淺析大體積混凝土的裂縫產生原因與預防措施

摘要：本文淺顯的分析了在大體積混凝土施工過程中裂縫產生的主要原因及施工中應采取的預防和控制措施。

關鍵詞：大體積混凝土 裂縫 防止裂縫措施

當今社會建筑領域中時常涉及到大體積混凝土施工，如跨河、跨海大橋、特大橋承臺橋墩下部結構、高層樓房基礎、大型設備基礎、水利大壩等。大體積混凝土一般特點為結構厚實，混凝土量大，工程條件復雜，施工技術要求高，水泥水化熱較大（預計超過25度）。大體積混凝土無統一定義，日本建筑學會標準（JASS5）規定：“結構斷面最小厚度在80cm以上，同時水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界氣溫之差預計超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”；美國混凝土學會（ACI）規定：“任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂”。這就提出了大體積混凝土開裂的問題。大體積混凝土產生裂縫在現今的工程建設中具有相當的普遍性。裂縫危害極大，一旦形成、發展，它會降低結構的強度和耐久性，當裂縫過大時還能危害到建筑物的安全使用，因此混凝土裂縫不容忽視。

大體積混凝土內出現的裂縫一般按深度進行劃分，分別為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫。它們三者之間的關系是貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發展為深層裂縫，最終形成貫穿裂縫。貫穿裂縫危害性極大，它切斷了結構，換而言之就是破壞了結構的整體性和穩定性，降低結構的承載能力，若不采取加固措施易發生坍塌等安全質量事故，危機人民和國家的生命財產；而深層裂縫則是部分地切斷了結構，較之貫穿裂縫的危害性小但也有一定危害性；表面裂縫一般危害性較小。我們應該盡早在表面裂縫時發現并采取補強措施，盡量減小危害的發生。

不過結構物不是出現裂縫就影響結構安全，大多數的結構物裂縫都有一個最大允許值。在混凝土結構設計規范（GB50010-2002）中規定鋼筋混凝土結構環境類別一級裂縫控制等級三級要求Wlim≤0.3(0.4)mm，環境類別二三級裂縫控制等級三級要求Wlim≤0.2mm；預應力混凝土結構環境類別一級裂縫控制等級三級要求Wlim≤0.2mm。

1 大體積混凝土裂縫產生原因

一是由自重、車輛、施工機具、人員、地震等荷載引起的裂縫，該裂縫稱之為結構型裂縫。二是由溫度應力和混凝土的收縮引起而非受力變形引起的裂縫，稱為材料型裂縫。下面淺顯的分析一下材料型裂縫。

1.1 水泥水化熱

混凝土內部和外部的溫差過大會產生裂縫。溫差裂縫的主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發生此類裂縫。

大體積混凝土內外溫差過大若不采取降溫措施肯定會產生裂縫。大體積混凝土結構為了保證結構的整體性、連續性，一般都要求一次性整體澆筑完畢。澆筑后，混凝土中的水泥因水化而引起水化熱，由于混凝土體積大，混凝土表面與大氣接觸，環境溫度低因而散熱較快，而大體積混凝土內部的水泥因水化而引起的水化熱被封死在混凝土內部不容易散發，混凝土內部溫度隨著水化熱的進行將顯著升高，進而內外形成了較大的溫度差。在該溫差的影響下，內部混凝土膨脹使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力。此時的混凝土齡期很短，抗拉強度很低。當水化熱溫差產生的表面抗拉應力超過混凝土極限抗拉強度，就會將混凝土的表面拉裂產生裂縫。這種裂縫產生在混凝土澆筑后的升溫階段(澆筑后的第3~5天)。

1.2 收縮裂縫

收縮有很多種，包括干燥收縮、塑性收縮、自身收縮等等。

當混凝土進入降溫階段，因逐漸降溫即冷卻而產生收縮，于此同時混凝土也正在硬化，由于混凝土內部膠質體的膠凝及自由水的蒸發和水化等作用，促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮具有整體收縮的趨勢，但由于受到結構本身的約束，也會產生很大的拉應力，當拉應力大于結構約束提供的抵抗應力時就會出現收縮裂縫。

自身收縮不是由于水向外蒸發散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降，產生所謂的自干燥作用。

塑性收縮是指混凝土的泌水減少，表面不斷蒸發的水分不能及時得到補充，這時混凝土因缺少水分無法自行恢復尚處于塑性狀態，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現分布不均勻的裂縫，出現裂縫以后，混凝土體內的水分蒸發進一步加大，于是裂縫進一步擴展。

2 大體積混凝土施工及防止裂縫措施

2.1 從混凝土材料選用著手降低混凝土裂縫發生概率

采用低水化熱水泥。因為大體積混凝土的溫差主要是由水化熱產生的，采用早期水化熱低的水泥，能降低水化熱，進而消弱因水泥水化熱因數影響使混凝土產生裂縫。一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥。

摻入粉煤灰能一定程度上減少水泥用量，降低水化熱并提高和易性。因水泥用量減少也就較未加粉煤灰混凝土降低了混凝土因溫差過大而引起的熱脹；另外粉煤灰的顆粒較細，可以在混凝土中分散得更加均勻，進而改善了混凝土的和易性；粉煤灰還可以改善混凝土內部的孔結構，使混凝土中總的孔隙率降低，使硬化后的混凝土更加致密，相應收縮值也減少。

盡量擴大粗骨料的粒徑、用級配良好的中砂和中粗砂，減少混凝土的用水量和水泥用量，控制砂子的含泥量，降低水化熱。于此同時，在混凝土中加入減水劑降低水泥用量和摻入緩凝劑延緩放熱高峰等外加劑，有利于防止混凝土裂縫的產生。

2.2 施工過程控制

大體積混凝土的澆筑，應根據整體連續澆筑的要求，結合結構尺寸的大小、鋼筋疏密、混凝土供應條件等具體情況，選用以下三種方法：①全面分層。即將整個結構澆筑層分為數層澆筑，當已澆筑的下層混凝土尚未凝結時，即開始澆筑第二層，如此逐層進行，直至澆筑完成。這種方法適用于結構平面尺寸不太大的工程。一般長方形底板宜從短邊開始，沿長邊推進澆筑；亦可從中間向兩端或從兩端向中間同時進行澆筑。②分段（塊）分層。適用于厚度較薄而面積或長度較大的工程。施工時從底層一端開始澆筑混凝土，進行到一定距離后澆筑第二層，如此依次向前澆筑其它各層。③斜面分層：適用于結構的長度超過厚度三倍的工程，振搗工作應從澆筑層的底層開始，逐漸上移，以保證分層混凝土之間的施工質量。

灌筑混凝土時間一般安排在夜間進行，夜間溫度低這樣可以降低混凝土的初始凝固溫度。若灌注混凝土安排在白天施工，混凝土用的沙、石料堆場應搭設簡易遮陽棚或用濕麻袋遮蓋，室外溫度過高還要向骨料噴灑冷水。泵送混凝土時，向泵管噴灑冷水。

2.3 澆筑完成后控制

大體積混凝土澆注完畢后，應及時灑水養護以保持混凝土表面經常濕潤。按實際經驗混凝土澆注完畢后8～10h內開始養護，持續養護時間不應少于28d或達到設計要求齡期。大體積混凝土在高溫季節施工時，在大體積混凝土內部人工埋設冷卻管道，采取向冷卻管道通入循環冷水來降低混凝土溫度，但應注意，通水時間不應過長，通水時間過長會因降溫幅度過大而產生較大的溫度應力，影響混凝土的使用壽命。