大體積混凝土常見裂縫分析及預防控制措施

劉 印 （上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

0 前 言

按照《大體積混凝土規范》（GB50496-2009），大體積混凝土是指最小幾何尺寸大于1 m 以上的混凝土結構。與普通鋼筋混凝土相比,具有體積大、結構厚、混凝土量大、工程條件復雜和施工技術要求高等特點。

隨著我國建筑業的快速發展，大體積混凝土在工程中的應用也日益增多，比如水利水電工程中的混凝土大壩、高層建筑的地下室混凝土底板以及許多大型設備的基礎承臺等均采用大體積混凝土澆筑而成。由于大體積混凝土結構斷面尺寸大，混凝土澆筑后，水泥水化產生大量的水化熱，內部溫度急劇上升，與混凝土表面及周圍環境形成較大溫差，在一定約束條件下產生相當大的拉應力，當拉應力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土就可能產生裂縫。裂縫一旦形成，特別是重要的結構部位出現貫穿裂縫，危害極大，不僅會降低結構的耐久性，削弱構件的承載力，同時還可能危害到構造物的安全使用。因此，有必要對大體積混凝土裂縫產生的原因及預防措施進行分析研究。

1 裂縫的類型及原因

形成混凝土裂縫的因素有很多，由于受到不同因素的影響會形成不同的裂縫，混凝土裂縫按其成因大體可分為兩類：收縮裂縫；溫度裂縫。收縮是混凝土的固有特性，收縮裂縫又可細分為塑性收縮裂縫、塑性沉降裂縫、自生收縮裂縫以及干燥收縮裂縫等。

1.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮是新拌混凝土由于表面水分蒸發引起的收縮。新拌混凝土顆粒之間的空間完全充滿水,當遇上高風速、低相對濕度、高氣溫和高溫度的混凝土時，漿體表面水分不斷蒸發，這時產生毛細管負壓力，即基質吸力。隨著蒸發的繼續發展,毛細管負壓逐漸增大,產生收縮力,使漿體收縮,當收縮力大于基體的抗拉強度時,混凝土表面發生開裂。 塑性收縮裂縫常見于新澆筑的暴露于空氣中的混凝土構件表面，尤其是大塊板面，如道路、地坪和樓板等，以夏季施工最為普遍。

氣溫、相對濕度與風速等環境條件影響水分蒸發量，因而對混凝土塑性收縮有重大影響，其中尤以相對濕度的影響最為主要。在具體工程實踐中，建議新拌混凝土的蒸發速度如接近1kg/m2·hr 時，就應采取預防措施以對付塑性收縮開裂的可能性， 如果是水灰比低于0.4 的混凝土， 蒸發速度應控制在0.5kg/m2·hr 以下。此外，影響混凝土塑性收縮還包括水灰比、細摻料、漿骨比、混凝土的溫度和凝結時間等內部因素。

1.2 塑性沉降裂縫

在新拌混凝土中，由于骨料的重量密度大于水泥漿體，所以骨料在漿體中有下沉趨勢。當垂直下沉的固體顆粒遇到水平設置的鋼筋或緊固螺栓等埋設件，或受到側面模板的摩擦阻力時，就會受到阻攔并與周圍的混凝土形成沉降差，結果在混凝土頂部表面處產生塑性沉降裂縫。此外，如果同時澆筑梁、板或柱(墻)的混凝土，由于這些構件的深度不同，有著不同的沉降，從而在這些構件交接面處形成沉降差并產生塑性沉降裂縫。塑性沉降裂縫與混凝土的坍落度有關，坍落度愈大沉降開裂的可能性愈大。在接近表面的水平鋼筋上方最容易形成沉降裂縫，并隨鋼筋直徑加粗和保護層減薄而趨于嚴重。

1.3 自生收縮裂縫

在已硬化的水泥漿體中，未水化的水泥繼續水化是產生自生收縮的主要原因。水化使孔隙尺寸減小并消耗水分，如無外界水分補給，就會引起毛細水負壓使硬化水化產物受壓產生體積變化即自生收縮。自生收縮主要發生在混凝土硬化的早期，一般認為混凝土在開始凝結后的幾天或十幾天內即可完成自生收縮。影響混凝土自生收縮裂縫的因素主要有：水灰比、水泥類型、水泥礦物組分、礦物摻合料、高效減水劑和水泥細度等。水灰比越低，自生收縮越大；摻加粒化高爐礦渣及硅粉更能加大自生收縮；水泥細度增加，早期自收縮值明顯增加。為了控制自生收縮，需要在混凝土硬化一開始就加水養護。防止塑性干縮的一些措施大都有利于改善和控制自生收縮。

1.4 干燥收縮裂縫

干燥收縮裂縫是指混凝土硬化過程中，由水分不斷蒸發干燥而引起的裂縫。混凝土干燥收縮主要由水泥石的干燥收縮造成。混凝土的干燥收縮由外向內、由表及里逐漸發展,過程非常緩慢,即使達到28d 齡期也不能說已經終止，有的工程可以持續若干年甚至幾十年。干縮裂縫一般產生在表層,裂縫細微,寬度通常在0.05mm～0.2mm 之間，縱橫交錯呈龜裂狀,常常不為人們所重視,但是干縮裂縫會加快混凝土碳化,導致鋼筋銹蝕,不僅會嚴重損害薄壁結構的抗滲性和耐久性,對大體積混凝土而言,表面裂縫會發展成為更嚴重的裂縫,影響結構的耐久性和承載能力。

影響混凝土干燥收縮的因素主要有水泥品種和用量、骨料品種和用量、用水量、外加劑、粉煤灰等火山灰質摻和料、混凝土的施工、環境條件、構件尺寸等。

1.5 溫度收縮裂縫

混凝土在硬化過程中，水泥水化會產生大量的水化熱，導致大體積混凝土內部溫度迅速升高。 由于混凝土的導熱性能差，內部的熱量不易傳至表面揮散出來，所以，在混凝土的結構表面和內部以及混凝土與外部環境之間存在較大溫差，當溫度拉應力超過混凝土的極限拉應力時，混凝土即出現開裂。

由以上分析可知，由于材料質量及材料化學反應的影響，混凝土難免會產生裂縫， 而從鋼筋混凝土結構變形的角度考慮，在可控范圍內的裂縫也是允許的。世界各國對混凝土都有一個允許裂縫寬度的限制，如新西蘭規范對干燥環境下的允許裂縫寬度為0.4mm，我國為0.2mm～0.3mm，美國ACI224 委員會規定的裂縫允許寬度為：干燥空氣中0.4mm；潮濕空氣或土中0.3mm；有除冰鹽作業時0.175mm 等。

裂縫也可以自行愈合，其機理是硬化水泥漿液中的氫氧化鈣與周圍空氣或水份中的二氧化碳結合生成碳酸鈣，碳酸鈣與氫氧化鈣結晶沉淀并積聚于裂縫內，這些結晶相互交織，產生力學粘結效應，同時在相鄰結晶、結晶與水泥漿體、結晶骨料表面之間還有化學粘結作用，結果使裂縫得到密封，但是過寬的或還在發展的裂縫特別是裂縫還有水的流動就很難自愈合了，一般認為寬度小于0.15mm～0.20mm 的裂縫是可以愈合的。

但裂縫若發展過大，超過相應的容許值時，既影響外觀形象，更影響地下空間的正常使用，所以減少和防止地下結構混凝土的開裂特別是防止大裂縫具有特別重要的意義。

2 減少裂縫的措施

2.1 塑性收縮裂縫的防治措施

塑性收縮裂縫防治的關鍵是減少混凝土表面水分的蒸發，為此可采取以下措施：①降低混凝土的入模溫度；②高溫季節施工時，對混凝土表面采取降溫、保濕措施，如用噴霧濕潤混凝土上方的空氣、設置遮蔭棚等；③將攪拌時間限制在最低所需程度；④盡量縮短從攪拌到澆筑的時間，以及從澆筑到抹面、養護的時間；⑤澆筑前潤濕模板和底板；⑥澆注后立即用塑料膜覆蓋或噴水霧必要時噴灑密封劑。

2.2 塑性沉降裂縫的防治措施

①在滿足工作度前提下，混凝土坍落度應盡可能的低，混凝土的配比應保證混凝土有良好的稠度和保水性；

②在澆筑柱、梁、板等相互聯接的不同深度的構件時，如果不能在高度差處設置施工縫，則宜分層澆筑，比如先澆筑到梁底面，待沉降稍穩定后再往上澆筑，其間的時間間隔一般不小于2h(熱天則應適當縮短)，防止在構件的聯接部位出現裂縫；

③增加表面鋼筋的保護層厚度；

④合理振搗；

⑤外摻引氣劑；

⑥保證模板剛度及地基的穩定性；

⑦表面抹平、壓光也可去除較淺的沉降裂縫，但如裂縫較深，則在抹平后的干燥收縮過程中又會裂開。

2.3 自生收縮裂縫的防治措施

①減少拌和水的用量， 加大粗骨料的最大粒徑和骨料含量，挑選剛度大的骨料品種，盡量減少水泥用量；

②降低混凝土的干燥速率，延緩表層水份損失；

③采用補償收縮混凝土和后澆帶施工；

④采用后澆帶申縮縫等施工措施。

2.4 溫度收縮裂縫的防治措施

①降低水化熱及其釋放速度。減少水泥用量、摻加粉煤灰等礦料、采用低熱水泥這些措施都能降低水化熱。

②降低混凝土的澆筑溫度(入模溫度)。采用冷水或冰水攪拌混凝土，降低骨料溫度，盡量減少混凝土在輸送過程中由于環境影響造成的溫升。

③控制散熱過程并防止混凝土表面溫度的驟降，為防止溫度驟然變化，混凝土冷卻時的降溫速度不宜超0.5～1℃/h，否則就很有可能開裂。在表面設置隔熱層，隔熱層材料的熱導率可在3.6～0.5kgcal/m2/hr℃之間選用。 在澆筑大體積混凝土時，可采用分層澆筑的施工方法，待下一層混凝土的水化熱基本釋放后(如每隔5d～7d)再澆筑上一層，同時控制每層混凝土的厚度不使熱量過于積聚。

④改善混凝土的強度和熱學性能。提高混凝土的抗拉性能和降低混凝土的熱膨脹系數均有利于防止溫度收縮開裂。

⑤設置構造鋼筋。在構件中配置構造鋼筋可以控制裂縫的寬度并限制其發展，其實質是通過減少裂縫間距，使裂縫寬度能夠控制在可以接受的范圍內。

3 綜合控制措施

影響混凝土收縮開裂的因素眾多而且復雜多變，施工現場很難將裂縫原因與針對措施相對應。為了防止混凝土開裂，總體原則是希望減少收縮量、降低收縮應力、提高抗裂強度。施工過程需要在技術與管理方面進行預控。

3.1 綜合技術措施

3.1.1 充分重視原材料選用及配合比設計

3.1.1.1 膠凝材料

宜采用水化熱較低的水泥，不宜采用早強水泥，以降低早期溫度的升高。每立方米混凝土中水泥用量不應過多，為降低混凝土水化溫度和改善混凝土拌合物的工作性能，應摻加適量的粉煤灰等摻合物。

3.1.1.2 細骨料

宜采用級配良好的中、粗砂，細度模數大于2.6，砂率過大容易收縮，砂率過小又容易離析泌水，建議控制在40%左右。

3.1.1.3 粗骨料

宜用級配良好的碎石或卵石。

3.1.1.4 減水劑

為了降低混凝土的早期溫度升高，應采用緩凝型高效減水劑，摻量應根據工作需要而定，并應注意其與水泥的相容性。

3.1.1.5 膨脹劑

為了降低混凝土收縮引起的裂縫，宜摻加具有補償收縮、增強抗裂性能的膨脹劑，建議摻量為水泥用量的10%左右。

3.1.1.6 用水量

為了降低收縮和減少混凝土拌合物的離析和泌水，保證拌合物工作度滿足施工的條件下用水量不宜過大。

3.1.2 溫度控制

要求澆注溫度不高于30℃，熱天可放寬至35℃；混凝土內部的最高溫度不高于65℃， 混凝土內部與外部的溫差控制在20℃以內，混凝土表面與養護水的溫度差不高于15℃。施工過程要進行測溫監控。

3.1.3 設置控制縫等措施

充分并合理利用控制縫、后澆帶、滑動層、構造配筋等控制開裂的手段和措施。

3.1.4 嚴格控制施工技術

①稱重應嚴格按照配比要求， 注意沙子、 石子含水率測定，并在用水量中扣除砂、石中的含水，嚴禁攪拌完成后再加水。

②混凝土應合理均勻攪拌，砂石先進行攪拌，加入水泥、膨脹劑、粉煤灰、水、減水劑后再進行充分的攪拌。

③攪拌車運到現場后，應快速攪拌10s 并測定塌落度，如因堵車運輸時間過長可再摻入一定量的外加劑，但一定要有技術人員計量加入，不能加水。

④澆筑與搗實：混凝土自由傾落高度不宜超過2m，必須用振搗器垂直插入搗實，不得使用振搗棒趕混凝土或拋送以免造成離析，不得漏振和過振。

⑤支模：支模應牢固，變形小。鋼模板用對拉錨固筋，切斷時應盡量短，否則混凝土易開裂。澆筑前用水濕潤溜槽和模板。

⑥養護：頂底板蓄水養護，先澆筑的混凝土初凝后，立即覆蓋濕麻袋養護，待混凝土全部初凝后蓄水養護9d，側墻掛草簾或麻袋淋水養護， 每隔2h～4h 淋一次水， 養護時間應超過7d。

3.1.5 設計優化措施

①增配構造鋼筋提高抗裂性能， 配筋采用小直徑、 小間距。

②在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸。

③充分考慮施工時的氣候特征，合理設置后澆帶。

3.2 綜合管理措施

①拌制混凝土的原材料均需進行檢驗，合格后方可使用。同時要注意各項原材料的溫度，以保證混凝土的入模溫度與理論基本相近。

②在混凝土攪拌站設專人摻入外加劑，摻量要準確。

③綜合現場對商品混凝土要逐車進行檢查，測定混凝土的塌落度和溫度，檢查混凝土量是否相符。同時，嚴禁混凝土攪拌車在施工現場臨時加水。

④混凝土澆筑應連續進行， 間歇時間不得超過3h～5h，同時已澆筑的混凝土表面溫度在未被新澆筑的混凝土覆蓋前不得低于相關規定。

⑤試驗部門設專人負責測溫及保養的管理工作，發現問題應及時向項目技術負責人匯報。

4 結 論

混凝土結構難免會出現一定寬度的裂縫，但施工中仍盡可能采取有效的技術措施控制裂縫，使混凝土結構盡量不出現裂縫，或盡量減少裂縫的數量和寬度，特別是避免有害裂縫的出現。此外，為確保工程質量，除加強施工技術外，還應加強現場綜合管理。

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