大體積混凝土裂縫成因及控制措施

陳皓

(鄭州鐵路局工程管理所,河南鄭州 450000)

大體積混凝土裂縫成因及控制措施

陳皓

(鄭州鐵路局工程管理所,河南鄭州 450000)

近年來隨著大型建筑物的構建,大體積混凝土得到廣泛應用,其在使用過程中容易出現裂縫,影響大體積混凝土結構的耐久性、適用性和安全性。本文就大體積混凝土裂縫形成的原因、防裂措施和施工注意事項進行論述,對大體積混凝土理論研究及工程實踐提供一定的參考價值。

大體積混凝土 裂縫 成因 措施

1 大體積混凝土的定義

大體積混凝土在各國具有不同的定義。國內《大體積混凝土施工規范》GB50496-2009[1]規定：混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土，稱之為大體積混凝土。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”。通過對上定義進行比較，可將大體積混凝土定義如下：需要采取措施防止由水化熱導致的裂縫混凝土，稱為大體積混凝土。

2 大體積混凝土裂縫的分類

(1)干縮裂縫。干縮裂縫多出現在混凝土養護結束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右，混凝土內外水分蒸發。外部受環境影響水分散失較快，產生較大變形，內部水分損失慢，會出現較小變形。混凝土內外不同程度的變形使混凝土表面產生拉應力，當拉應力較大時混凝土就會出現干縮裂縫。

(2)溫度裂縫。混凝土澆筑后的2-3天內混凝土彈性模量低，約束應力很低，當水化熱溫升至峰值后，混凝土溫度開始下降，在降溫階段，彈性模量增大，約束拉應力也增加，當約束拉應力超過混凝土抗拉強度便出現溫度裂縫。引起溫度裂縫主要原因是由于混凝土在澆注過程中溫度產生變化，使混凝土產生膨脹及收縮變形，在收縮階段產生裂縫。

(3)施工冷縫。在施工過程中由于外界環境、施工工藝及施工條件等原因使已澆筑混凝土在已經初凝后，進行后續混凝土繼續澆筑，使前后混凝土鏈接處出現一個軟弱的結合面，此面即為施工冷縫。

3 大體積混凝土裂縫成因

大體積混凝土裂縫形成的原因主要有四個方面：

(1)混凝土結構特性影響。混凝土在使用過程中，由于水分的散失及內部孔隙的擠密，混凝土體積縮小，即混凝土發生干縮現象；混凝土是脆性材料，其抗拉強度只有抗壓強度的十分之一，在由收縮變形引起拉應力作用下容易產生拉應力破壞。

(2)溫度應力的影響。混凝土同其它材料相同，具有熱脹冷縮效應。大體積混凝土在澆注時，因體表比較大，水化熱量不易散發，混凝土體積變化較大；由于外表面溫度低于內部溫度，產生溫度應力[2-3]，溫度應力使表面混凝土處于受拉狀態，內部混凝土處于受壓狀態，與其它影響因素一起促使混凝土產生裂縫。

(3)邊界條件的影響。混凝土不受外力作用時，能夠自由產生變形，不會因體積的膨脹或收縮產生外部拉應力和壓應力。當混凝土受到其它結構的約束作用時，混凝土在初期彈性模量低，在水化熱的作用下發生膨脹，產生較小的壓應力；當混凝土溫度開始降低時，混凝土開始收縮，由于受到其它結構的約束，不能夠自由收縮，且此時較大的彈性模量，會引起較大的拉應力，當拉應力超過當前混凝土抗拉強度時便會產生裂縫。

(4)外界環境的影響。外界環境對混凝土裂縫的影響主要表現在溫度和濕度兩個方面。適宜外界的溫度可促進水化熱的散發或降低溫度應力；濕度對混凝土干縮現象具有一定的緩和作用，合適的濕度可以降低混凝土干縮產生的裂縫。

4 大體積混凝土的裂縫控制措施

4.1 施工準備期間應注意的問題

4.1.1 基礎材料選擇

基礎材料對新拌混凝土溫度影響程度的大小順序為：粗骨料＞細骨料＞水泥[4]，可根據工程實際情況和上述關系對基礎材料選擇化分優先順序。

(1)粗骨料：選用級配良好且粒徑較大的粗骨料配制的混凝土，具有較好和易性及較高的抗壓強度，減少水泥和水的用量，減少水化熱，降低混凝土總溫升；

(2)細骨料：采用平均粒徑不小于0.5mm，含泥量不大于3%的中粗砂拌制的混凝土可減少10%左右的用水量，相應減少水泥用量，并能有效緩和混凝土收縮。

(3)水泥：為了降低水泥水化熱及體積變形，高水化熱的硅酸鹽水泥和早強水泥在大體積混凝土施工中不宜使用，對于低熱礦渣水泥，其在施工過程中產生的水化熱低，在大體積混凝土中可采用，同時也可采用中熱硅酸鹽水泥。

4.1.2 外加劑選擇

(1)減水劑。減水劑能夠在不改變混凝土和易性及水泥用量的條件下，減少拌合用水量、提高混凝土強度；或在和易性及強度不變條件下，節約水泥用量。

(2)緩凝劑。商品混凝土中摻人緩凝劑可延長水泥的水化硬化時間，使新拌混凝土能在較長時間內保持塑性，調節新拌混凝土的凝結時間。通過摻加緩凝劑，可使水化熱在混凝土凝結之前有更長時間散發，從而緩和溫度應力，同時對混凝土收縮也有一定的改善作用。

4.1.3 優化配合比設計

在大體積混凝土中摻入粉煤灰、礦渣粉、外加劑等來減少用水量和水泥用量，能有效降低混凝土內部因水化熱引起的溫升及因混凝土干縮產生的應力，同時可改變混凝土的和易性。通過對混凝土及各種外摻劑進行最優配合比設計，可使水及水泥用量最低，降低混凝土在澆注過程中產生的水化熱及在混凝土內部將出現的溫度應力，控制混凝土在后期使用過程中出現的收縮現象，同時也能夠改善混凝土結構特性，加強施工和易性。

4.1.4 工程結構處理措施

在混凝土結構中可設置合適的收縮縫，由此來削除混凝土由溫度應力及干縮等情況下產生的拉應力，能夠有效的防止大體積混凝土產生裂縫。

4.2 施工過程中應注意的問題

4.2.1 混凝土的拌制

控制混凝土的出機溫度是混凝土總溫升的一部分，降低混凝土的出機溫度可有效預防出現貫通裂縫。降低混凝土的出機溫度常用方法有兩種，一是控制原材料的溫度，如將原材料放陰涼的室外場地；二是控制攪拌時的溫度，如在攪拌時加冰或送冷風對拌合物進行降溫。

4.2.2 混凝土運輸

車輛工程作為機械行業的一個代表產業和學科，汽車的設計、生產和發展也代表了機械行業的科技能力和一個國家制造水平。汽車行業作為一個較為成熟的領域，其中的制造技術和管理技術也對其他行業有著十分重要的借鑒性和啟示性，因此了解汽車方面的專業詞匯有很強的實用意義。

大體積混凝土不應采用泵送，泵送要求混凝土本身流動度大，流動度大的混凝土水泥用量大，水化溫升高，利于裂縫的產生，對于大體積混凝土可采用吊罐吊運或其它運輸方法。

4.2.3 混凝土的澆筑

大體積混凝土澆筑過程為澆筑-振搗-浮漿清理。大體積混凝土的澆筑采用分層澆筑，澆注過程保證后澆注混凝土澆注在已澆注完成混凝土凝結前進行完畢，防止出現冷縫。混凝土振搗過程中，各施工點要保持均勻的間距；在振搗有預埋件的部位時要防止預埋件受到振搗的損壞。混凝土澆筑和振搗完成后應對混凝土表面出現的浮漿和泌水進行處理。振搗過程中應避免出現漏振、過振和欠振等不良狀況[5]。在混凝土澆注完成后，可采用“對流式內置循環降溫系統”[6]來降低大體積混凝土內部的溫度，削除混凝土因溫度應力出現開裂。

4.2.4 溫度控制

溫度測量根據實際情況可采用埋設豎直測溫管法、采用溫度傳感器結合計算機的全自動測溫方法和無線測溫方法。根據施工項目概況合理布置測溫點，布置完畢后，應及時進行測溫，及時整理和分析混凝土內部溫度數據，繪制內部溫度場，計算溫差。做好溫度控制應急方案，準備升溫和降溫措施。根據大體積混凝土工程的施工經驗，實測的混凝土內部中心溫度與混凝土表面溫度之差應被控制在25℃以內，混凝土的最佳入模溫度為10-15℃，大體積混凝土的入模溫度比該值要低，入模溫度不能超過30-35℃。在溫度控制過程中，應調節好降溫幅度和降溫速率，如果降溫幅度過大或降溫速率過快都會使得混凝土出現應力集中乃至出現裂縫，影響工程質量。

4.3 混凝土養護期間應注意的問題

4.3.1 養護方法

(1)覆膜養護。混凝土澆筑后，前期為了避免混凝土表面溫度降低過快，導致混凝土內外溫差過大，可在混凝土表面覆蓋一層塑料膜，然后鋪放一層棉被或草甸，最后再在上面加蓋一層塑料膜；拆模后繼續保溫，并在濕度為70%~80%的環境中養護適當時間。

(2)蓄水養護。當施工場地允許時，可在混凝土表面一定深度內蓄水，其深度可根據實時混凝土內外的溫差進行調整。蓄水養護具有一定的隔熱保溫效果，并可人工控制混凝土表面溫度與中心溫度以及表面溫度與外界氣溫的差值，同時此方法還可以有效的防止混凝土表面發生龜裂，經濟效益較好。

4.3.2 養護注意事項

(1)采用覆膜養護過程中，如出現遮蓋措施欠缺，致使混凝土表面泛白或出現干縮細小裂縫時，立即采取補救措施。

(2)保溫覆蓋層的拆除應分層逐步進行，當環境溫度與混凝土的表面溫度溫差小于20℃時，方可全部拆除

(3)養護狀況不佳不利于控制混凝土內外溫差，而養護過度會延長養護時間，因而大體積混凝土的養護應隨時根據測溫的數據分析結果與環境溫度進行對比進行調整。

4.4 改善邊界約束對混凝土的影響

外部約束主要決定于與混凝土接觸結構的彈性模量。彈性模量越高，對混凝土產生的約束力越大。在施工過程中，無法降低接觸原結構的彈性模量，但可通過改善混凝土與結構接觸面之間的接觸狀態降低邊界約束對混凝土的影響。混凝土和接觸結構接觸面上可鋪薄層碎石或瀝青油氈來緩和混凝土在溫度和收縮變形過程中產生的應力，其原理與設置施工縫來防止混凝土開裂方法相似。

5 大體積混凝土施工注意事項

在大體積混凝土施工控制過程中應注意以下幾點：

(1)混凝土優化配合比設計后，應根據材料特性參數對大體積混凝土溫度應力進行分析計算；

(2)對混凝土進行溫度控制時，要實時分析混凝土的內外溫差，控制混凝土的內部溫度，避免內外溫差過大；

(3)盡量降低混凝土分層澆注時的厚度；

(4)混凝土澆注完成后，抹平工作應該在初凝前完成，在混凝土終凝前應進行二次抹面，防止表面產生裂縫。

6 結語

為防止大體積混凝土在施工及使用過程中出現裂縫，根據大體積混凝土的特性，優化混凝土配合比設計，減少水泥和水的用量，降低混凝土在澆注過程中產生的總溫升；在大體積混凝土的施工過程中應從生產和養護等方面進行改善，采用分層澆筑的澆筑方法，合理振搗措施并及時清除混凝土表面出現的浮漿和泌水，保證混凝土的施工質量；將混凝土內部溫度與實時的環境溫度進行對比分析，對混凝土的養護方法進行改善。

大體積混凝土結構的裂縫對混凝土結構的安全性、適用性和耐久性[7-8]會產生較大影響，掌握大體積混凝土產生裂縫的原因以及對該問題所采取的相應施工措施，在實際生產當中就能保證施工質量，采取相應的措施，進行有效的控制，就能減少溫度裂縫的產生及發展，提高大體積混凝土的質量。

[1]中國冶金建筑協會;GB50496--2009大體積混凝土施工規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2009.

[2]吳海軍,陳艾榮.橋梁結構耐久性設計方法研究[J].中國公路學報,2004,17(3)：57-61.

[3]劉柯.大體積混凝土溫度監測及分析研究[J].建筑技術開發,2005,32(3)：85-105.

[4]楊紹斌,蘇懷平.大體積混凝土入模溫度控制研究[J].中國港灣建設,2013,187(4)：38-41.

[5]黃 聟 豐,羅華連.大體積混凝土的澆筑施工[J].廣西大學學報(自然科學版),2008(33)：58-60.

[6]張友恩.大體積混凝土表面溫度裂縫控制施工技術[J].建筑技術研究,2012(12)：54-61.

[7]劉來君,賀拴海.大跨徑橋梁施工控制溫度應力分析[J].中國公路學報,2004,17(1)：53-56.

[8]袁廣林,黃方意.大體積混凝土施工期的水化熱溫度場及溫度應力研究[J].混凝土,2005(2)：86-88.