大體積混凝土裂縫的成因及控制

周撥云，王繼偉，牛 彬

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，山西太原 030021；2.河北電力建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司工程部，河北石家莊 050001；3.河北送變電工程有限公司，河北石家莊 050001）

大體積混凝土指的是最小斷面尺寸大于1 m，其尺寸已經(jīng)大到必須采用相應(yīng)的技術(shù)措施妥善處理溫度差值，合理解決溫度應(yīng)力并控制裂縫開展的混凝土結(jié)構(gòu)。為了使大體積混凝土不出現(xiàn)裂縫，通過對其原因進行分析，從設(shè)計階段入手，在施工階段抓住“人、材、機、環(huán)、法”等幾個重點環(huán)節(jié)，采取一些特殊措施，使混凝土的質(zhì)量滿足設(shè)計要求［1－7］。

1 工程簡介

某火力發(fā)電廠2×660 MW 工程鍋爐基礎(chǔ)為鋼筋砼筏板式結(jié)構(gòu)，筏板為長方體形狀，長L＝53.3 m，寬B＝49m，高H＝3.0m，是典型的大體積混凝土工程。而作為火力發(fā)電廠核心的鍋爐基礎(chǔ)工程始終是業(yè)主、安裝單位各方面共同關(guān)注的焦點。

1.1 混凝土強度

混凝土強度為C30，混凝土澆筑總方量為7 528m3。

1.2 工程特點

1）鍋爐基礎(chǔ)底板鋼筋自重大，分布密集，對鋼筋綁扎、混凝土澆筑增加了困難，設(shè)計用滿堂紅鋼架支撐結(jié)構(gòu)保證施工安全和方便。

2）鍋爐基礎(chǔ)底板混凝土體積大，需按大體積混凝土施工工藝進行施工。其施工工藝要求高，螺栓、套管和埋件數(shù)量多，精度要求高等許多因素使控制難度加大。尤其是混凝土裂縫的控制更是至關(guān)重要。除滿足一般混凝土施工要求外，還須采用技術(shù)措施以確保混凝土澆灌的連續(xù)性，控制溫差、防止裂縫。

2 大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

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(chǎn)生較大的溫度變化，由此形成的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的主要原因。一方面是大體積混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是結(jié)構(gòu)的外約束和大體積混凝土各質(zhì)點間的約束阻止這種應(yīng)變。一旦溫度應(yīng)力超過大體積混凝土能承受的抗拉強度，就會產(chǎn)生裂縫。

3 大體積混凝土裂縫的控制措施

3.1 設(shè)計措施

1）大體積混凝土的強度等級宜在C20～C35范圍內(nèi)選用。設(shè)計強度過高，水泥用量過大，必然造成混凝土水化熱過高，混凝土塊體內(nèi)部溫度高，混凝土內(nèi)外溫差超過30℃，溫度應(yīng)力容易超過混凝土的抗拉強度，產(chǎn)生開裂。采用C20～C35的混凝土，避免設(shè)計上"強度越高越好"的錯誤概念。考慮到建設(shè)周期長的特點，在保證有足夠強度、滿足使用要求的前提下，可以利用混凝土60d或90d的后期強度，這樣可以減少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土澆筑塊體的溫度升高。

2）在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值，因為保護層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。

3）為滿足混凝土設(shè)計強度、抗?jié)B性、耐久性等要求及施工和易性的需要，應(yīng)進行混凝土施工配合比優(yōu)選試驗。混凝土施工配合比選擇應(yīng)經(jīng)綜合分析比較，合理地降低水泥用量。該工程全部使用攪拌站集中配置混凝土，采用泵送工藝澆筑施工。根據(jù)施工技術(shù)要求，混凝土出機時坍落度在200mm 以上，澆筑現(xiàn)場實測170～180 mm，流動性良好，很好地滿足了泵送工藝要求。

4）大體積混凝土基礎(chǔ)除應(yīng)滿足承載力和構(gòu)造要求外，還應(yīng)增配承受水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力及控制裂縫開展的鋼筋，以構(gòu)造鋼筋來控制裂縫，配筋應(yīng)盡可能采用小直徑、小間距。

3.2 人員措施

管理人員、施工人員、后勤人員等晝夜排班，堅守崗位，各負(fù)其責(zé)，保證混凝土的連續(xù)澆灌。

3.3 機械配備

采用4輛罐車和2臺泵車泵送混凝土，并采用兩班制，確保混凝土澆灌的連續(xù)性。泵車布置及混凝土澆筑順序應(yīng)事先經(jīng)過周密布置。

3.4 原材料的選擇

精選混凝土原材料、優(yōu)化混凝土的配合比的目的是使混凝土具有較大的抗裂能力，即要求混凝土的絕熱溫升較小，抗拉強度較大，極限拉伸變形較大，線膨脹系數(shù)較小。

1）大體積混凝土中水泥的品種及用量

大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。在大體積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。在本工程中，使用的是低水化熱的復(fù)合硅酸鹽水泥。

2）摻加外加料和外加劑

外加劑選擇應(yīng)根據(jù)混凝土性能要求、施工需要，并結(jié)合工程選定的混凝土原材料進行適應(yīng)性試驗，經(jīng)可靠性論證和技術(shù)經(jīng)濟比較后，選擇合適的外加劑種類和摻量。本工程采用“雙摻”工藝，摻入粉煤灰和緩凝減水劑，減少水泥用量，配制溶液時應(yīng)稱量準(zhǔn)確，并攪拌均勻。

3）大體積混凝土的骨料控制

在骨料的選擇上應(yīng)該選取粒徑大、強度高、級配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小混凝土裂縫的開展。

4）砂

細(xì)度模數(shù)為M＝3.0的中粗砂，含泥量2.8%，級配良好，不允許含有黏土團粒。

5）石子

為配合泵送，石子采用5～25mm 的卵石，含泥量小于1%，針片狀小于15%。

3.5 施工方法措施

混凝土澆筑前，保證倉內(nèi)無雜物，模板、鋼筋、預(yù)埋件符合規(guī)范要求，并做好驗收自檢工作。

1）注意事項

混凝土澆筑過程中，嚴(yán)禁在倉內(nèi)加水。應(yīng)避免外來水進入倉內(nèi)，嚴(yán)禁在模板上開孔趕水，帶走灰漿；應(yīng)隨時清除粘附在模板、鋼筋和預(yù)埋件表面的砂漿。澆筑時，應(yīng)派專人觀察模板、支架、鋼筋、插筋的情況，防止模板位移、變形，確保混凝土的施工質(zhì)量，做到內(nèi)實外光。

2）混凝土澆筑方法

此次混凝土澆筑總方量為7 528m3，分為4個區(qū)進行澆筑，其中2個大區(qū)分別為2 300m3，2個小區(qū)分別為1 464m3。采用的澆筑方法：大面積分層澆搗方法，分層厚度為0.5m。澆筑順序：先澆筑小區(qū)，再澆筑對角的大區(qū)，然后再澆筑小區(qū)，再澆筑最后一個大區(qū)。這樣澆筑是因為剛開始澆筑時鋼筋支撐在小區(qū)受力較為有利。當(dāng)這2個區(qū)澆筑完成后，整個面積的鋼筋支撐就越來越安全了，可以滿足在澆筑第2層混凝土?xí)r第1層混凝土沒有達到初凝的狀態(tài)。

3）計算

單個泵車澆筑速度為40 m3／h，共2 個泵車。大區(qū)面積為730m3，小區(qū)面積為525m3，每層分層厚度定為δ＝50cm。大區(qū)澆筑1層的時間為730×0.5／（40×2）≈4.6h＜6h。小區(qū)澆筑1 層的時間為525×0.5／（40×2）≈3.3h＜6h。

4）振搗

振搗采用插入式振搗器，要做到“快插慢拔”，掌握好振搗時間，插點要均勻排列，插點間距和振搗時間應(yīng)按施工規(guī)范要求執(zhí)行。混凝土撐柱、止水、施工過程中拋置的塊石等周圍和預(yù)埋件下面應(yīng)加強振搗，同時進行二次復(fù)振，且振搗上層混凝土?xí)r振動棒插入下層已澆筑混凝土表面50mm 以上，以利于散熱和保持混凝土的整體性及密實性，減少混凝土內(nèi)部微裂縫。經(jīng)測試加強振搗后混凝土試塊3d抗壓強度可達到80%。

4 優(yōu)化大體積混凝土澆筑施工工藝

4.1 混凝土澆筑速度控制

由于混凝土初凝時間較長，又是2個泵車同時澆筑，如果澆筑速度過快，混凝土的升溫速度就快，而混凝土強度上升較慢，則會對模板造成過大的側(cè)壓力，所以一定要控制混凝土澆筑速度，使其不能過快。根據(jù)實際情況，規(guī)定如下澆筑速度，澆筑開始時速度為80m3／h；澆筑中后期速度為40m3／h（1個泵車）；澆筑結(jié)束時速度為25m3／h。實踐證明，這樣的澆筑速度和澆筑方法滿足了在澆筑第2層混凝土?xí)r第1層混凝土沒有達到初凝的狀態(tài)，并對模板沒有造成過大的側(cè)壓力。混凝土澆筑至設(shè)計標(biāo)高后應(yīng)用刮桿刮平，用木抹子將表面搓平，及時排走表面的泌水，在混凝土初凝前應(yīng)復(fù)查頂標(biāo)高，若收縮量大，應(yīng)補澆混凝土。在初凝前用鐵抹子抹壓2遍，以閉合表面裂縫。如混凝土表面浮漿過多時，應(yīng)在混凝土表層灑5～8mm 的碎石，用木抹子拍入表層漿內(nèi)。

4.2 布置冷卻管

在澆筑前預(yù)先在混凝土模內(nèi)按1.0 m 層距布設(shè)降溫冷卻水管，待每層循環(huán)水管被混凝土覆蓋后進行該層水管通水，使混凝土內(nèi)部溫度降低。埋設(shè)測溫管，及時觀察和掌握混凝土內(nèi)外溫差，以便采取相應(yīng)的措施防止溫度裂縫。

4.3 混凝土的冬季養(yǎng)護

混凝土的冬季養(yǎng)護主要是為了保證混凝土的表面溫度。為確保大體積混凝土的質(zhì)量，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護，主要通過覆蓋塑料布、草袋及棉被的方法。通過在混凝土上方搭蓋保溫棚，以及表面蓄水、噴灑養(yǎng)護液形成保濕膜或直接灑水養(yǎng)護等，降低混凝土內(nèi)外溫差，慢降溫，發(fā)揮徐變特性，減少溫度應(yīng)力。混凝土終凝后，在其基礎(chǔ)表面及模板側(cè)面覆蓋草袋及棉被保溫。采取長時間的養(yǎng)護，規(guī)定合理的拆模時間，延緩降溫的時間和速度。拆模時間不可過早，以避免混凝土基礎(chǔ)側(cè)面溫度變化過快，如果溫度降落梯度過陡，而此時混凝土的強度較低，極限抗拉伸強度較小，容易形成溫度裂縫。所以，施工中應(yīng)注意拆模時間的合理選擇。

4.4 大體積混凝土基礎(chǔ)拆模

大體積混凝土基礎(chǔ)拆模，除應(yīng)滿足混凝土結(jié)構(gòu)強度要求外，還考慮溫度裂縫的可能性，且混凝土中心溫度與表面溫度之差應(yīng)小于20 ℃方可拆除模板和保溫層。混凝土拆模后，應(yīng)檢查其外觀質(zhì)量。有混凝土裂縫、蜂窩、麻面和模板走樣等質(zhì)量問題或事故時應(yīng)及時檢查和處理。對混凝土強度或內(nèi)部質(zhì)量有懷疑時，可采取無損檢測法（如回彈法、超聲回彈綜合法等）或鉆孔取芯、壓水試驗等進行檢查。

4.5 溫控監(jiān)測措施

1）大體積混凝土施工應(yīng)建立和健全溫控管理和保證體系，并根據(jù)工程規(guī)模和質(zhì)量控制及管理的需要，配備相應(yīng)的技術(shù)人員和必要的檢驗、試驗設(shè)備，建立健全必要的技術(shù)管理與溫控制度。

2）在混凝土澆筑過程中應(yīng)進行混凝土澆筑溫度的監(jiān)測。安排專人測定混凝土入倉溫度、坍落度，并留置規(guī)定的試壓塊組數(shù)。采用電子測溫法，在混凝土內(nèi)埋設(shè)5組電子測溫線進行測溫，控制混凝土的內(nèi)外溫差在20 ℃以內(nèi)，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差小于10℃時停止測溫。在養(yǎng)護期間，定人、定時測定混凝土溫度，在混凝土澆筑后的前3d每2h測1次溫度，4～7d每4h測1次，以后每8h測1次，同時測大氣溫度，做好溫度記錄。

4.6 熱工計算

砼施工配合比詳見表1。

表1 砼施工配合比Fig.1 Mix proportion of concrete（kg·m－3）

砂、石含水率分別為4%，2%。砼拌制時，大氣平均溫度為－5 ℃，水泥平均溫度為5 ℃，砂平均溫度為3 ℃，石子平均溫度為0 ℃，攪拌機溫度為5℃，水溫為60℃，砼運轉(zhuǎn)次數(shù)為1次，砼運輸至成型時間為0.5h，灌車運輸，兩輛泵車泵入模板。

砼拌合物溫度：

其中：T0為混凝土拌合物溫度，℃；mw，mce，msa，mg為水、水泥、砂、石用量，kg；Tw，Tce，Tsa，Tg為水、水泥、砂、石的溫度，℃；wsa，wg為砂、石的含水率，%；c1，c2為水的比熱容，kJ／（kg·K）及溶解熱，kJ／kg。

當(dāng)骨料溫度＞0 ℃時，c1＝4.2，c2＝0；當(dāng)骨料溫度≤0℃時，c1＝2.1，c2＝335。經(jīng)計算得T0＝14.8℃。

混凝土拌合物的出機溫度可按下式計算：

式中：T1為砼拌合物出機溫度，℃；Ti為攪拌機內(nèi)溫度，℃。經(jīng)計算得T1為13.2 ℃。

混凝土拌合物經(jīng)運輸?shù)綕仓r的溫度：

式中：T2為混凝土拌合物經(jīng)運輸?shù)綕仓r的溫度，℃；Tt為混凝土拌合物的轉(zhuǎn)運次數(shù)；Ta為混凝土拌合物運輸時的環(huán)境溫差；α為溫度損失系數(shù)，h－1，取α＝0.25。

經(jīng)計算得T2＝11.7 ℃，符合冬季施工混凝土拌合物入模溫度要求。

4.7 對測溫結(jié)果的分析

混凝土表面溫度在第3天升至最高63℃，混凝土下部溫度在第4天升至最高71℃，混凝土中部溫度 在第5 天 升 至 最 高64 ℃。從 第4 天、第5 天 開始，混凝土本體溫度逐漸下降，趨于穩(wěn)定。表面溫度和內(nèi)部溫度最大溫差值達到20 ℃，小于規(guī)定的25 ℃。

4.8 其他措施

根據(jù)外界氣溫情況，除進行混凝土澆筑溫度的監(jiān)測外，還應(yīng)采取下列措施。

1）氣溫低時骨料采取加溫措施，控制混凝土的入模溫度。

2）混凝土澆筑時間隨季節(jié)不同，采取的保溫措施也應(yīng)有所區(qū)別。本工程處于開春季節(jié)，氣溫還比較低，混凝土表面應(yīng)加強保溫措施，以提高混凝土外部溫度，降低混凝土內(nèi)外溫差。

3）現(xiàn)場保溫棚設(shè)置中，整個鍋爐基礎(chǔ)用彩條布圍護，保證基座四周及頂部封堵嚴(yán)實、無縫隙，通道處設(shè)一活動門簾。彩條布圍護應(yīng)設(shè)專用架子，盡量和現(xiàn)有汽機架子分離。架子上設(shè)走道，用腳手板鋪好，以便人員行走方便。

4）棚內(nèi)溫度控制中，在棚內(nèi)四周梁側(cè)高度每隔0.5m 上下雙層各設(shè)碘鎢燈1個，確保澆筑前棚內(nèi)溫度不低于5℃，并在基座12.5m 層梁底四周設(shè)若干個碘鎢燈。一方面隔離了外界冷空氣對棚內(nèi)空氣的影響，一方面將棚內(nèi)溫度盡量保持在恒溫狀態(tài)。

5 結(jié) 語

雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是經(jīng)過以上方法的運用，堅持預(yù)防為主，采用溫控施工技術(shù)，并在施工中多觀察、多比較，出現(xiàn)問題后多分析、多總結(jié)，大體積混凝土的裂縫問題是完全可以控制和避免的。

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