大體積混凝土施工中的裂縫控制探討

姚云鵬

（重慶建工第二建設有限公司，重慶 400000）

0 引言

在建筑工程項目施工過程中，混凝土作為重要的施工材料，其施工質量關系著整個工程的質量。目前隨著建筑規模的不斷擴大，混凝土結構也不斷增大，且為了考慮到建筑物整體的受力安全，需要增大基礎混凝土的尺寸，以此保證混凝土結構的穩定性和安全性。但是在大體積混凝土施工過程中，由于受到許多因素的影響，使得裂縫問題較為突出，一旦發生裂縫問題，很容易帶來許多安全隱患。因此，在具體的施工過程中，必須要對大體積混凝土施工中的裂縫問題進行關注，綜合考慮施工裂縫的特點、成因等相關要素，然后在此基礎上采取有效的措施加以控制，保證混凝土施工的質量，從而優化工程項目的施工質量。

1 大體積混凝土施工中常見的裂縫類型及成因

1.1 裂縫類型

在大體積混凝土施工過程中，裂縫問題較為突出，如果按照裂縫的程度大小來區分，大致分為三種類型，分別為以下：

（1）表層裂縫。通常情況下這種裂縫問題帶來的危害不是很大，主要的由于溫度因素而導致，且表層裂縫并不會對混凝土結構的受力安全造成影響。但是表層裂縫會對混凝土結構的外觀造成影響，給人一種不安全的觀感。

（2）深度裂縫。顧名思義，深度裂縫的深度相對比較深，可能會導致部分結構面被切斷，這樣就會對混凝土結構的受力安全造成影響，而且也會對混凝土的耐久性造成不良的影響。

（3）貫通裂縫。這種裂縫類型較為較為嚴重，一旦發生貫通裂縫，就會徹底將整體混凝土結構切斷，所帶來的后果則非常嚴重，必須要采取有效的加固措施進行防治。

1.2 裂縫原因

導致大體積混凝土施工中出現裂縫問題的原因有許多，主要體現在以下幾個方面：

（1）受到混凝土原材料的影響。在大體積混凝土施工過程中，混凝土的構成要素包括水泥、砂、石、水等原材料，這些原材料需要根據一定的比例配比并充分攪拌從而凝結成為一個整體。但是在這一期間水泥在接觸到水分之后會產生水化作用，并釋放出較高的熱量，而部分熱量并未完全釋放，反而是聚集在混凝土內部結構中，這樣就會產生混凝土內外部結構的溫度偏差過大，使得溫度應力產生，進而使得混凝土結構出現表層裂縫。簡而言之，導致大體積混凝土出現裂縫的因素主要體現在水泥的種類、強度、用量、尺寸大小等因素。

（2）收縮變形。在大體積混凝土施工過程中，混凝土結構收縮變形也是導致裂縫產生的主要原因之一。通常情況下，在混凝土拌合過程中會因為水泥水化作用將大部分的水分蒸發掉，僅保留不足25%的水分。但是在混凝土澆筑養護期間，在長時間的作用下，養護水分會逐漸蒸發流失，這樣就會導致混凝土內部結構出現干縮變形的現象，進而產生裂縫。

（3）受到結構特性的影響。混凝土結構具有壓應力和拉應力的特點，雖然能夠承受一定的壓應力，但是在混凝土水泥水化作用影響下，拉應力會急劇增大，一旦超過混凝土承受的拉應力極限，勢必會產生混凝土表層裂縫。

（4）受到溫度影響。在大體積混凝土施工過程中，混凝土養護工作尤其重要，一般情況需要在20℃的溫度環境下進行養護。但是隨著環境溫度的變化，一旦超出這個范圍就會對混凝土的強度造成不良的影響，尤其是在溫度下降的情況選，就會產生溫度應力變化，進而使得裂縫產生。

2 工程概況

某工程由于工程的特殊性，所以對其支撐結構的抗裂要求較高。從平面圖紙來看，該項目工程的底板筏基為中間正六變形呈下沉臺階的對稱圓形，見圖1，底部標高為-12.500m，中間正六邊形下沉臺階的厚度為2.55m，邊緣厚度則在4.55m，總的混凝土方量在7300m3左右。在底板施工過程中，主要采用的分層一次性不間斷連續的澆筑法進行施工，將整個筏板連成以各整體，且沒有伸縮縫。

圖1 筏基礎平面

由于混凝土方量較大，結構較為復雜，且抗裂要求較高，加之該項目環境的影響，存在較大的晝夜溫差，因此使得混凝土養護工作難度增大。另外，在大體積混凝土施工過程中，降低或者延緩水化熱釋放始終是重點關注的問題，需要對混凝土的原材料配合比進行優化，從而保證混凝土強度的同時，能夠降低水泥用量和增加粉煤灰的比例，進而達到降低或延緩水化熱釋放的目的。該項目的底板混凝土原材料構成為：水泥型號為P·Ⅱ42.5，粉煤灰等級為F類Ⅰ級，主要使用了河砂和中砂，碎石的直徑有兩種類型，分別是5～25mm和16～31.5mm，水則是淡水，并添加了ZWL-A-2型高效緩凝泵送劑。具體的配比參數及混凝土熱性能參數可見表1和表2。

表1 混凝土相關參數

表2 混凝土熱性能參數

3 混凝土溫度和應力模擬分析及控制措施

3.1 溫度分析

在對混凝土溫度分析過程中，主要是針對水泥水化熱反應全過程，包括水化熱的產生、傳導及流失，主要采用的是有限元模擬計算方法，利用熱源函數、彈性模量函數、溫度變化函數等來反映混凝土動態養護工況下的水化熱全過程。考慮到工程特殊性及混凝土筏基的約束條件，在采用有限元模型計算時需要對混凝土筏基、墊層和基巖進行建模，同時在計算過程中需要考慮到基巖對混凝土筏基的影響，厚度方向上取5m，邊緣寬出筏基4m的距離。

筏基混凝土為雙軸對稱，計算時則選取1/4模型，并采用空間八節點等單元劃分網絡，見圖2。溫度取值按照當地近三年同期平均氣溫進行模擬，根據混凝土材料配合比及水化熱參數計算可得熱源函數，見圖3。對水化熱、環境及邊界約束工況下的筏基不同齡期溫度變化計算，具體可見圖4。根據圖4分析得知，在水泥產生水化反應時，溫度加速升溫，并在內部結構中聚集熱量，在達到峰值65.8℃后進入到了降溫階段，且降溫速率逐漸降低。

圖2 底板基礎有限元模型

圖3 混凝土熱源函數

圖4 筏基不同齡期溫度變化

3.2 應力分析

考慮到溫度變化使得混凝土應力發生變化，進而使得混凝土開裂，通過利用彈性模量函數來反映各溫度階段反映混凝土拉力情況，見圖5和圖6。

根據上圖分析得知，72h前應力發揮主導作用，由于邊緣位置較早進入降溫階段，所以首先在角部和策略出現應力。隨著這些部位溫度快速降低，拉應力也逐漸增大，很容易產生混凝土表面開裂的情況，因此需要加強這一階段的保溫養護，將里表溫差降低。待7d后，由于溫度速率降低使得拉應力趨緩，各部位溫度梯度也逐漸減小，屬于整體可控的狀態，但是仍然需要對快速降溫階段加以重視，需要提前采取有效的預防措施進行控制。這便需要加強施工監測，對混凝土不同部位的溫度變化進行實時監測，可以通過在閥基混凝土中可觀的部位安裝3層傳感器進行監測。

圖5 彈性模量函數

圖6 正應力分布

4 結論與建議

本文先是分析了大體積混凝土常見的裂縫類型及成因，然后結合具體工程項目驗證了大體積混凝土施工中裂縫的原因，并通過有限元模擬計算獲得相關數據，以此了解混凝土溫度和應力變化，以此為控制裂縫提供數據支撐。具體獲得以下結論：

（1）在混凝土澆筑過程中，快速降溫階段是混凝土開裂的危險階段，因此需要在這一階段采取有效的溫度控制措施和應急方案，確保應力趨于緩解。

（2）混凝土原材料的配合比對其溫度變化和應力變化影響較明顯，因此需要降低或延緩水化熱的釋放，以此控制裂縫問題產生。

（3）在混凝土養護過程中，由于空氣中流散熱度較強，使得表面收縮較強烈，加之存在空間復雜性的約束，很有可能發生開裂問題，因此在養護時也要重點關注一問題，采取有效措施解決。另外需要提前對極端天氣進行預警，制定應急方案，避免出現開裂風險。