淺談大體積混凝土裂縫成因及控制措施

翟長林

【摘 要】混凝土的裂縫問題是一個普遍存在而又難于解決的工程實際問題，其產生的原因很多，很復雜。本文主要從大體積混凝土裂縫概念出發，以混凝土裂縫形成原因為基礎，對大體積混凝土產生裂縫的性質和原因進行較為詳細的敘述，著重介紹溫度裂縫形成原因，并進一步闡述如何從設計、施工角度采取措施，減少大體積混凝土裂縫的形成。

【關鍵詞】大體積混凝土；裂縫成因；控制措施

0 概述

混凝土建筑和構件通常都是帶縫工作的，由于裂縫存在和發展通常會使內部的鋼筋等材料產生腐蝕，降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗滲能力，影響建筑物的外觀和使用壽命，嚴重者將會威脅到人們的生命和財產安全。大量的混凝土工程實踐證明，在混凝土工程中裂縫問題是不可避免的，在一定的范圍內也是可以接受的，只是要采取有效的措施將其危害程度控制在一定的范圍之內。在施工中應盡量采取有效措施控制裂縫產生，使結構盡可能不出現裂縫或盡量減少裂縫的數量和寬度，尤其要盡量避免有害裂縫的出現，從而確保工程質量。

1 混凝土裂縫的性質與原因分析

1.1 由外荷載（靜、動荷載）的直接應力引起的裂縫

直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有：

1）設計計算階段：結構計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結構受力假設與實際受力不符；荷載少算或漏算；內力與配筋計算錯誤；結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性；設計斷面不足；鋼筋設置偏少或布置錯誤；結構剛度不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。

2）施工階段：不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序，改變結構受力模式；不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。

3）使用階段：超出設計載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發生大風、大雪、地震、爆炸等。

1.2 由結構次應力引起的裂縫

次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。裂縫產生的原因有：

1）在設計外荷載作用下，由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算不考慮，從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。

2）混凝土結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等，研究表明，受力構件挖孔后，力流將產生繞射現象，在孔洞附近密集，產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續梁中，經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束，設置錨頭，而在錨固斷面附近經常可以看到裂縫。因此，若處理不當，在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。在設計上，應注意避免結構突變（或斷面突變），當不能回避時，應做局部處理，如轉角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強構造配筋，轉角處增配斜向鋼筋，對于較大孔洞有條件時可在周邊設置護邊角鋼。

1.3 溫度裂縫的性質與原因分析

大體積混凝土施工階段所產生的溫度裂縫是其內部矛盾發展的結果。一方面是混凝土由于內外溫差而產生應力和應變，另一方面是結構物的外部約束和混凝土各質點間的約束，阻止這種應變；一旦溫度應力超過混凝土所能承受的抗拉強度時，即會出現裂縫，這種裂縫一般雖不會影響結構的強度（裂縫寬度在規定范圍內），但對混凝土的耐久性有所影響，因此必須對此加強重視和控制。現將產生裂縫的主要原因分述如下：

1）水泥水化熱是大體積混凝土中的主要因素，水泥在水化過程中要發出一定的能量。而大體積混凝土結構物一般斷面較厚，水泥發出的熱量聚集在結構內部不易散失。通過實測大體積混凝土在澆筑后3～5d混凝土內部溫度較高能達到70℃左右。由于混凝土導熱性能較差，澆筑初期混凝土和彈性模量偏差，對水化熱引起的急劇溫升約束力不大，相應的溫度應力也就較小。隨著混凝土齡期的增長，混凝土的彈性模量增高，對混凝土內部降溫收縮的約束力也就越來越大，以致產生很大的應力。當混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種應力時，開始出現溫度裂縫。

2）外界氣溫變化的影響，大體積混凝土在施工階段，外界氣溫的變化影響是顯而易見的。外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而如外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內部混凝土的溫度梯度，這對大體積混凝土是極為不利的。混凝土內部的溫度是水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和結構物的散熱溫降等各種溫度的疊加，而溫度應力則是由溫差所引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應力就愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內部溫度又較高并且有較大的延續時間，在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內外溫差引起的過大溫度應力，就顯得更為重要。

3）約束條件與溫度裂縫的關系，大體積混凝土由于溫度變化產生變形，而這種變形又受到約束，便產生應力，這就是溫度變化引起的應力狀態，而當應力超過某一數值，便引起裂縫。

4）混凝土的收縮變形，混凝土中大部分水分要蒸發的，少部分水分是水泥硬化所必須的。混凝土水化作用時產生的體積變形稱為自生體積變形。該變形主要取決于膠凝材料的性質，對于普通水泥混凝土來說大多數為收縮變形，少數為膨脹變形。混凝土的收縮機理比較復雜，其主要原因，可能是內部空隙水蒸發變化時引起的毛細管引力。收縮在很大程度上是有可逆現象的。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態，還可以恢復膨脹并幾乎達到原有的體積。干濕交替將引起混凝土體積交替變化，這對混凝土控制裂縫是很不利的。另外影響混凝土收縮的因素很多，主要是水泥品種和混合材、混凝土的配合成份、化學外加劑及施工工藝等。

2 大體積混凝土裂縫的施工控制措施

采用施工技術措施應從控制溫升，延緩降溫速率，減少混凝土收縮，提高混凝土極限拉伸強度，改善約束程度等方面著手。

2.1 設計措施

1）重視地基的處理，大體積混凝土一般都是厚體實重的整澆式結構，地基對基礎的影響十分明顯。在設計主要應防止地基產生不均勻下沉，以及改善對基礎的約束影響。當地基為軟土層時，為防止地基產生不均勻下沉，通常采用砂墊層或其他加固辦法。砂墊層不僅可以提高地基的承載能力，而且在施工時還可以設置盲溝排水，這對減少地下水或地表水的影響都有明顯作用。砂墊層還可以減少對混凝土基礎的約束影響，因此在不均勻的軟土地基中，如符合條件時，應優先考慮采用比較經濟的砂墊層加固方案。

2）合理分裂分塊，合理分裂分塊，不僅可以減輕約束作用，縮小約束范圍；同時也可利用澆筑塊的層面進行散熱，降低混凝土內部的溫度。合理的分裂分塊，應能使結構起到調節溫度變化的作用，確保混凝土有自由伸縮的余地，以達到釋放溫度應力的目的，接縫的處理必須滿足防止滲漏水的要求。

3）合理分布鋼筋，鋼筋與混凝土共同工作的基礎是兩者之間的粘結力。由于鋼的彈性模量約為混凝土彈性模量的7-15倍，所以當混凝土內應力達到抗拉強度而開始裂縫時，此時鋼筋的應力很小，想通過利用鋼筋防止混凝土裂縫的出現，就達不到目的，但合理布置分布鋼筋，可以起到減輕混凝土的收縮程度，限制裂縫的開展。

4）混凝土設計標號不宜太高，在大體積混凝土的結構物中，力學強度和安全貯備，通常都很高，但過高的強度貯備，會使水泥用量增多，水化熱變大。導致混凝土內部溫度過高，造成內外溫差過大，從面引起結構物的開裂。

2.2 原材料控制

1）合理選擇材料品種：為減少水泥水化熱引起過大溫升，應采用中低熱水泥，諸如粉煤灰水泥、礦渣水泥等，考慮在混凝土中摻粉煤灰，以使用普通水泥為宜；為減少混凝土的收縮，應選用干縮值小的材料，如山砂、碎石等；為有利于混凝土內部熱量的散失，應選用導溫系數大的砂石骨料，如石灰巖、石英巖、白云巖等。

2）確保材料的質量：骨料級配良好，粗骨料粒徑5～40mm，盡量采用中砂，嚴格控制砂、石子的含泥量（石子在1%以內，砂在2%以內）等，確保各組成材料的質量符合規定。

3）選用合適的外加劑：使用減水劑，以減少水泥用量、改善和易性；使用緩凝劑，以減緩混凝土澆筑速度，以利散熱；使用膨脹劑，以補償混凝土收縮；添加化工纖維，增加混凝土抗拉強度。在實際工程中，可結合具體情況組合使用，如底板可采用緩凝型減水劑，墩身用膨脹型減水劑等。

2.3 優化配合比設計

1）在滿足強度、和易性、耐久性的前提下，盡量減少單位水泥用量。混凝土中單位水泥用量每增減10kg，水泥水化后的溫度將增減1℃，減少單位水泥用量，有利于降低水泥水化熱引起的絕熱溫升，從而減少混凝土內外溫差。

（1）摻加適量的粉煤灰。厚度不大時，在滿足強度、和易性、耐久性的前提下，摻量以15%～20%為宜。如厚度超過2m，在大體積混凝土內部可適當加大粉煤灰摻量。另粉煤灰愈合能力強，也有利于減少混凝土裂縫。

（2）拋塊石。在大體積混凝土中拋10%～15%的堅硬無裂縫、干凈的大塊石，規格為150～300mm。拋塊石除了可減少水泥用量，降低水泥水化熱外，石塊本身可吸收熱量，也使水化熱進一步降低。在混凝土結構中中部配筋少的部位，宜多拋塊石，并保持石塊間的間距10～15cm，注意塊石底部不能積水，塊石分布均勻。

（3）合理使用外加劑。如減水劑可大大改善混凝土的工作性能，同時減少水及水泥用量10%左右，降低了水泥水化熱。

2）砂率不宜過大，在滿足泵送混凝土前提下，盡可能選較小的砂率。砂率過大，混凝土的抗裂性能將降低，混凝土的干燥收縮加大，易產生收縮裂縫。

3）水灰比不宜大于0.5。水灰比大，混凝土內部孔隙增多，將使混凝土的強度和抗裂性能降低。在實際工程中，對混凝土配合比確定的水灰比和坍落度值，應嚴格控制。

2.4 注重施工過程的控制

2.4.1 采用切實可行的施工工藝，合理組織施工

1）上下層混凝土澆筑間隔時間控制在5～7d為宜，實際施工時間可能有難度，但上層施工速度應盡可能快，以減少下層混凝土的約束。

2）混凝土中每層鋪料厚度不宜超過30cm，以利散熱，并使溫度分布較均勻，及時抽走泌水，同時便于振搗密實，以提高彈性模量。

3）混凝土澆筑速度保持均衡，澆筑高度均衡上升，以改善約束條件，削減溫度應力。

4）合理選擇混凝土的澆筑時間，外界氣溫以10～30℃為宜；夏季降低入倉溫度15～20℃為宜，可采用石子噴水預冷、地下水拌和、運輸過程遮蓋、倉面搭棚等措施；冬季應采取必要的保溫措施。

2.4.2 確保混凝土施工質量

混凝土的拌和、運輸、澆筑應嚴格執行合同規定。對混凝土表面可采用二次振搗，并加強抹面，以提高混凝土表面的抗裂度。

2.4.3 加強對混凝土的養護

1）冬季采用保溫養護，延長養護時間，減少大體積混凝土內外溫差。水平面上用薄膜加草袋覆蓋，用此方法可使混凝土表面增加10～15℃，立面上推遲拆模時間，外掛草袋，并注意適當灑水養護。對下部混凝土結構拆模后應及時回填土。

2）夏季應針對混凝土升、降溫這兩個不同階段采取相應措施：①升溫階段，養護以降低混凝土表面溫度為原則。采用草袋覆蓋，并盡可能多的灑水養護，有條件的可采用灌水養護法，以利于混凝土內部水化熱的散失，降低其內部最高溫度，從而相應減小混凝土的內外溫差。②降溫階段，養護以提高混凝土表面溫度為原則。一般5d后開始降溫時，在水平面上用薄膜加草袋覆蓋；立面上推遲拆模時間（7d后），并注意灑水養護，用此方法可延緩降溫速率，減小混凝土內外溫差。

3 大體積混凝土施工過程的管理

3.1 澆筑前及澆筑過程階段

做好材料試驗及控制工作。所用砂、石子、水泥及各種添加劑滿足規范要求，在攪拌前對骨料預加熱；做好混凝土配合比，并在施工中嚴格執行；考慮在施工期外界氣溫較低，除按照常規外加劑外，另外添加聚丙烯纖維，添加量為水泥用量的1%，以增加混凝土抗拉強度；混凝土澆筑速度保持均衡，澆筑高度均衡上升，以改善約束條件，削減溫度應力；澆筑過程中對倉面泌水應使用吸水、自流等辦法及時排除；混凝土澆筑到頂層時，面層用平板振動器復振，采用二次振搗和二次抹面，以防止產生松頂和表面干縮裂縫，倉面泌水應使用吸水、自流等辦法及時排除干凈再行抹面。

3.2 澆筑完成階段

1）加強水化熱溫升測量：為進一步掌握大體積混凝土水化熱溫升的大小，及不同深度場的變化及施工階段早、中期溫差的發生規律，更好地控制混凝土裂縫的產生，施工現場成立專門測溫小組，在混凝土不同部位及深度埋設測溫點，以測定混凝土澆筑過程以及澆筑后溫度變化，以便對異常情況及時采取防范措施。

2）采取適當的保溫和保溫措施：在大體積混凝土結構表面采取保溫和保溫措施，也是大體積混凝土溫控的有效措施之一。具體做法：由于外界氣溫較低，在閘底板澆筑完成后，用雙層土工布覆蓋，上面再用彩條布覆蓋；在墩身澆筑完成后，利用支撐腳手架，用土工布和彩條布把整個墩身封閉，形成封閉保溫的小環境，避免溫差較大產生混凝土表面出現收縮裂紋。

3.3 養護階段

考慮外界溫度較低，適當推遲拆模時間，混凝土的養護采用覆蓋澆水養護和塑料薄膜養護相結合的方法。垂直面由于覆蓋較困難，采用在近年眾多大中型橋梁結構中使用的養護劑養護法，即將養護劑溶液噴灑或涂刷在混凝土表面上，先豎向涂刷一遍，待稍收干，再橫向涂刷一遍，溶液揮發后，混凝土表面形成地層致密的薄膜，可鎖住混凝土中的水份不再蒸發，從而保證配合比要求的水灰比完成混凝土水化作用。為達到養護目的，養護劑涂刷要保持完整性，若有破壞，可明顯看出揮發處的顏色不同，應及時灑水并稍等收干后補刷，涂刷時間一定要與拆模同步進行。

為保證混凝土在規定齡期內達到設計強度，認真做好混凝土養護工作，并適當延長養護時間，每日應配專人負責，與模板工在拆模時跟班作業，并在涂刷后加強跟蹤觀察，及時補刷。

4 結束語

就橋梁工程而言，大體積混凝土裂縫主要發生在施工階段，產生的原因也是錯綜復雜的，但總的原因是在混凝土早期降溫過程中，由于內外溫速不同而引起的，它包括了外部條件（主要為基礎約束）和內部約束條件（混凝土溫度不均勻引起的自身約束）兩方面的原因，所以大體積混凝土形成裂縫的條件，取決于結構物（或澆筑層）在溫度變化的影響下，能否“同步變形”的問題。能否同步變形涉及到以下幾個方面的影響。

1）從控制混凝土最高溫升、內外溫差的觀點出發，應根據不同地區、不同氣候情況，研究各種溫度控制的方法（包括材料預冷卻、混凝土澆筑后的保溫法或降溫法，以及養護拆模等措施）及適用范圍。而在具體施工時應根據不同齡期和時間段，通過溫度監測手段，調整混凝土養護溫度和養護時間。這種溫差控制方法有助于使溫度應力嚴格限制在混凝土所允許的受拉強度范圍之內（與混凝土齡期相對應）。

2）從改進混凝土材性出發，可以探索混凝土最佳配合比和進一步改進施工工藝。通過摻加粉煤灰減少水泥用量，通過摻加減水劑來減少水的用量，從而減少水化熱，有利于將水化熱控制在最小范圍內。只有這樣，才能提高結構整體性和材料的均勻性，從而增大混凝土材料的抗變形能力。

3）從改善約速條件考慮，就是對各類結構的地基條件、變形縫和施工縫的設置以及混凝土標號和配筋率等進行必要研究和試驗，從而采取出相應的技術措施，以允許混凝土在溫度變化影響下，有一個較大的變動范圍。

通過以上分析，大體積混凝土裂縫產生主要原因也就是內外變形不同步，所以在大體積混凝土施工中應從內部和結構物外部兩方面進行綜合研究，進一步完善和發展大體積混凝土的施工技術，盡量采取可靠措施，使混凝土內外變形基本同步，只有這樣才有可能減少混凝土的裂縫機會。

【參考文獻】

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[3]徐毅.淺談大體積混凝土成因及控制措施[J].揚州大學學報·工程研究與實踐，2014（2）.

[責任編輯：湯靜]