土建工程中大體積混凝土裂縫的防治技術

史金正 任書霞

（石家莊鐵道大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043）

0 引言

在高層樓房基礎、工業工程的大型設備基礎、水利大壩、大跨度橋梁工程等，經常會涉及到大體積混凝土的施工。大體積混凝土的體積大，表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部升溫比較快。水泥水化所釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮作用，會使混凝土產生溫度裂縫和收縮裂縫。這兩種裂縫在形式上表現為表面裂縫和貫通裂縫，都會影響大體積混凝土的結構安全和正常使用。因此，本文就大體積混凝土的裂縫防治施工技術進行探討。

1 大體積混凝土裂縫類型及產生原因

1.1 溫度裂縫

由于大體積混凝土在澆注施工和養護的過程中，會出現內外部溫差過大的問題。當混凝土內外部過大的溫差，所引發的溫度應力超出了大體積混凝土可能承受的抗拉強度時，就會引發裂縫問題。溫度裂縫形成的原因主要有以下三方面[1]：

（1）混凝土澆注初期，因水泥水化反應，產生巨大的水化熱，造成內外部溫度差，使混凝土產生大量裂縫，且通常在施工結束后的3h 左右產生；

（2）在大體積混凝土拆模澆注前后時間段，混凝土表層溫度會迅速降低，內外溫度變大，此時也很容易產生溫度裂縫；

（3）混凝土內部水化熱溫度達到最高值時，熱能會逐漸向外面傳播，此時混凝土表層的最低溫度與內部最高溫度相差較大,就會產生高溫裂縫。

大體積混凝土在水泥澆注的前幾天，會逐漸產生水化熱，由于大體積混凝土截面較大，散熱性能相對有限，水化產生的大量熱量（1kg 水泥水化產生的水化熱高達50000J）積聚在大體積混凝土中，導致內部溫度在澆注后幾天內呈線性上升，水化熱在前3d 最大，溫度收縮裂縫大約在澆注后2～10d 出現。大體積混凝土內部溫度變化如圖1 所示。

圖1 大體積混凝土內部溫度變化曲線

1.2 收縮裂縫

（1）在水泥散熱和硬化時期，水泥內部結構會發生緊縮情況，特別是大體積水泥的內部結構緊縮問題尤為突出，當該收縮應力值達到水泥的抗拉強度時，就會引發混凝土裂縫。實際上，混凝土在使用過程中，也會出現收縮問題，這同干縮的原理比較類似，但實際是因大體積混凝土內部水的遷移所造成的。

（2）在水泥水化過程中，由于混凝土會大量消耗水分而使凝膠材料在孔液面上產生沉降問題，這便是所謂的自干效應，且會逐漸減小水泥體的容積，引發裂縫問題。

（3）塑性收縮，也是導致大體積混凝土產生收縮裂縫的原因。當水泥達到過高工作溫度或水泥活性比較大的狀況下，由于建筑混凝土表層水分無法進行及時有效地補給，大體積混凝土也處在塑性狀態，稍微受到一些拉伸，即會產生不規則裂縫。

（4）碳化收縮裂縫，是大體積混凝土中的常見裂縫，主要為水泥和二氧化碳之間的化學反應，使混凝土出現收縮變形，且一般只有在濕度達到50%左右時，才可以出現碳化收縮裂縫。

（5）負載導致的裂縫。動載斷裂主要是指大體積混凝土或橋梁構件在常規靜載、動載等應力狀態下的混凝土斷裂。根據應力情況，可分為直接應力和二次應力。前者主要是指荷載直接作用引起的裂縫，主要是由于計算模型選擇不合理、內力和配筋錯誤、設計截面不足等原因造成的；或施工過程中大體積混凝土預制構件安裝、運輸、吊裝不合理；未進行結構的疲勞驗算；大體積混凝土橋梁結構存在強風、大雪或車輛撞擊等問題，都可能導致大體積混凝土荷載裂縫。

以上收縮引起大體積混凝土出現裂縫，操作中很多人不能準確分辨。經驗豐富的工程師用裂縫產生的的時間來判斷裂縫產生的原因：塑性收縮裂縫大約在澆注后幾小時到十幾小時出現；自收縮主要發生在混凝土凝結硬化后的幾天到幾十天；干燥收縮裂縫出現在接近1 年齡期內。

2 大體積混凝土裂縫的防治措施

2.1 收縮裂縫的防治

混凝土收縮裂縫的控制重點，就是控制相對濕度的改變，使建筑結構具備相對穩定的溫濕度。對溫濕度主要從以下幾方面進行控制[2]：

（1）進行混凝土表面的早期保養，水泥澆注完后，表層應盡快用草墊、草袋或塑膜遮蓋，并灑水濕潤保養。

（2）在溫度高、相對濕度低、風力大的氣候下，應及早涂抹、噴水霧保養，并適度拉長保養時限。

（3）采取密閉保水方式，在水泥表層鋪設保溫材料，使水分無法揮發，或采取其他保護措施，使室內空氣流轉(如設遮風墻、罩)、延緩表層水分揮發。

（4）正確選用配合比，可以減少水灰比及水泥用量、嚴格控制沙、碎石中的含泥量，并盡量避免用細沙，以增加水泥抗拉強度。

2.2 干縮裂縫的防治

干縮裂縫和高溫裂縫產生均與水泥混凝土的水化熱有直接關聯。干縮型裂縫的預防辦法大致包括以下幾點[3]：一是合理選擇混凝土品種,粉煤灰混凝土是大體積水泥澆注時常常使用的混凝土品種。粉煤灰混凝土能夠減少對混凝土水化熱反應的影響,從而降低了干縮性裂縫的產生。二是合理確定的混凝土配合比。水泥施工配合比能夠按照建筑要求和現場狀況,在滿足水灰比的前提下做出合理的調節,通過進行配合比調節能夠合理的預防干縮性裂縫的產生。

3 提高大體積混凝土澆注質量的措施

3.1 提高原材料質量

對大體積混凝土裂縫的防治,首先應從原材料品質管理入手,包括混凝土、粗細集料粒、外加劑、水等的品質，為保證混凝土澆注質量打下基礎。要采用低水化熱42.5 級普通硅酸鹽水泥；粗骨料使用一級級配碎巖,如果是在夏季施工,則需要對粗集料顆粒適當噴水降溫；細集料顆粒則使用中粗砂,并過濾出里面的雜質和污物,并嚴格控制含泥。所用自來水必須符合施工標準要求。總之,在施工前要嚴格進行原材料的質量檢查與檢驗,不合格的建筑材料則一律禁止澆注,為防止裂縫的形成創造條件[4]。

3.2 優化混凝土的設計

首先是對原材料的控制，對于大型水泥混凝土澆注工程，一般需要選擇水化熱較低的混凝土材料，結合埋設冷水管的方法，以減少水泥水化熱的影響。

（1）細骨料通常使用2 區中砂，粗骨料應盡可能減少收縮變形的影響。

（2）粉煤灰也可以作為外加劑適當添加，以減少水化熱的影響。

（3）大體積混凝土中經常使用一些外加劑。例如，使用膨脹劑可以在混凝土中產生一定的膨脹應力，可以用來抵消混凝土本身收縮引起的應力，并可以抑制裂縫的產生；使用減水劑不僅可以提高混凝土的強度，還可以減少水泥的使用，從而降低水化熱。

（4）與普通混凝土相比，大部分大體積混凝土必須要配筋。通過對大體積混凝土裂縫的觀察可以看出，大部分裂縫發生在轉角處設置斜鋼筋的位置。因此，可以用鋼筋代替相應的拉力控制裂縫的發展，設計時應盡量選擇中低硬度的混凝土，并在后期充分提高混凝土的硬度；應注意減少對構件的約束，選擇最小的鋼筋保護層厚度，以減少裂縫的發生。

3.3 做好澆注中的溫度控制

在混凝土澆注以后，要進行保溫、保濕性養護工作，以使混凝土緩緩降溫，發揮其徐變特點，從而減少高溫應力。在夏季防止暴曬，并注意保濕，在冬天則采取保溫覆蓋，以防出現劇烈的氣溫階梯變動。并制定合適的拆模日期，以延緩減溫速率，從而拉長減溫持續時間，以充分發揮混凝土的“應力松弛效應”；同時做好測量與高溫監視工作，可通過熱敏溫度計多點監控，以便隨時了解混凝土結構內部的溫度變化。混凝土的內部溫度差，宜控制在±25℃之內，將底面內外溫差和基底表面內部環境溫度均限制在20℃之內，并適時調整保溫方法，使混凝土的內部溫度梯度和溫濕率均不會太大，有效抑制裂縫的形成。

3.4 改進混凝土的施工工藝

較大體積基礎采用分層分塊水泥澆注，以控制集料顆粒的含泥率。砂、石含泥用量過大，不但增大了混凝士的收縮，同時會減小了水泥的抗拉力，對水泥的耐裂性非常不利。所以，在混凝土拌和時選用級配良好的粗骨料，且砂石含泥率控制在1%以內，中細粒含泥量控制在2%以內，通過控制沙、砂石含泥量，減輕對水泥耐裂性的影響。

改進水泥混凝土的施工工藝，可選擇二次投料法、兩次振搗法、在混凝土澆注后及時清除表層積水和最上層砂漿等，做好早期保護，增加混凝土早期和相應齡期的抗拉強度和彈性模量。在大體積混凝土基層表面布設抗裂鋼網片，以改變應力分配，避免裂縫的產生。避免由減溫和干縮共同效應所引起的應力強度疊加現象。

在水泥中添加水泥使用量的5%～10%的VEA 混凝土微膨脹劑，以抵御由于干燥和降溫而產生的混凝土收縮，從而抑制混凝土裂縫。同時采用“雙控計算”的預防措施，即在澆注混凝土之前按施工要求，測算可能形成的最大降溫收縮拉應力，當拉應力大于規定齡期的混凝土最大抗拉強度時，通過調整措施將最大拉應力值控制在規定范圍內；

混凝土澆注后，應通過實際室溫和氣溫的升降曲線，測算各個階段降溫時混凝土的累計拉應力，當其超過了該齡期的混凝土抗拉極限強度時，就應當進行保溫養護處理，使各個階段降溫時混凝土的累計拉應力低于該齡期混凝土所容許的最大抗拉強度值，從而控制裂縫發生。

3.5 加強混凝土養護

混凝土澆注后，應及時做好養護(保溫層材料和厚度待定)。水泥表層壓平后，在混凝土表層噴水,然后再覆一層橡膠薄膜,接著在橡膠薄膜上涂抹保溫層進行養護，保溫層在夜間要涂抹得嚴密，以避免水泥裸露,中午后溫度較高時可打開保溫層以適當散熱。在底部的塑膠布下預設了補水軟管,與補水軟管間距為68m,沿管道長度方向每100mm 開5mm 水孔，并按照底板的濕漉漉程度在管內灌水。混凝土泌水結束后，為避免面層起粉和塑性收縮，需要進行反復搓壓。最后一次搓壓則是采取“邊掀開、邊搓壓、邊覆蓋”的方法。而對于底板表面無法連續包覆的地方，如墻、支柱插筋部位、鋼梁等,采取掛麻袋片、塞聚苯板等方法,并盡可能地進行包覆,避免“冷橋”現象。混凝土施工完成后24h 內,除檢查測量裝置和覆蓋材料外,嚴禁踩踏。保溫層拆除需在混凝土超過規定強度,且表面溫度和周圍環境氣候差要低于20℃時方可進行，并在中午后溫度較高時才可進行保溫層拆除。

4 結束語

總而言之，大體積混凝土施工中容易出現裂縫，需要從施工的各個環節進行控制。從原材料的質量控制到混凝土的配合比設計，澆注施工過程的要點把控及后期維護監測工作，每一環節都要嚴格按相關標準要求作好施工控制，才能有效防治混凝土的裂縫產生。當出現裂縫時，必須及時采取措施控制混凝土裂縫的進一步擴展，并從施工工藝上進行進一步處理，以保證大體積混凝土的最終的施工質量。