大體積混凝土有害裂縫的控制

【摘 要】對于大體積混凝土裂縫應辯證的認識，即裂縫是不可避免的，但其有害程度是可以控制的，把裂縫控制在無害范圍內，較少無害裂縫，控制不出現、少出現有害裂縫。控制大體積混凝土有害裂縫的出現，就要求嚴格執行一些技術要求和措施。

【關鍵詞】大體積混凝土；有害裂縫 控制；技術要求和措施

1 概述

自從混凝土這種人工合成材料問世以來，混凝土建（構）筑物出現的各種裂縫現象一直困擾著全世界的土木工程師們，已經取得共識的是，混凝土建（構）筑物結構裂縫在工程實際中一般可分為荷載產生的裂縫及非荷載裂縫，統計資料顯示非荷載裂縫幾乎占混凝土建（構）筑物結構裂縫的八成左右。對荷載產生的混凝土裂縫等問題，規范對其有明確的規定和限制；而對非荷載產生的裂縫，土木工程師們還沒有完全掌握其發生、發展規律，要憑設計者和施工人員的經驗加以處理。

隨著我國經濟建設和科學技術的發展，人們生活水平的提高，以及愈來愈緊張的土地資源，高層建筑在各地迅猛發展。隨之而來的高層建筑的箱基或筏基，多是厚度較大鋼筋混凝土的底板，還常有深梁，樁基常有的厚大的承臺；大型文化體育場館、大型設備基礎，都是體積較大的混凝土工程。這類大體積混凝土結構，由外荷載引起裂縫的的可能性較小，往往可能形成非荷載裂縫。

對于大體積混凝土裂縫應辯證的認識，即裂縫是不可避免的，但其有害程度是可以控制的，把裂縫控制在無害范圍內，較少無害裂縫，控制不出現、少出現有害裂縫。

控制大體積混凝土有害裂縫的出現，就要求嚴格執行一些技術要求和措施。

2 裂縫的類型、原因及危害

混凝土裂縫分為寬度在0.05mm以下的微裂縫和0.05mm以上的宏觀裂縫兩種。

2.1 混凝土的微裂縫

混凝土由水泥、骨料、水以及存留在其中氣體組成，是一種多相非均勻的脆性材料。研究表明，當環境溫度、濕度變化及混凝土硬化時，混凝土的體積會發生變化，并使其內部產生變形，由于混凝土中各種材料某些性能的不同，這種變化是不均勻的。水泥石收縮較大，而骨料收縮較小；水泥石的熱膨脹系數較大，而骨料較小。同時，它們之間的變化不是自由的，相互之間產生約束，從而使混凝土內部產生粘著微細裂縫、水泥石微細裂縫和骨料裂縫等在加載前混凝土內部已形成一種非常細微和短小的裂縫，通常只能在顯微鏡下才能看見，一般稱之為微裂縫。圖一為混凝土微裂縫示意圖。這種微裂縫一部分發生在較大骨料和砂漿或水泥石接觸的界面上，是由于堅硬的粗骨料與具有一定塑性的水泥石之間變形性能的不協調而形成的粘結微裂縫；另一部分發生在砂漿或水泥石內部的微裂縫，主要是由于混凝土中的水和水泥在凝結和硬化過程中所形成的凝膠體，即所謂水泥石的干縮而引起的。在混凝土中水泥石的含量愈多、骨料顆粒表面愈光滑、水灰比愈大，其所形成的水泥石內微裂縫亦愈寬大。

圖1 混凝土微裂縫示意圖

大體積混凝土內微裂縫的存在和發展，會降低混凝土的抗拉強度和增大抗拉強度的離散性，同時它會促使混凝土徐變變形的發展，它的危害是不容忽視的。

2.2 材料質量影響產生的裂縫

由于材料質量不符合要求，或是不適當地使用材料，導致混凝土內部產生裂縫，具體表現為：

2.2.1 水泥質量的影響

質量不合格或存放期過長的水泥，材料的活性大為降低，使澆筑的混凝土構件表面產生不規則的裂縫。

2.2.2 砂石質量的影響

砂石級配差，砂粒太細，或是砂石中含泥量太大，在混凝土硬化、干縮后產生不規則的裂縫。

2.2.3 不適當地使用反應性骨料或風化巖

所謂反應性骨料是指非結晶（或無定形）的氧化硅、及某些碳酸鹽骨料。當混凝土處于水中或潮濕狀態時，此種反應性骨料能與水泥中堿分（K2O及Na2O）起作用，產生堿一骨料體積膨脹反應，使混凝土發生裂縫，這對于經常暴露在大氣中的結構(如橋梁等)，尤需引起重視。

對風化巖，由于其骨料本身存在裂縫，促使了混凝土裂縫的發生。

2.2.4 不適當地摻用氯鹽

如果混凝土中摻入水泥用量2%的氯化鈣(CaCl2)，澆筑鋼筋混凝土柱經兩年半后，鋼筋已經銹蝕，沿鋼筋方向的混凝土保護層產生了裂縫。

在拌制混凝土時，摻加占水泥用量1%～3%的氯化鈣(亦可用食鹽代替，但效果較差)，可以加速水泥的凝結硬化，提高混凝土的早期強度，可作為早強劑，同時能提早水泥水化放熱時間，提高混凝土的溫度，又能降低混凝土中水的冰點，因此可作冬季施工時的防凍劑。但是其最大缺點是易使鋼筋銹蝕，在鋼筋混凝土的結構中，不宜使用，如果再在混凝土中摻入水泥用量0.6%～1.0%的亞硝酸鈉(NaNO2)，亦能抑制氯離子對鋼筋的銹蝕作用，但工程造價提高了。

2.2.5 由于水泥水化過程中釋放的水化熱引起的溫度變化產生的溫度應力形成的混凝土裂縫

混凝土的水化熱是水泥在水化作用產生的，水泥硬結過程是放熱過程，水化熱的大小和放熱速度首先取決于水泥的礦物組成，其次也與水泥的細度、加水量、養護溫度有關。大部分水化熱在水泥凝結硬化的1~3d內放出（放出的熱量約為全部熱量的50%，7d內可達75%），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發，使混凝土內部的溫度升高，可是大體積混凝土內部溫度上升到500C（冬）至700C（夏）。混凝土內部的最高溫度大多發生在澆筑后的3~5天，當混凝土內部與表面溫差過大時就會產生溫度應力，當混凝土的抗拉強度不足以抵抗該溫度應力時，便產生溫度裂縫，這是大體積混凝土易產生裂縫的主要原因。

2.2.6 由于混凝土在硬化過程中的收縮而產生的收縮應力形成的混凝土裂縫

結構在硬化過程中收縮變形時，會受到一定的抑制面阻礙變形，大體積混凝土與地基澆注在一起受到下部地基的約束，混凝土易產生裂縫。

2.2.7 施工期間外界氣溫的變化對大體積混凝土產生裂縫也有重要影響

外界氣溫越高混凝土的澆筑溫度也越高，外界氣溫下降，尤其是驟降，大大增加外層混凝土的溫度梯度，產生溫差應力，造成混凝土出現裂縫。

2.3 混凝土的裂縫的危害

鋼筋混凝土構件是帶裂縫工作的，混凝土的微裂縫是肉眼不可見的，微裂縫對混凝土的的承重、防滲漏、防腐蝕等使用功能沒有危害性，混凝土各種肉眼可見裂縫的產生，都是微裂縫發展的結果。

混凝土微裂縫的存在及其容易擴展、串連和分布不均勻的性質，不僅是混凝土對受拉很敏感，它的抗拉強度很低，它的抗拉強度離散性很大；而且可以認為混凝土的各種破壞，包括受力破壞，以及因施工、材料、環境因素的破壞，都是微裂縫被拉伸后擴展、串連，以致材料失去強度，結構構件失去承載力的結果。

3 大體積混凝土有害裂縫的控制

3.1 材料選用方面

水泥選用水化熱低和安全性好的水泥，如礦渣水泥、火山灰水泥，石子、砂子的含泥量不超過1%和3%；在混凝土中加入一定數量的毛石，這樣減少水泥用量，同時毛石可吸收混凝土中一定的水化熱，這是防止大體積混凝土產生裂縫的良好措施；在混凝土中摻入少量磨細的粉煤灰和減水劑，摻加緩凝劑，推遲水化熱的峰值期，摻入適量的膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土得到補償收縮，減少混凝土的溫度應力。

3.2 選擇合理的施工方法

澆筑混凝土時分幾個薄層進行澆筑，整體分層連續澆筑或推移式連續澆筑施工是目前大體積混凝土施工中普遍采用的方法。使混凝土的水化熱盡快散發，并使澆筑后的溫度分布均勻，水平厚度可控制在0.6~2m范圍內，相鄰兩澆筑層之間的間歇時間，一般為5~7天。還可采用二次振搗的方法，增加混凝土的密實度，提高抗裂能力，使上下兩層混凝土在初凝前結合良好。全面分層、分段分層、斜面分層、斜向分層、階梯狀分層、分層連續、大斜坡薄層推移式澆筑，整體連續澆筑施工，確保結構整體性強。

科學合理的確定施工工期，不能過分強調趕工期，在不利的氣候條件下采取專門的措施，精心組織施工。根據季節的不同，分別采用降溫法和保溫法，夏季主要采用降溫法施工，在攪拌混凝土時摻入冰水，溫度控制在5~100C，在混凝土澆筑后采用冷水養護降溫，但要注意水溫和混凝土溫度之差不超過200C；冬季采用保溫法施工，利用保溫材料防止冷空氣侵襲。

3.3 改善約束條件

設置永久伸縮縫或將超長的結構分成若干段，減少約束與被約束之間的互相制約，以期釋放大部分變形減小約束力；設置后澆帶或跳倉方法將大體積混凝土分成若干段，有效減少溫度收縮應力，同時也有利于散熱，降低混凝土的內部溫度，跳倉接縫處的應力一般較大，應通過計算確定配筋量，并要加強構造處理；在墊層混凝土上，先鋪一層低強度水泥砂漿，以降低新舊混凝土之間的約束力。

3.4 改善板的配筋

分層澆筑混凝土時，為保證每個澆筑層上下均有溫度筋，可見溫度筋作適當調整，溫度筋宜細而密，以便抵抗裂縫。

3.5 利用混凝土的后期強度

由于大體積混凝土承受的設計荷載要在較長時間之后才施加其上，對結構的剛度和強度進行復算并取得設計和質檢部門的認可后，可采用f45、f60、f90替代f28作為混凝土的設計強度，這樣可以使混凝土的水泥用量減少40~70kg/m3左右，混凝土的水化熱溫升可減少4~70C。

4 CCTV新址主樓基礎底板施工技術

CCTV新址主樓基礎底板南北長292.7m，東西寬219.7 m。混凝土總量約12萬立方米，強度等級為C40，抗滲等級P8，采用60d后期強度評定。底板由后澆帶分為16個區塊（如圖二），施工期正值嚴冬，日平均氣溫低于-50C。

4.1 混凝土原材料選擇

水泥：P. O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粗細骨料：粗估料選用5~25mm連續級配碎石，細骨料選用2.5以上中砂。

摻合料：Ⅰ級粉煤灰，不摻加其它摻合料。

外加劑：高效緩凝型減水劑。

4.2 混凝土配合比

經過系列配合比強度試驗、膨脹劑專項試驗、減水劑專項試驗、綜合考慮強度、抗滲、耐久性及工作性能等多種因素，結合專家評審會結論，確定底板混凝土基準配合比見表一

4.3 測溫與養護

混凝土測溫采用智能電腦測溫技術，與混凝土澆筑同步進行。混凝土養護采用“保濕軟管+塑料布+草簾被”的方法，草簾被覆蓋層數根據底板厚度、養護期間環境溫度、底板混凝土內外溫差等情況調整。進入冬季后，由于天氣惡劣，為防止風雪，還要在草簾被外覆蓋一層帆布，在混凝土表面形成雙層不透風保濕。

4.4 實施效果

所有底板均未出現裂縫，厚度2.5m以下的底板內部最高溫度440C；10.9 m厚混凝土內部最高溫度610C；由于溫控及養護措施有效，全部底板溫差均小于200 C；混凝土標準養護試塊28d強度均大于42MPa， 同條件試塊28d強度均大于45MPa，標準養護60d強度均大于50MPa， 同條件試塊60d強度均大于52MPa，抗滲試塊加壓至0.9 MPa均未滲漏。

5 結束語

大體積混凝土有害裂縫的控制，可以選擇的技術措施包括設計、施工、材料三個方面：設計上合理選擇混凝土建（構）筑物的結構形式，降低結構可能受到的約束應力，采用中低級強度混凝土，盡量利用混凝土后期強度（60d或90d）；在材料上盡量優選有利于抗拉性能的混凝土級配、優選水膠比、減少塌落度、增加骨料顆粒，降低含泥量及雜質量，選用影響收縮和水化熱較小的外加劑和摻合料；在施工中采取保溫保濕的養護技術，控制混凝土的溫差和降溫速度，做好施工組織設計和施工技術方案，加強組織協調管理和崗前培訓，嚴格執行《大體積混凝土施工規范》。

參考文獻

[1].王鐵夢編，工程結構裂縫控制.北京. [M]中國建筑工業出版社.

[2].徐榮年 徐欣磊編 工程結構裂縫控制-“王鐵夢法”應用實例（第二集）.北京. [M]中國建筑工業出版社.

[3].江見鯨等編，建筑工程事故分析與處理. 北京. [M]中國建筑工業出版社.

[4].GB50496-2009.大體積混凝土施工規范.

作者簡介：

游小勇，男，1965年6月出生，現在河北工程大學基建處工作，郵政編碼：056038，工程師，大學本科，從事基建管理工作。