緩凝是解決大體積混凝土裂縫控制問題的最佳方法

林歡

（92301 部隊，北京 100166）

編者按：該文的觀點是作者基于某次大體積混凝土試驗，分析試驗數據繪制的圖形并依據作者長期的施工實踐經驗提出的一個設想。但作者未能從裂縫機理上分析論證其設想，亦未作進一步的試驗驗證其設想。

該設想有待進一步證實，本刊希望更多的業內人士能夠參與本課題的研究與論證。

大體積混凝土施工中裂縫控制問題是工程技術人員繞不開的話題，為防止裂縫的產生，多是參照 GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》等規范標準要求和現行通用做法組織施工，就部分工程師而言，因類似的工程應用對比經驗不多，加之目前的施工技術缺乏能讓人產生共識且簡單易行、立竿見影的解決辦法，有些工程的控裂施工效果還不盡人意，裂縫問題時有發生。筆者結合實際工程控裂措施和效果的分析認為，對混凝土進行緩凝是解決大體積混凝土施工裂縫控制難題的重要措施。

1 緩凝控制裂縫的雙重作用機理

眾所周知，大體積混凝土產生裂縫的主要原因是內表溫差或表外溫差過大，導致混凝土內部拉應力超出其極限值而引起。GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》的要求是將內表溫差控制在 25℃ 以內，表外溫差控制在 15℃ 以內。目前，通行的解決辦法有降溫法和保溫法兩大類。降溫法主要包括使用中低熱水泥、用礦物摻合料替代部分水泥、內部鋪管通水降溫、骨料降溫等等。保溫法是在混凝土凝固之后，用保溫材料進行覆蓋，或是蓄熱水養護保溫等等。多年的實踐經驗證明，上述方法雖是目前通行的做法，也有許多成功的經驗，但是，失敗的案例也并不少見，且實際操作費工費時，同時，還會增加工程建設成本。

緩凝是解決當前大體積混凝土裂縫控制問題的有效方法之一，現行的規范標準也都有提及，但缺乏足夠的量化控制指標。文獻中對緩凝作用的解釋也僅限于緩解升溫，即讓更多的熱量在混凝土終凝前散發出去并有效降低最高溫度峰值，相應地也就能起到減少混凝土內表溫差和表外溫差的作用。另外，目前研究發表的緩凝對大體積混凝土控裂作用的文章資料相對較少，力度不夠，故沒能引起足夠的重視和廣泛應用。

其實，緩凝措施既不屬于上述降溫法的范疇，也不屬于保溫法的范疇，而是另辟蹊徑，是在讓最高溫度峰值有所下降的前提下，通過增大無害溫差來相應降低有害溫差，避免有害溫差過大而導致混凝土產生裂縫，這是緩凝措施的核心作用所在。對應現行規范標準中的“溫差”，我們先來定義兩個術語，一個是“無害溫差”，另一個是“有害溫差”。混凝土凝固（終凝）之前的內表溫差或表外溫差我們定義為“無害溫差”，因為混凝土凝固前的溫差不會在混凝土內部產生拉應力，對混凝土不構成裂縫危害。混凝土凝固之后新增加的內表溫差或表外溫差我們定義為“有害溫差”，因為它會使已經凝固的混凝土內部產生拉應力，是造成大體積混凝土開裂的真正原因。

對于已按強度等級配制好的混凝土和特定的環境而言，在沒有采取緩凝措施的前提下，混凝土最大內表溫差和最大表外溫差是基本不變的，相應的無害溫差和有害溫差也是基本不變的。當采用緩凝措施之后，最高溫度峰值會有所下降，相應的最大內表溫差和最大表外溫差也會有所調整，但重要的是，隨著緩凝時間的延長，在表層和內部混凝土發熱量相同的情況下，因表層散熱快、溫升慢，而內部散熱慢、溫升快，導致混凝土凝固前的內表溫差隨時間推移而逐漸增大，相應的凝固后新增加的內表溫差也就會減小，使有害溫差顯著降低，這就是緩凝措施最有價值的作用所在。而目前通行的溫差計算方法僅考慮實測最大內表溫差，未將混凝土凝固前的無害溫差扣除，使緩凝措施的雙重作用不能完全真實地體現出來，溫差計算結果不盡人意也就在情理之中，由此，其應用也就難以形成廣泛共識而得到全面推廣。

由于緩凝措施具有能降低最高溫度峰值和降低有害溫差的雙重作用，溫控效果十分明顯，加之施工方法簡單，現場管控無特殊要求，且建設成本不需增加，只需在配合比設計時依據環境溫度和緩凝時間要求，將減水劑調整為緩凝型減水劑即可，所以，緩凝措施是解決當前大體積混凝土施工裂縫控制問題最簡單、最有效、最經濟的方法。

2 試驗結果分析

2013 年 6 月，我部會同國家建材院在海南三亞進行了相關試驗，試驗的目的就是用數據來分析驗證緩凝作用的效果及相關技術規程的制定。為了與施工現場混凝土結構進行對比，我們選擇的試驗結構模型尺寸為長5 米、寬 4.6 米、高 3 米，體積總方量為 70 立方米，配制的混凝土強度為 C40。

鑒于海南三亞 6 月份氣溫較高，且模型尺寸大，我們將初凝時間定為大于 20 小時，終凝時間小于 36 小時。另外，為了盡可能減少水化熱，降低絕熱升溫，在配合比設計時，我們選擇與施工現場的實際配合比相同，都用礦渣粉和粉煤灰來替代部分水泥。

采取緩凝措施后，混凝土的初凝時間為 26.5 小時，終凝時間為 32.5 小時。表 1 是大體積混凝土模型試驗過程溫度記錄表，其中內表溫差是每個測溫時間點對應的 7 個表層溫度平均值與 3 個內部溫度平均值之差，外表溫差為每個測溫時間點對應的 7 個表層溫度平均值與 3 個外界氣溫平均值之差。

表 1 大體積混凝土模型試驗過程溫度記錄表

由表 1 可知，終凝時的無害內表平均溫差為11.3℃，無害表外平均溫差為 4.1℃，終凝后的最大內表平均溫差為 29.2℃，最大表外平均溫差為 17.5℃。按傳統的計算方法，最大內表平均溫差和最大表外平均溫差均超出規范要求，如將無害平均溫差扣除，則實際最大內表有害平均溫差為 17.9℃（29.2℃-11.3℃），最大表外有害平均溫差為 13.4℃（17.5℃-4.1℃），兩者均滿足規范要求。另外，通過對結構模型一年多的外觀檢查和鉆芯取樣分析，均未發現有結構性裂縫發生，試驗結果明顯優于施工現場相同強度配比和體量而未采取緩凝措施的實體結構。

如僅從實測的最大內表平均溫差 29.2℃ 這一結果來看，已大大超出規范小于 25℃ 的控制要求，按常理結構模型會出現裂縫，可實際情況并非如此，這恰好反過來證明，緩凝的核心作用在于有效降低最大有害內表溫差，而不是通常所理解的僅降低最大內表溫差。

另外，依據內表平均溫差和表外平均溫差實測數據分析，如施工條件允許，應盡可能將終凝時間定在晚上環境氣溫較低的時候來反推混凝土澆筑時間，這樣，更有利于提高混凝土終凝時的無害內表溫差和無害表外溫差，相應的也就能有效降低最大有害內表溫差和最大有害表外溫差。

圖 1 是根據表 1 數據繪制的有害溫差區域圖。其中上下兩條虛線分別顯示的是，終凝后對應每一時間點混凝土有害內表溫差計算的起點溫度和有害表外溫差計算的起點溫度，前者起點溫度是表層溫度加上終凝時的無害內表溫差 11.3℃，后者起點溫度是外界氣溫加上終凝時的無害表外溫差 4.1℃。

從圖 1 可以看到，隨著時間的推移，內部溫度曲線越來越陡，而表面溫度曲線相對較緩，由此可知，緩凝時間越長，特別是從初凝到終凝的時間越長，終凝時的無害溫差就會越大，終凝后的有害溫差也就會越小，對控制裂縫也就越有利。

根據以往的經驗數據，傳統的降溫方法，就其單項措施而言，也就能降低有害溫差 3～5℃ 左右，而本次緩凝試驗結果卻能有效降低有害溫差在 10℃ 以上，可見，緩凝是當前解決大體積混凝土施工裂縫控制問題最有效的方法。

另外，采用緩凝措施施工的大體積混凝土，當內部溫度自然下降到內外保持平衡狀態之后，混凝土終凝時的無害溫差將會轉化為壓力差，這一長期存在的外小內大的壓力差，對抵御北方嚴寒地區溫度驟變將會起到積極有效的緩解作用，增強碼頭、大壩等室外環境大體積混凝土結構的抗裂性和耐久性。

3 結語

在大體積混凝土廣泛應用的今天，其施工裂縫控制問題越來越引起人們的高度重視，就當前已知的裂縫控制措施而言，緩凝的方法具有更廣泛的適用性、效用性和經濟性。依據上述數據分析可以推定，在采取恰當緩凝措施的前提下，如在配合比設計時將最高溫度峰值控制在 80℃ 以內，或是絕熱溫升控制在 50℃ 以內，將大體積混凝土視為普通混凝土來組織施工和質量管控是完全可能的，這也必將會受到建設者的喜愛和廣泛應用，促進混凝土施工技術的科學發展。

圖 1 有害溫差區域圖