淺談減少大體積混凝土產生裂縫的措施

楊建平

（中鐵六局集團路橋建設有限公司，云南 玉溪 410007）

1 工程簡介

綠汁江大橋索塔大體積混凝土主要包括索塔承臺，尺寸為20.2 m×20.2 m×7 m，共計2 856.28 方混凝土，混凝土設計等級為C40；已于2019年11月20 日澆筑完成。

2 大體積混凝土裂縫產生的原因

2.1 水泥水化熱

水泥在水化過程中要產生大量的熱量，是大體積混凝土內部熱量的主要來源。由于大體積混凝土截面厚度大，水化熱聚集在結構內部不易散失，使混凝土內部的溫度升高。混凝土內部的最高溫度，大多發生在澆筑后的3 ～5 d，當混凝土的內部與表面溫差過大時，就會產生溫度應力和溫度變形。溫度應力與溫差成比，溫差越大，溫度應力也越大。當混凝土的抗拉強度不足以抵抗該溫度應力時，就開始產生溫度裂縫。這就是大體積混凝土容易產生裂縫的主要原因。

2.2 外界氣溫變化

大體積混凝土在施工期間，外界氣溫的變化對大體積混凝土的開裂有重大影響。混凝土內部溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫度和混凝土的散熱溫度三者的疊加。外界溫度越高，混凝土的澆筑溫度也越高。外界溫度下降，尤其是驟降，大大增加了外層混凝土與混凝土內部的溫度梯度，產生溫差應力，造成大體積混凝土出現裂縫。因此控制混凝土表面溫度與外界氣溫溫差，也是防止裂縫的重要一環。

2.3 混凝土的收縮變形

在混凝土的拌合過程中，只有約20%的水分是水泥水化所必需的，其余80%要被蒸發。混凝土中多余水分的蒸發是引起混凝土體積收縮的主要原因之一。這種收縮變形不受約束條件的影響，如果存在約束，就會產生收縮應力而出現裂縫。

3 措施

在云南公路工程建設過程中，地材、粉煤灰及外加劑品質參差不齊及以混凝土回彈強度作為判定依據，為了確保混凝土強度，施工單位首先考慮是在合理的膠凝材料下加大水泥用量，粉煤灰摻量僅為10%左右，而該工程屬于大體積混凝土結構，很容易因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而產生有害裂縫。為了避免溫度應力，該文從原材料質量、配合比、生產、澆筑、養護及耐久性等方面采取措施，嚴格控制。

3.1 原材料

3.1.1 水泥

由于引起混凝土絕熱溫升的因素主要是水泥的水化熱，水泥顆粒過細，水泥熟料中鋁酸三鈣含量過高，水泥的水化速度過快，水化熱集中釋放，混凝土因水化熱引起溫升過高，導致混凝土收縮增大、抗裂性降低，對混凝土耐久性不利。

水泥優先選用質量穩定，比表面積控制在300 m2/kg～350 m2/kg，水泥熟料中C3A ≤8%，C2S 含量相對較高的水泥，3 d 的水化熱不宜大于250 kJ/kg，7 d 的水化熱不宜大280 kJ/kg。

由于云南水泥主要為普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，而礦渣硅酸鹽水泥及其他水化熱低的水泥產量很少，甚至沒有，從使用量和成本等綜合考慮，該工程采用普通硅酸鹽水泥（昆鋼嘉華建材有限公司）等級為42.5，比表面積為337 m2/kg，C3A 為6.622%，堿含量為0.54%，3 d 天的水化熱不宜大于230 kJ/kg，7 d 天的水化熱不宜大279 kJ/kg，C3A 為7.93%。

3.1.2 骨料

粗骨料先選用吸水率低、線脹系數小的骨料，采用碎石，骨料最大粒徑宜小；混凝土骨料的級配合理、粒形良好，并保持潔凈。為減少膠凝材料的用量，采用混合級配（5 mm～10 mm ，10 mm～25 mm，2 種單粒級按20%∶80%摻配摻配后符合5 mm～25 mm 連續級配要求）。

細集料采用機制砂，因云南的石料形成多數是層狀，層間夾帶少量泥，含泥量偏高；壓碎值偏低，破碎后石粉含量偏大；為了更好地保證質量，要求石粉含量必須≤7.0%，采用中砂，并選擇了云南石利爾建材有限公司雞冠山石廠，并在拌和站設置了洗石機，對含泥量高的骨料進行清洗，確保質量滿足規范要求。

3.1.3 外加劑

選用緩凝型的高性能減水劑，質量穩定，減水劑與水泥及摻和料之間具有良好的相容性，提供外加劑對硬化混凝土收縮等性能的影響系數；減水劑含氣量不得大于3%。

適量引氣有利于改善混凝土過渡區，提高混凝土的抗凍性、抗滲性、抗裂性（尤其云南地區溫差大）。混凝土中摻入少量引氣劑后，就能使每方混凝土中引入數千億個微小氣泡，使混凝土的工作性能和抗裂、抗凍融性能大大提高。

為了降低單方用水及降低水泥用量，進一步降低水泥的總水化熱，采用安徽中鐵工程材料科技有限公司，RAWY101 高性能減水劑（緩凝型），減水率為29%，泌水率為16.5%，含氣量為2.6%，凝結時間差為+110 min，收縮率比為95%。

3.1.4 粉煤灰

粉煤灰的燒失量實際反應的是粉煤灰中未燃碳的比率，燒失量越大，未燃碳含量越大。未燃碳是粉煤灰中的有害成分，會造成混凝土需水量過大（毛細吸附作用），水膠比過大，坍落度損失大、混凝土流動性極不穩定，影響澆筑質量。同時，當混凝土水膠比較大時，由于未燃碳比重較水泥顆粒小，易懸浮于混凝土表面，當澆筑有間歇時，還會附著在模板周圍形成黑色的懸浮層，嚴重影響混凝土外觀。在經濟方面，過高的燒失量其還會造成勃蘭特效應降低，增加水泥用量。

粉煤灰采用Ⅱ級及以上的大廠粉煤灰。粉煤灰燒失量控制在3%以內，任何情況下，粉煤灰燒失量不得大于5%，二氧化硅、三氧化二鐵及三氧化二鋁總質量分數不小于70%。

由于云南粉煤灰稀缺，假的也很多，我們對每批進場的粉煤灰用顯微鏡進行玻璃珠的辨別，經過檢驗合格，采用成都西物鐵建材有限公司，F 類II 級；細度為13.6%，需水量比為99%，燒失量為4.2%，二氧化硅、三氧化二鐵及三氧化二鋁總質量分數為75.2%，游離氧化鈣含量為0.03%。

3.1.5 水

采用當地飲用水，檢驗結果滿足標準規范要求。

3.2 混凝土配合比

大體積混凝土配合比設計的關鍵在于減少水泥的總發熱量，降低混凝土內部的最高溫度，以避免混凝土在內外溫差作用下出現溫度應力裂縫。在該承臺混凝土澆筑方量多、作業面積大、持續時間長。新拌混凝土應該具有較長的緩凝時間，坍落度經時損失值應控制在2 h 范圍內。在保證承臺混凝土強度及和易性要求的前提下，盡可能地采用低水灰比，降低單方用水量，并適當提高礦物摻合料摻量和骨料含量，從而降低單位體積混凝土的水泥用量，減少混凝土干縮，并降低水泥水化的總發熱量。

在混凝土配合比設計中，除了應符合現行國家現行標準《普通混凝土配合比設計規范》JGJ 55 外，根據原材料的質量要求，結合云南省行業狀況，我們主要從以下幾個方面進行試配。

3.2.1 合理配比

采用齡期60 d混凝土抗壓強度作為混凝土配合比的設計依據。

3.2.2 最佳坍落度

所配制的混凝土拌合物，到澆筑工作面的坍落度不宜大于180 mm。

3.2.3 影響混凝土過渡區的因素

水膠比不宜大于0.45，拌和水用量不宜大于170 kg/m3。水膠比是影響混凝土過渡區性能最關鍵的因素之一，也是影響混凝土和易性的和外觀質量重要因素，過大的水膠比會顯著增加水泥用量，不但會使混凝土的水化溫度變高和熱量集中釋放，造成混凝土收縮變大、溫差開裂，還會造成外加劑摻量的敏感性，致使混凝土出現泌水等現象。所以規定水膠比不得大于0.40。

3.2.4 最佳膠凝材料總量

膠凝材料總量不宜大于450 kg/m3。

3.2.5 “雙摻”技術

采用“雙摻”技術，以粉煤灰取代部分水泥，減少大體積混凝土的單位水泥用量；粉煤灰摻量不宜超過膠凝材料總量的40%。粉煤灰摻量應適當增加，但不宜超過膠凝材料用量的40%，膠凝材料中摻入粉煤灰的主要目的是為了降低大體積混凝土的水化熱總量及放熱速度，降低混凝土絕熱溫升，但是隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗拉強度也會降低，不過與其損失的抗拉強度相比，在一定摻量范圍內，降低水化熱總量及放熱速度是主要因素。

3.2.6 最佳砂率

砂率宜為38%～42%。

3.2.7 耐久性

結合云南的氣候環境，主要從電通量和抗裂性2 個方面進行考慮。通過電通量來評價混凝土原材料和配合比對混凝土抗滲透性能的影響和間接評價混凝土的密實性。過抗裂性對不同原材料和配比混凝土之間的相對比較，以選擇在標準條件下抗裂性能相對較好的配合比用于施工。

綜上所述，我們最終確定混凝土配合比如下。

3.2.7.1 配合比

混凝土配合比設計坍落度為160 mm～200 mm，根據試拌混凝土性能的情況及28 d 強度結果，最終選定的理論配合比每方混凝土中各種原材料用量見表1。

表1 混凝土配合比各原材料用量

3.2.7.2 各項性能指標

配合比各項指標符合設計要求，見表2。

表2 混凝土拌合物性能檢測結果

3.2.7.3 混凝土配合比的絕熱溫升

①水泥水化熱計算

式中：Q3—在齡期3 d 時的累積水化熱（kJ/kg）。

Q7—在齡期7 d 時的累積水化熱（kJ/kg）。

Q0—水泥水化熱總量（kJ/kg）。

Q0=4/（7/279-3/230）=332.0569kJ/kg

②膠凝材料水化熱總量應在水泥、摻合料、外加劑用量確定后，根據實際配合比通過試驗得出[1]。當無試驗數據時，可按下式計算：

Q=kQ0

式中:

Q—膠凝材料水化熱總量（kJ/kg）。

k—不同摻量摻合料水化熱調整系數。

③當采用粉煤灰與礦渣粉雙摻時，不同摻量摻合料水化熱

調整系數可按下式計算：

k=k1+k2-1

式中：

k1—粉煤灰摻量對應的水化熱調整系數。

K2—礦渣粉摻量對應的水化熱調整系數。

k=k1+k2-1=0.82+1-1=0.82

Q=kQ0=0.82×332.0569=272.2866kJ/kg

④混凝土絕熱溫升值可按下式計算

T（t） =WQ/Cρ（1-emt）

式中：

T（t）—混凝土齡期為t 時的絕熱溫升，℃。

W—每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3。

C—混凝土的比熱容，可取 0.92 kJ/（kg·℃）～1.00 kJ/（kg·℃）。

ρ—混凝土的質量密度，可取2 400 kg/m3～2 500 kg/m3。

t—混凝土齡期，d。

m—與水泥品種、用量和入模溫度等有關的單方膠凝材料對應系數。

⑤單方膠凝材料對應的系數m值可按下列公式計算

m=km0

m0=AW+B

W=λWc

式中：

m0—等效硅酸鹽水泥對應的系數。

W—等效硅酸鹽水泥用量（kg）。

A、B—與混凝土施工入模溫度相關的系數，取內插值;當入模溫度低于10C 或高于30℃時，按10℃或30℃選取。

Wc—單方其他硅酸鹽水泥用量（kg）。

λ—修正系數。

W=λWc=0.88×280=246.4kg

m0=AW+B=0.0024×246.4+0.5159=1.1073

m=km0=0.82×1.1073=0.9080

T（3）=WQ/Cρ.（1-e-mt）=437×272.2866/1.0×2460×（1-2.718-0.9080×3）=48.3℃

T（7）=WQ/Cρ.（1-e-mt）=437×272.2866/1.0×2460×（1-2.718-0.9080×7）=45.2℃

3.3 拌和及澆筑

拌和過程中，主要是控制原材料的溫度及出機溫度，主要采取以下措施。

3.3.1 溫度控制

因砂石料、外加劑和水儲存時溫度為常溫，水泥儲存罐露天，水泥使用量大，廠家未冷卻儲存就已出廠，導致水泥入機溫度過高，導致混凝土出機溫度和入模溫度增高。因此，水泥應有足夠的儲存期、或采取降溫措施，保證水泥入機溫度滿足規定要求。

施工過程中控制所用水泥入機溫度不應大于55℃；加強溫度監控，及時采取降溫措施。

混凝土的入模溫度控制在5℃～30℃。混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不大于50℃，且最高溫度不得大于65℃。混凝土芯部溫度與表層溫度之差不應大于20℃。混凝土澆筑體降溫速率不宜大于2.0℃/d[2]。

3.3.2 拌和時間控制

因膠凝材料用量過大，攪拌過程拌和時間控制在120 s～180 s，確保拌和均勻。

3.3.3 混凝土澆筑層厚度控制

根據所用振搗器作用深度及混凝土的和易性確定為300 mm，振搗時避免過振和漏振。混凝土的澆筑應連續、有序，混凝土澆筑面應及時進行二次抹壓處理。

3.3.4 保溫保濕措施

為了控制混凝土內外溫差，應采取“內降外保”原則，“內降”采取了溫控系統輔助措施，驗證混凝土溫度控制效果。混凝土澆筑完畢后，在初凝前立即用土工布進行覆蓋養護。混凝土澆筑完畢后，按照溫控技術要求進行保溫養護。1）由專人負責保溫養護工作，并應進行測試記錄。2）保濕養護14 d，經常檢查保溫材料的完整情況，保證混凝土表面濕潤。3）保溫覆蓋層的拆除分層逐步進行，當混凝土的表層溫度與環境最大溫差小于20℃時，全部拆除。

4 結語

經過采取以上措施，大體積混凝土施工過程中混凝土內部溫度7 d 左右達到51.9℃；采用冷卻水循環，經過10 d 后混凝土內部溫度降到40.0℃，表面環境30℃，保溫層溫度20.1℃，環境環境16.0℃，表里溫差控制在20℃，暫停冷卻水循環，芯部溫度基本保持在40℃，加強保溫；拆模后混凝土表面未出現收縮裂紋，混凝土7 d 強度到達38.8 MPa。減少水泥用量，粉煤灰摻量36%是可行；在不減少水泥用量情況下，采取《大體積砼智能溫控與自動監測系統》進行降溫（須控制進出水口的溫差）；保溫是減少大體積混凝土裂縫關鍵措施。