大體積混凝土裂縫的成因與防控

陳升 符昱

（河南省水利電力對外有限公司）

隨著世界經濟的發展，建筑行業也在發生著巨大的質變，大型橋梁，水壩，高層建筑物等建筑結構已全面滲入社會生活。在這些大型建筑的建造過程中，大體積混凝土是建筑基礎不可或缺的組成部分，因其承載能力較強，施工相對方便，造價較為適中，成為許多建筑形式的首選。但在施工過程中，以及在其他因素的影響下，也伴隨產生以裂縫為主的一些實際問題。

1 大體積混凝土裂縫的主要類型及其可能造成的危害

影響大體積混凝土結構使用功能與安全的主要因素就是裂縫問題，裂縫不僅會對建筑物的外觀產生美學影響，同時也會使其結構內存在安全隱患，從而不能有效地發揮其使用功效。大體積混凝土裂縫的類型及其危害主要包括以下幾個方面：

1.1 溫度裂縫

由大量的實驗結果和施工工程的裂縫成因結果顯示，4/5以上的混凝土裂縫都是由于混凝土內外溫度不同，致使混凝土結構內部的溫度應力大于其抗拉強度或極限拉伸值時導致的。溫度裂縫基本上產生于大體積混凝土形成的早期階段，在混凝土初凝升溫時，內升外衡的溫度“張”力使混凝土的表面產生裂縫；而在其成型降溫階段，內降外衡的溫度“縮”力使混凝土的內部產生裂縫。這些表面和深層的裂縫會導致混凝土防滲性和穩定性的下降。

1.2 收縮裂縫

大體積混凝土的收縮裂縫主要包含兩種情況，一種是由干燥收縮形成的裂縫，另一種是由塑性收縮形成的裂縫。

干燥收縮裂縫包含干燥裂縫和自收縮裂縫。前者是由于混凝土干燥成型時，由于表面與內部水分蒸發速度不一致，導致表面干燥裂縫，這種裂縫如果在前期沒有維修養護會發展為深層裂縫，影響混凝土的防滲性及穩定性。后者是由水泥水化過程中其自身化學特性引起的，水化作用在混凝土內部形成細孔，若養護時間不及時或養護方式不當，細孔聚集就會形成內部裂縫，這種裂縫會影響混凝土的穩定性。

而塑性收縮裂縫則是受外界影響產生的，當初凝的混凝土受到高溫、大風等天氣影響時，其外部水分散失較快，如不及時加以養護，則會在混凝土表面產生龜裂，這種裂縫會影響混凝土的防滲性。而表面裂縫若不及時處理，則會逐步向混凝土內部縱深發展，形成深層裂縫，從而影響混凝土的穩定性。

1.3 接觸裂縫

在水利工程的基礎結構中，較多的運用了大體積混凝土技術。混凝土屬于復合材料，在與岸坡的巖石這類自然物質接觸的地方往往是施工過程中較為重要的一個方面，因為其接觸的緊密性與水工建筑物的滲漏、沉陷有關。因此在壩頭與岸坡的實際施工中，大體積混凝土的可能產生的接觸裂縫是需要密切注意的問題。接觸裂縫的程度直接影響水工建筑物的質量，在大壩蓄水使用時水的應力時刻作用于壩頭與岸坡的接觸處，長時間就會使接觸部分產生裂縫，影響壩體的防滲效果，嚴重時，會直接影響壩體安全。

2 大體積混凝土裂縫的成因分析

2.1 混凝土溫度應力

在混凝土澆筑初期的短時間內，一般為7d內，大量的熱量通過水化熱過程釋放并聚集在混凝土結構內部，會使其內部溫度在短時間內快速升高。大體積混凝土由于其體積大，橫截面小，散熱慢，因此其水化過程凝聚的熱量長時間被約束在混凝土結構內部，致使其內部溫度在短時間內上升至30～50℃，甚至更高；而其表面的熱量由于處于外界環境，與內部相比溫度就更容易散發，這樣就會使混凝土內部與表面產生巨大的溫度差異，形成一個內外溫度梯度比較陡的復雜的溫度場。內部高溫的擴張力使混凝土內部的壓應力增大，當外部的拉應力無法束縛時，就會在混凝土的表面產生裂縫，也就是膨脹性裂縫。當水化過程放熱結束，混凝土逐漸開始冷卻直至成型。此時大體積混凝土內部聚集的熱量基本釋放結束，溫度下降較快，而混凝土外部由于與外界接觸，在溫度相對穩定的情況下則降溫較少，內部低溫的收縮力增大了混凝土結構內部的拉應力，而外部的壓應力變化相對較少，這樣就會引發混凝土內部裂縫的形成。基于以上兩點可以得出，不管是由放熱升溫階段產生的表面裂縫，還是在冷卻降溫階段產生的內部裂縫，都是因為大體積混凝土的溫度應力過大，超過其自身的抗拉強度。

2.2 混凝土收縮

大體積混凝土的收縮裂縫主要是指混凝土由于微觀或局部體積發生微小變化而產生的裂縫，主要是由干燥收縮和塑性收縮引起的。

2.2.1 干燥收縮

由干燥收縮引起的裂縫主要包含兩種，即干燥裂縫和自收縮裂縫。

（1）干燥裂縫

由于大體積混凝土表面干燥速度快，內部干燥速度慢，在內部未完全干燥，而表面已完全干燥時，就會在混凝土表面產生干燥裂縫。

（2）自收縮裂縫

自收縮裂縫與干燥裂縫的相同之處是都是由于混凝土中水分的消失導致的，不同之處就在于干燥裂縫是由于養護結束后混凝土內外部硬化過程不同步，水分蒸發不平衡導致應力變化進而產生的裂縫；而自收縮裂縫是由于混凝土結構內部水分的散失所導致的體積變化進而產生內部細孔引起的裂縫。

2.2.2 塑性收縮

塑性收縮主要發生在混凝土未凝固時的階段。混凝土未凝結硬化時，處于塑性階段，強度較小。而此時水泥活性較大，混凝土由于水化熱反應溫度較高，混凝土泌出的水分較前期減少，當受到來自外界的外力侵入，如高溫、大風等天氣影響，若表面蒸發的水分不能得到及時的補充時，就會在混凝土的表面產生不規則的龜裂。引發塑性收縮裂縫出現的最主要的因素就是混凝土表面水分缺失。這種裂縫一般都出現在混凝土結構物的表面，屬于淺表的裂縫，但若不及時修復，也會影響混凝土的防滲性。

2.3 外部約束

由于大體積混凝土水化發熱會產生溫度應力，再加之混凝土的收縮，這兩方面產生的應力會疊加作用于無束縛的混凝土結構；而在這些應力疊加發展的過程中，如果再受到外圍邊界的作用，三方面應力就會再次疊加，共同作用于混凝土結構。在實際施工過程中，壩頭處的大體積混凝土結構需要直接連接在堅硬的岸坡圍巖上，若圍巖未清理到位，如接觸面泥沙或巖石風化層未清除干凈，就會降低混凝土與巖石接觸面的緊密性，影響大壩的抗滑穩定性。

3 大體積混凝土裂縫防控措施

3.1 溫度裂縫的防控措施

大體積混凝土溫度控制的措施主要有以下幾個方面：減少混凝土的發熱量、降低混凝土的入倉溫度、加速混凝土的散熱、加強混凝土的溫度監控與檢測。

3.2 收縮裂縫的防控措施

3.2.1 干燥收縮裂縫的防控措施

（1）干燥裂縫的防控措施

針對干燥裂縫的防控，首先應采用低發熱量的水泥。其次可以加入減水劑。減水劑的增加在節約水泥的用量的基礎上還能減少混凝土的發熱量。另外應加強混凝土的養護。在混凝土澆筑完成后，應及時進行養護工作，對于塑性混凝土應該在澆筑完畢后的18h以內進行灑水養護；對于低塑性的混凝土適宜在澆筑完成以后立即開始養護，養護可以采取噴霧養護的方式進行，并同時進行灑水，從而確保混凝土的表面始終保持在一個濕潤的環境下。養護的方式可以根據混凝土的種類和特性進行，一般分為灑水養護、覆蓋養護和化學劑養護。

（2）自收縮裂縫的防控措施

相對濕度是導致大體積混凝土自收縮的重要原因，而水灰比是影響相對濕度的關鍵因素。當水灰比在大于等于50%時，混凝土的自收縮效應可以幾乎忽略不計，當其低于這個值時，就可能誘發自收縮的產生，從而出現裂縫。據實驗表明，當水灰比小于35%時，混凝土結構內部的相對濕度就會很快下降1/5甚至更多。因此在實際的施工過程中，可以采用添加減水劑的方式，這樣可以在保證大體積混凝土強度的前提下，增大混凝土的坍落度，提高其相對濕度，不至于因為水化反應消耗掉過多的水分而發生自干燥效應，同時混凝土的強度得到了保證，可使混凝土更好的抵消收縮應力的作用。同時減水劑會使單位體積的水分中需要的水泥用量減少，這樣會大大的增大水灰比，減小自收縮裂縫產生的可能性。其次，可以使用中低發熱量的水泥，比如粉煤灰硅酸鹽水泥或者火山灰質硅酸鹽水泥等，從而降低發熱量，減少因為熱量的散失而帶走過多的水分導致相對混凝土相對濕度降低。另外，設置合理的施工縫。當混凝土體積發生變化時，施工縫可以很好的提供給其緩沖的空間，避免裂縫的產生。最后，加強施工工藝流程的科學合理性，提高混凝土的拌合效率，加大熱量的散失力度，注意養護，避免水分的過分散失。

3.2.2 塑性收縮裂縫的防控措施

針對塑性收縮裂縫，可以采用強度等級高的水泥，比如普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥的密度在3100～3200kg/m3之間，可以滿足混凝土在終凝前的抗收縮強度。其次，在混凝土結構施工之前，可以將混凝土的模板和基礎底座支撐面適當的進行濕潤，以補充混凝土塑性后期水分的散失。另外，對混凝土的養護要及時且時間應足夠長。應及時進行草蓋覆蓋養護或者塑料薄膜覆蓋養護，防止混凝土表面水分的過分散失，在高溫季節還應間歇性的進行灑水養護，及時補充水分，使混凝土一直處于濕潤的環境中，防止塑性裂縫的產生。

3.3 接觸裂縫的防控措施

大壩壩體與兩邊岸坡的連接處，是蓄水后受力的重點區域。混凝土作為一種凝膠型復合材料，與岸坡的巖石這類天然材料相結合時，應特別注意連接的緊密程度，因為在大壩蓄水使用時，會直接影響大壩的抗滑穩定性。對于連接處的施工步驟，應特別注意的是在施工前需要將圍巖的泥沙清理干凈、風化的巖面除去，露出堅硬的巖石，在巖石上開鑿出縫槽，將混凝土“插”入縫槽澆筑，以增連接的緊密性。在此基礎上將混凝土與巖石間增加錨筋，則會使緊密性進一步提高。

4 結語

本文總結了針對不同因素導致的大體積混凝土裂縫的防控措施，由于裂縫后期修復較前期防控復雜，因此在實際的施工過程中應以預防為主，防治結合，就能更加有效地應對大體積混凝土裂縫問題。