹系數較小，他們之間的相互變形引起約束應力。在構造理論中提出了一種簡單的計算模型，即假定圓形鋼筋不變形且均勻分布于均質彈性水泥石中，當水泥石產生收縮時引起內應力，這種應力可引起粘著微裂縫和水泥石裂縫，混凝土的裂縫肉眼是看不見的，肉眼可見裂縫范圍一般以0.05mm為界。大于等于0.05mm的裂縫稱為宏觀裂縫，它是裂縫擴展的結果，也是對工程結構危害最大的裂縫。

造成大體積混凝土施工裂縫的根本原因是混凝土的內外溫差。溫度影響有施工期的升溫和降溫兩個過程，從而產生溫差內應力的作用。由于水泥砂漿與鋼筋熱膨脹系數的不同，在升溫過程中溫度荷載作用下水泥砂漿與鋼筋所形成的界面首先產生損傷，并隨溫度增加而發展。當溫度降低時即產生混凝土的收縮而出現施工裂縫。

（二）大體積混凝土裂縫產生的主要影響因素

大體積混凝土溫度在凝結硬化過程中，水泥進行水化反應會產生大量的水化熱。強度增長初期，屬于升溫階段，水化熱產生越來越多，蓄積在大體積基礎混凝土內部，熱量不易散失，致使內部混凝土溫度越來越多，由于大體積基礎外部散熱條件要好一些，其溫度上升較內部混凝土而言要緩慢一些，從而在內外混凝土之間形成溫差，此溫差導致內外混凝土變形程度不一致，內部混凝土受壓，外部混凝土受拉，由于混凝土抗壓強度遠遠高于抗拉強度，故當溫差超過一定程度后，就易拉裂外表混凝土，即在混凝土表面形成裂縫。

當混凝土內部溫升達到最高值后，溫度就開始下降，此階段屬于降溫階段。降溫階段，混凝土體積開始收縮，但其收縮又受到基巖或混凝土墊層的約束，從而在混凝土塊體內產生拉應力。一旦拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，便在基礎底部產生裂縫，若溫度應力繼續增大，裂縫向上延伸，直至貫穿裂縫。就將嚴重破壞結構的整體性，對于基礎的承載能力和安全極為不利，在工程施工中必須避免。

大體積混凝土由于截面大，水泥用量大，水泥水化釋放的水化熱會產生較大的溫度變化，由此形成的溫度應力是導致產生裂縫的主要原因。這種裂縫可分為兩種：

1.內外溫差引起的裂縫

（1）內外溫差引起的拉伸裂縫

大體積混凝土澆筑初期，水泥水化產生大量水化熱，使大體積混凝土的溫度很快上升。但由于大體積混凝土表面散熱條件較好，熱量可以向大氣中散發，因而溫度上升較少；而大體積混凝土內部由于散熱條件較差，熱量散發少，因而溫度上升較多，內外形成溫度梯度，形成內外約束。

（2）內外溫差引起的收縮裂縫

大體積混凝土澆筑后數日，水泥水化熱基本上已釋放，大體積混凝土從最高溫逐漸降溫，降溫的結果引起大體積混凝土收縮，再加上由于大體積混凝土中多余水份蒸發、碳化等引起的體積收縮變形，受到地基和結構邊界條件的約束（外約束），不能自由變形，導致產生溫度應力（拉應力），當該溫度應力超過大體積混凝土抗拉強度時，則從約束面開始向上開裂形成溫度裂縫。如果該溫度應力足夠大，嚴重時可能產生貫穿裂縫。

大體積混凝土施工階段產生的溫度裂縫，是其內部矛盾發展的結果。一方面是大體積混凝土由于內外溫差產生應力和應變，另一方面是結構的外約束和大體積混凝土各質點間的約束（內約束）阻止這種應變。一旦溫度應力超過大體積混凝土能承受的抗拉強度，就會產生裂縫。此大體積混凝土溫度應力的大小取決于水泥、水化熱、拌合澆筑溫度、大氣溫度、收縮變形及當量溫度等因素，同時它與大體積混凝土的降溫散熱條件和升降溫速密切相關的，而大體積混凝土抗拉強度的提高與大體積混凝土本身材料性能有關，此外還與施工方案及配筋等因素有關。

2.水泥水化熱作用產生的裂縫

水泥在水化過程中要產生一定的熱量，是大體積混凝土內部熱量的主要來源。由于大體積混凝土截面厚度大，水化熱聚集在結構內部不易散失，所以會引起急驟升溫。水泥水化熱引起的絕熱溫升，與混凝土單位體積內的水泥用量和水泥品種有關，并隨混凝土的齡期按指數關系增長，一般在10d左右達到最終絕熱溫升，但由于結構自然散熱，實際上混凝土內部的最高溫度，大多發生在混凝土澆筑后的3～5d。

外界氣溫變化。大體積混凝土結構施工期間，外界氣溫的變化對大體積混凝土開裂有重大影響。大體積混凝土的內部溫度是澆筑溫度（即大體積混凝土的入模溫度，它是大體積混凝工水化熱溫升的基礎，可以預見，大體積混凝土的入模溫度越高，它的熱峰值也必然越高。工程實踐中在高溫季節澆筑常采用鋼筋預冷，加冰拌和等措施來降低澆筑溫度，控制大體積混凝土最高溫升，原因在此）。水化熱的絕熱溫升和結構散熱降溫等各種溫度的疊加之和。

（三）大體積混凝土的施工方案

大體積混凝土結構的施工方案，可分為全面分層、分段分層和斜面分層三種方案。

1.全面分層（圖1a）。在整個結構內全面分層澆筑混凝土，要做到第一層全部澆筑完畢，在初凝前再回來澆筑第二層，如此逐層進行，直到澆筑完成。采用此方案，結構平面尺寸不宜過大，施工時從短邊開始，沿長邊進行。必要時亦可從中間向兩端或從兩端向中間同時進行。

2.分段分層（圖1b）。混凝土從底層開始澆筑，進行一定距離后回來澆筑第二層，如此依次向前澆筑以上各層。每段的長度可根據混凝土澆筑到末端后，下層末端的混凝土還未初凝來確定。分段分層澆筑方案適用于厚度不太大而面積或長度較大的結構。

3.斜面分層（圖1c）。適用于結構的長度超過厚度3倍的情況，斜面坡度為1：3，施工時混凝土的振搗工作應從澆筑層下端開始，逐漸上移，以保證混凝土施工質量。

圖1 大體積混凝土澆筑方案

（四）大體積混凝土裂縫預控措施

1.防治溫度的措施

溫度應力是產生溫度裂縫的根本原因，一般將溫差控制在25℃范圍內，不會產生溫度裂縫。工程施工可采用以下措施來控制內外溫差。

（1）選用水化熱較低的水泥，如礦渣水泥、火山灰質水泥或粉煤灰水泥；

（2）在保證混凝土強度的條件下，盡量降低每立方米混凝土的用水量和水泥用量；

（3）為了減少水泥用量，提高混凝土的和易性，可在混凝土中摻入適量的礦物摻量，如粉煤灰等，也可采用減水劑；

（4）粗骨料宜選用粒徑較大的卵石，應盡量降低砂石的含泥量以減少混凝土的收縮量；

（5）盡量降低混凝土的入模溫度，可在砂、石堆場、運輸設備上搭設簡易遮陽裝置或覆蓋草包等隔熱材料，采用低溫水或冰水拌制混凝土；

（6）盡量延長混凝土的澆筑時間，以便在澆筑過程中盡量多地釋放出水化熱。可在混凝土中摻加緩凝劑，盡量減薄澆筑層厚度等；

（7）對表層混凝土做好保溫措施，以減少表層混凝土熱量的散失，降低內外溫差；

（8）必要時可在混凝土內部埋設冷卻水管，利用循環水來降低混凝土溫度；

（9）從混凝土表層到內部設置若干個溫度觀測點，加強觀測，一旦出現溫差過大的情況，便于及時處理；

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養護，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質量對防止裂縫十分重要，應特別注意避免產生貫穿裂縫，出現后要恢復其結構的整體性十分困難，因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。

2.施工措施

由于混凝土攪拌運輸時間過長、澆筑速度過快、振搗不實、施工縫做法不當、模板走動等原因形成的施工裂縫。加強施工管理，嚴格按照《混凝土施工規范》施工，把好混凝土拌制、運輸、澆筑、振搗、養護等施工過程關，注意成品保護及重視施工技術的應用，而設置施工縫是關鍵。對已出現這類裂縫的構件處理，可按裂縫所在的部位以及裂縫嚴重的程度，分別采用一般混凝土裂縫補強措施或采用充填混凝土材料、鋼錨栓加固、粘鋼板加固、預應力加固等補救措施。

3.施工技術綜合措施

通過采取合理研配混凝土配合比、斜面分層一次澆筑施工方法、澆筑混凝土后的收頭處理措施、混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養護等措施以及測溫控制。此外，在施工期間設置作為臨時伸縮縫的“后澆帶”，將結構分成若干段，以有效削減溫度收縮應力。待所澆筑的混凝土經一段時間的養護干縮后，再在后澆帶中澆筑補償收縮混凝土，使分塊的混凝土連成一個整體。因此，選擇表面貯水熱保溫保濕養護、斜面分層澆筑方案、設置后澆帶等綜合的施工技術措施，對控制大體積混凝土的施工裂縫也是非常有效的。

（五）結束語

實踐證明，大體積混凝土產生的施工裂縫，多數是表面裂縫，其主要原因是溫度變化引起內外溫差。因此，大體積混凝土的養護對防止表面早期裂縫尤其重要；再次重視施工過程的控制，施工前認真周密地編制大體積混凝土的專項施工方案，嚴格控制內外溫差。只有如此，才能有效地控制大體積混凝土的施工裂縫。

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TU757.1

A

1008-1151(2011)04-0098-02

2011-01-26

曹涯（1975－），廣西柳州人，中鐵四院集團南寧勘察設計院工程師，研究方向為工程設計與施工。