淺談大體積混凝土裂縫成因與控制

郭珖

（廈門中林建設(shè)工程有限公司，福建 廈門361009）

一、大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因

1水泥水化熱的影響

水泥在水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的熱量，這是大體積混凝土內(nèi)部溫升的主要熱量來源，試驗證明每克普通硅酸鹽水泥放出的熱量可達(dá)500J。由于大體積混凝土截面厚度大，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散發(fā)，所以會引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部急劇升溫。混凝土結(jié)構(gòu)的厚度越大，水泥用量越多，水泥早期強(qiáng)度越高，混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部升溫越快。大體積混凝土測溫試驗研究表明，水泥水化熱在1～3d內(nèi)放出的熱量最多，大約占釋放出總熱量的50%；混凝土澆筑后的3～5d內(nèi)，混凝土內(nèi)部的溫度最高。每m3混凝土中水泥用量，每增減10kg其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降1℃，所以，對于普通混凝土控制在每m3混凝土水泥用量不超過400kg。

隨著混凝土齡期的增長，其彈性模量和強(qiáng)度不斷提高，對混凝土降溫收縮變形的約束也越來越強(qiáng)，產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗此溫度應(yīng)力時，便容易產(chǎn)生溫度裂縫。

2內(nèi)外約束條件的影響

各種混凝土結(jié)構(gòu)在變形中，必然受到一定的約束，從而阻礙其自由變形，約束又分為內(nèi)約束和外約束。

通常大體積混凝土與地基澆筑在一起，當(dāng)溫度變化時受到下部地基的限制，因而產(chǎn)生外部的約束應(yīng)力。混凝土在早期溫度上升時，產(chǎn)生的膨脹變形受到約束面的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)力，此時混凝土的彈性模量很小，徐變和應(yīng)力松弛均較大，混凝土與基層連接不太牢固，因而壓應(yīng)力較小。但當(dāng)溫度下降時，則產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，若超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土將會出現(xiàn)垂直裂縫。

由于結(jié)構(gòu)不可能受到全約束，加之混凝土還有徐變變形，所以溫差在25℃～30℃情況下，也可能不產(chǎn)生裂縫。由此可見，降低混凝土的內(nèi)外溫差和改善其約束條件，是防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施。

3外界氣溫變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫變化對防止大體積混凝土開裂有很大影響。混凝土內(nèi)部溫度由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也越高；如果外界氣溫下降，會增加混凝土的溫度梯度，特別是氣溫驟然下降，會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫差，因而會造成過大的溫度應(yīng)力，易使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。大體積混凝土由于厚度大，不易散熱，其內(nèi)部溫度在有的工程中可高達(dá)85℃，而且持續(xù)時間較長。溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形所造成的，溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。因此，采取合理的溫度控制措施，控制混凝土表面溫度與外界氣溫的溫差，是防止混凝土產(chǎn)生裂縫的另一個重要措施。

4混凝土收縮變形的影響

混凝土收縮變形的影響，主要包括塑性收縮變形和體積變形兩個方面。

①混凝土的塑性收縮變形

在混凝土硬化之前，混凝土處于塑性狀態(tài)，如果上部混凝土的均勻沉降受到限制，如遇到鋼筋、大的混凝土骨料或者平面面積較大的混凝土，其水平方向的減縮比垂直方向更難時，就容易形成一些不規(guī)則的混凝土塑性收縮性裂縫。這種裂縫通常是互相平行的，間距一般為0.2～1.0m，并且有一定的深度，它不僅可以發(fā)生在大體積的混凝土中，而且可以發(fā)生在平面尺寸較大、厚度較薄的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

②混凝土的體積變形

混凝土在水泥水化過程中要產(chǎn)生一定的體積變形，但多數(shù)是收縮變形，少數(shù)為膨脹變形。摻入混凝土中的水逐漸蒸發(fā)，隨著混凝土的不斷干燥而使吸附水溢出，就會出現(xiàn)干縮變形。除上述干燥收縮外，混凝土還會產(chǎn)生碳化收縮變形。即空氣中的二氧化碳與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣和水，這些結(jié)合水會因蒸發(fā)而使混凝土產(chǎn)生收縮變形。

二、大體積混凝土裂縫控制的技術(shù)措施

大體積混凝土的裂縫，絕大多數(shù)是由溫度的原因產(chǎn)生的，因此防止產(chǎn)生溫度裂縫是大體積混凝土施工的關(guān)鍵。為了防止其產(chǎn)生溫度裂縫，除在施工前需要進(jìn)行認(rèn)真的溫度計算外，還要做到在施工過程中采取一系列有效的技術(shù)措施，如控制混凝土溫升、延緩混凝土降溫速率、減少混凝土收縮變形、提高混凝土極限抗拉應(yīng)力值、改善混凝土約束條件、完善構(gòu)造設(shè)計和加強(qiáng)施工中的溫度監(jiān)測等。

1選用中、低熱水泥品種

強(qiáng)度等級為42.5MPa的礦渣硅酸鹽水泥，其3d的水化熱為180kJ/kg；強(qiáng)度等級為42.5MPa的普通硅酸鹽水泥，其3d的水化熱為250kJ/kg；強(qiáng)度等級為42.5MPa的火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，其3d的水化熱僅為同強(qiáng)度等級普通硅酸鹽水泥的60%。

2.摻加外加劑和外摻料

①摻加外加劑

大體積混凝土中摻加的外加劑主要是木質(zhì)素磺酸鈣（即木鈣）。在泵送混凝土中摻入水泥質(zhì)量的0.2%～0.3%，它不僅能使混凝土的和易性有明顯的改善，而且可減少10%左右的拌和水，混凝土28d的強(qiáng)度可提高10%～20%；若不減少拌和水，坍落度可提高10cm左右；若保持強(qiáng)度不變，可節(jié)省水泥10%，從而降低水化熱。

②摻加外摻料

在混凝土中摻入一定量的粉煤灰取代水泥，除了粉煤灰本身的火山灰活性作用，生成硅酸鹽凝膠，作為膠凝材料的一部分起提高耐久性作用外，還可以起到顯著改善混凝土和易性，滿足混凝土的可泵送，降低混凝土水化熱的效能。

3.優(yōu)選骨料

大體積混凝土中組成混凝土的砂石料約占混凝土總質(zhì)量的85%，所以正確選用砂石料對保證混凝土質(zhì)量十分重要。

①粗骨料的選擇

宜優(yōu)先選擇自然連續(xù)級配的粗骨料，有其配制的混凝土，具有較好的和易性、較少的用水量、節(jié)約水泥用量、較高的抗壓強(qiáng)度等優(yōu)點。經(jīng)驗證明采用5～40mm石子比采用5～20mm石子，每m3混凝土可減少用水量15kg左右，在相同水灰比的情況下，水泥用量可節(jié)約20kg，混凝土溫升可降低2℃。但是，骨料粒徑增大后，容易引起混凝土的離析，影響混凝土的質(zhì)量。

②細(xì)骨料的選擇

以采用優(yōu)質(zhì)的中粗砂為宜，細(xì)度模數(shù)宜在2.6～2.9范圍內(nèi)，這樣可以降低混凝土的溫升和減少混凝土的收縮。

泵送混凝土的輸送管道形式很多，如果混凝土中的砂漿量不足，很容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，所以，可適當(dāng)提高砂率，但若砂率過大，又將對混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。因此，在滿足混凝土可泵性的前提下，盡可能選用較小的砂率。

③骨料的質(zhì)量要求

石子的含泥量不得大于1%，砂的含泥量不得大于2%。

4.控制混凝土出機(jī)和澆筑溫度

①控制混凝土的出機(jī)溫度

降低混凝土的出機(jī)溫度，其最有效的辦法就是降低砂石的溫度。降低砂石溫度的方法很多，如在砂石堆料場搭設(shè)簡易的遮陽裝置，砂石溫度可降低3℃～5℃；還有在拌和前用冷水沖洗粗骨料，在儲料倉中通冷風(fēng)預(yù)冷，再加上冰屑拌和等方法。