大體積混凝土結構裂縫防控技術淺析

林正敏

(廈門市集美區建設局 福建廈門 361022)

根據《GB50496－2009大體積混凝土施工規范》的定義，大體積混凝土是指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。實踐證明，由于受混凝土本身性能、溫度變化以及結構尺寸等因素的影響，大體積混凝土相比較于普通混凝土更容易產生裂縫等施工質量問題，影響結構的耐久性，從而對結構的安全構成隱患。同時，由于實際工程中又大量存在大體積混凝工程、比如高層建筑地下室、橋梁工程的橋墩等諸多工程，因此，如何防治大體積混凝土結構的裂縫，在工程中具有重要意義。

1 大體積混凝土裂縫的形成機理

1.1 水泥水化熱影響

水泥的水化熱影響是大體積混凝土結構產生裂縫的最重要原因之一。水泥在水化過程中產生大量熱量，因而使混凝土內部溫度升高，當混凝土內部與表面溫差過大時，就會產生溫度應力和溫度變形。溫度應力和溫差成正比，溫差越大，溫度應力就越大，當溫度應力超過混凝土內外約束力時，就會產生裂縫?；炷羶炔康臏囟群退嗥贩N、用量以及混凝土層厚有關，混凝土厚度越大，水泥用量越大，內部溫度也就越高。

1.2 干縮引起裂縫(混凝土收縮變形)

混凝土中的80%水分要蒸發，約20%的水分是水泥硬化所必需的，最初失去的30%自由水分幾乎不引起收縮，隨著混凝土的陸續干燥而使20%的吸附水逸出，就會出現干燥收縮，而表面干燥收縮快，中心干燥收縮慢，由于表面的收縮受到中心部位混凝土的約束而在表面產生拉應力，當拉應力大于當時混凝土的抗拉強度，就會產生干縮裂縫。主要特征是表面開裂，縱橫交錯，沒有一定規律，縫寬和長度都很小，與發絲相似。

1.3 沉降引起裂縫

混凝土澆筑過程或澆筑后，由于混凝土中的骨料在自重作用下緩慢下降，水會上浮，即所謂的泌水，在下降過程中，如果受到鋼筋和其她埋件的局部阻礙、支撐變形或下沉、基礎沉降、過早拆除模版支架等，都會在該處混凝土產生拉應力和剪應力時，使得混凝土沿鋼筋表面產生順筋裂縫，這種裂縫在大流動性混凝土或水灰比較大的混凝土中尤為嚴重。

1.4 溫度裂縫

大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫的影響。混凝土內部溫度是由水泥水化熱引起的絕熱溫度、澆筑溫度和散熱溫度三者疊加。通常情況下，大體積混凝土內部與外表面溫差超過25℃，或者混凝土表面溫度與環境溫度超過20℃，很容易產生裂縫。當氣溫下降，也別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土內部的溫度梯度，產生溫差和溫度應力，使混凝土產生裂縫。

1.5 凍脹裂縫

一般在寒冷地區冬季施工，沒有采取足夠的防凍措施，混凝土在氣溫降到0℃以下前未達到足夠的強度，或者水分滲入到混凝土結構中因結冰而造成體積膨脹，會使混凝土產生凍脹裂縫。

1.6 堿骨料反應

當所用水泥中的堿性氧化物含量較高時，會與骨料中所含的二氧化硅發生化學反應，并在骨料表面生成堿－硅酸凝膠，吸水后會產生較大的體積膨脹，這種膨脹會使得混凝土產生網狀的龜裂縫，致使混凝土表層酥松、脫落，對混凝土結構的耐久性產生較大影響。

2 大體積混凝土裂縫的防治

2.1 原材料選擇

2.1.1 水泥

選用水化熱較低的水泥，在滿足設計強度計工作性能的前提下盡量減少水泥及用水量，降低水泥的水化熱影響，是防止溫度裂縫的主要途徑，大體積混凝土應選用中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，大體積混凝土施工所用水泥其3d的水化熱不宜大于240kJ/kg，7d的水化熱不宜大于270kJ/kg。

2.1.2 摻合料

摻合料能增加混凝土的流動性、粘聚性、保水性、改善混凝土的可泵性。并能提高硬化混凝土的強度和耐久性。但大體積混凝土的粉煤灰摻量不宜超過膠凝材料用量的30%;礦渣粉的摻量不宜超過膠凝材料用量的40%;粉煤灰和礦渣粉摻合料的總量不宜大于混凝土中膠凝材料用量的40%。

2.1.3 骨料

粗骨料應選用質地堅固、級配較好，含泥量不大于1%的非堿活性骨料，細骨料宜采用中砂，其細度模數宜大于2.3，含泥量不大于3%，粗骨料和細骨料均應嚴格控制含泥量、有機物含量等，骨料中含泥量過大或有機物超標的話，會增加混凝土的收縮，同時還會降低混凝土抗拉強度，對混凝土的抗裂不利。

2.1.4 外加劑

所用外加劑的質量及應用技術，應符合現行國家標準《混凝土外加劑》GB8076，同時應評估外加劑對硬化混凝土收縮等性能的影響。最常用的外加劑是減水劑，能使混凝土不泌水，不離析，有合適的凝結時間，可降低混凝土的單位用水量，改善混凝土中毛細孔的數量、結構和分布狀況，提高混凝土的耐久性。包括緩凝減水劑和引氣減水劑，緩凝減水劑能延緩水泥的水化熱速率，有利于混凝土內部溫度降低，引氣減水劑主要作用是引入空氣，改善混凝土的抗滲性和抗凍性等耐久性指標，從而達到提高其防裂性能。

2.2 施工配合比的優化

在初步確定混凝土配合比后，采用現場模擬施工的方法，根據大體積混凝土結構特點，對混凝土的凝結時間、和易性、塌落度等指標進一步優化，從控治裂縫的角度，混凝土塌落度不宜過大，一般在120±20mm即可。

2.3 混凝土施工措施

2.3.1 全面分段、分層

可沿長邊方向自一端向另一端進行，在第一層全面澆筑完畢后，在回頭澆筑第二層，需要注意的是應使第一層混凝土還未初凝，如此逐層連續澆筑，直至完工為止;或者先從底層開始，澆筑一定距離后在澆第二層，并在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢，如此依次向前澆筑其他各層。每一層澆筑厚度應根據所用振搗器的作用深度及混凝土的和易性確定，整體分層連續澆筑時宜為300～500mm。

2.3.2 合理設置變形縫、后澆帶

變形縫將大體積混凝土結構分割成數個較小的單元，有效地減少混凝土由于溫度變化產生的體積脹縮或不均勻沉降等帶來影響;后澆帶是指按照設計或施工規范要求，在基礎底板等相應位置可留設臨時施工縫，將結構暫時劃分為若干部分，經過構件內部收縮，在若干時間后再澆搗該施工縫混凝土，將結構連成整體的地帶，后澆帶能防止現澆混凝土結構由于自身收縮不均或沉降不均可能產生的裂縫，設置后澆帶間距不宜太大，一般20M～30M。

2.3.3 混凝土入模溫度夏季宜控制在30℃以下，盡量避免高溫時段施工，同時可采用冷卻砂、石等材料的方式，或者在混凝土內部預埋水管通入冷卻水，降低大體積混凝土內部溫度，以降低內外溫差。冬季入模溫度一般應在10℃以上，最低不低于5℃，避免混凝土凍傷。

2.3.4 在澆筑混凝土過程中，應采取措施防止受力鋼筋、定位筋、預埋件等移位和變形，同時澆筑人員均應在架設的腳手板上完成澆筑，減少施工人員對鋼筋或預埋件等的踩踏。

2.4 測溫和控溫措施

在施工現場只需要采用較簡單的設備，就能直觀地測得混凝土內部溫度，而且精確度高，花費少。具體做法如下:

2.4.1 簡易測溫法

使用Φ48的腳手架鋼管或其他無縫鋼管作為測溫管預埋于混凝土中，管壁厚度以2㎜為宜，內徑為30～50㎜。按量取所需長度截斷，底部用鋼板焊牢密閉，使其不能滲水，上部高出混凝土100MM。測溫管內應灌水，灌水深度為100～150㎜(不宜灌滿，若孔內灌滿水，所測得的溫度接近管全長范圍的平均溫度)，測溫管的埋設長度宜比需測點深50～100㎜，測溫管必須加木塞，防止外界氣溫影響。

2.4.2 測溫點的布置

必須具有代表性和可比性，應以能真實反映出混凝土澆筑體內最高溫升、芯部與表層溫差、降溫速率及環境溫度為原則。沿澆筑的高度，應布置在底部、中部和表面，垂直測點間距一般為500～800㎜;平面則應布置在邊緣與中間，平面測點間距一般為2.5～5m。為便于讀數，可使用數字溫度計溫度計，其插入測點深度50㎜左右。主要量測2個溫差，一是砼中心與表面的溫差，可通過同一測溫點的2支不同長度測溫管進行量測;二是砼表面與大氣的溫差，可用短的測溫管與空氣中的溫度對比而獲得。要控制前者溫差不大于25℃，后者溫差不大于20℃。需要注意的是用此方法測溫時，一個測溫孔只能反映一個點的數據。不應采取通過沿孔洞高度變動溫度計的方法來測豎孔中不同高度位置的溫度。

2.4.3 測溫頻率

測溫時間應持續28d，混凝土澆筑完畢后前3d，每2h測溫1次;4～10d，每4h測溫1次;11～18d，每6h測溫一次;19～28d，每12h測溫一次。測溫記錄，應列入施工組織計劃重點監控，測溫工作應由經過培訓、責任心強的專人進行。作為對砼施工和質量的控制依據。

2.4.4 溫控措施

砼澆筑時控制入模溫度不高于30℃，澆筑成型后，在混凝土升溫及降溫早期，通過循環冷卻水降溫，從結構物的內部進行溫度控制，也可以同時通過鋪設塑料薄膜和麻袋等保溫材料，或使用施工現場的碘鎢燈以及定時噴澆熱水、蓄存熱水等辦法減緩混凝土外表溫度散發，以控制混凝土內外溫差在限值內。在混凝土降溫中后期，為加快降溫速率，可采取白天掀開部分保溫材料，晚上覆蓋的方式。

2.5 養護措施

大體積混凝土的養護關鍵是保持適宜的溫度和濕度，以便控制內外溫差，促進混凝土強度的正常發展的同時防止混凝土的裂縫的產生和發展，滿足強度增長需要。

2.5.1 結構外層模板及覆蓋保溫材料的拆除應分層逐步進行，以保持混凝土表面和外界溫差小于20℃限值，必要時，可搭設擋風保溫棚或遮陽降溫棚。

2.5.2 大體積混凝土濕潤養護時間應符合(表1)的規定

表1 大體積混凝土濕潤養護時間

3 采用纖維材料防治裂縫

在混凝土中摻入一定比例的纖維，實質上是形成一種復合材料，可以充分發揮纖維材料抗拉強度較好、抗彎和抗沖擊性能的優勢，彌補水泥混凝土材料的缺陷。因此，在水泥混凝土基材中摻加纖維是提高混凝土韌性和抗裂能力的有效途徑。目前，常用的纖維有鋼纖維、聚丙稀纖維等。

3.1 鋼纖維:具有較好的抗拉強度、延性好、高彈性模量等優點

水泥混凝土澆筑后會因為水分蒸發而使混凝土體積發生變化，若無外界約束條件，自身的收縮為自由收縮;若有外界約束條件限制(如配制鋼筋、模板等)，此時為限制收縮，這種狀態下，混凝土材質內部處于受拉狀態，若收縮應力超過混凝土抗拉強度，就會產生裂縫。加入一定比例的鋼釬維能有效分散和抵抗收縮應力，有效防止裂縫發生，另外鋼釬維的粘結力也會降低裂縫尖端的應力集中，阻止微細裂縫的進一步發展。但是鋼纖維價格較高，影響其廣泛使用。

(表2)是上海市市政研究院所作的摻加鋼纖維與未摻加鋼纖維混凝土的收縮對比試驗。

表2 鋼纖維水泥混凝土收縮對比試驗

3.1.1 聚丙稀纖維是一種低彈模合成纖維，具有強度高、延性好、耐久性優良和價格低廉等特點。

將一定比例聚丙稀纖維摻入水泥混凝土后，依靠纖維與水泥基材的界面粘結，在未開裂的低應力水平下共同承受外力，由于聚丙稀纖維的彈性模模量低于水泥基材，當受外部拉力作用時，纖維產生的變形大于水泥基材，在水泥基材開裂前，纖維對基材變形難以起到限制作用，所以在水泥混凝土中加入一定比例的聚丙稀纖維可以起到防止或者減少裂縫的作用。

聚丙稀纖維摻入混凝土的比例需經試驗確定，一般在按體積率的0.5%～1.0%摻量不會對混凝土強度產生影響。

綜合上述，高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙稀纖維在水泥混凝土破壞過程中起著不同的作用，聚丙稀纖維主要約束混凝土早期原生裂縫及微觀裂縫，在低拉應力情況下起作用;鋼纖維抗拉強度高，在宏觀裂縫中可以起到顯著阻裂作用。所以，兩種纖維可以從不同階段對水泥混凝土裂縫的產生和擴展起到約束作用，同時一定程度上提高混凝土的抗彎拉強度。

4 結論

影響大體積混凝土結構裂縫產生的原因是復雜的，在結構設計、混凝土用材、澆搗、養護等環節均有可能引起裂縫的產生，盡管從技術角度來說，大體積混凝土結構完全避免裂縫幾乎不可能，或者需要付出更多的投資，但仍然應該重視設計和施工等各個環節，采取行之有效的措施防止裂縫的產生，必將提高大體積混凝土結構的耐久性以確保結構安全。

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