大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂紋產(chǎn)生的原因分析及預(yù)防措施

胡 義

（四川中成煤炭建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

混凝土裂紋往往是內(nèi)部或外部因素共同作用下產(chǎn)生應(yīng)力變形所致。在空間結(jié)構(gòu)任意方向上最小尺寸在1m 以上的混凝土結(jié)構(gòu)通常稱為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于其超厚、超重、超長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特征，使其在攪拌和凝固過程中內(nèi)部化學(xué)和物理反應(yīng)體量更大，熱量傳遞和物理變形更加復(fù)雜，使大體積混凝土結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力也十分復(fù)雜。因此，本文對(duì)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和機(jī)理進(jìn)行分析，并提出在工藝操作上應(yīng)采取的預(yù)防措施。

1 大體積混凝土裂紋產(chǎn)生的原因分析

大體積混凝土裂紋產(chǎn)生的原因主要是溫度應(yīng)力和內(nèi)外部約束應(yīng)力的共同作用。

1.1 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力是大體積混凝土產(chǎn)生裂紋的最重要原因。一方面，水化熱是溫度應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在澆筑期混凝土中水泥化學(xué)反應(yīng)放熱，使大體積混凝土內(nèi)外部溫差一般可達(dá)到15~30℃，最大可達(dá)到60℃，混凝土水化熱測(cè)試圖如圖1所示。

圖1 混凝土水化熱測(cè)試圖

水泥凝結(jié)和硬化過程，例如硅酸鹽水泥的化學(xué)反應(yīng)，最基本的反應(yīng)式為：

從上式可以看出，其過程主要是碳酸三鈣、硅酸鹽和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成凝膠和氫氧化鈣（將繼續(xù)反應(yīng)），這一過程是水泥從攪拌狀態(tài)到澆筑過程的反應(yīng)，后續(xù)還會(huì)發(fā)生從凝固到硬化的過程。所有過程均會(huì)發(fā)生放熱現(xiàn)象。對(duì)于小體量的混凝土，例如樓板、墻體結(jié)構(gòu)厚度較小的結(jié)構(gòu)，即使存在放熱也會(huì)很快散發(fā)，一般可不考慮水化熱的影響問題。但大體積混凝土厚度往往可以達(dá)到1m 以上，其水化放熱量十分巨大，進(jìn)而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

另一方面，絕熱現(xiàn)象促使水化熱對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用更加明顯。大體積混凝土有著“溫度梯度”現(xiàn)象，即越靠近中心溫度越高，越靠近四周則溫度逐漸降低。這主要是因?yàn)榇篌w積混凝土存在更大的厚度，導(dǎo)致其參與水化熱的體量更大，散熱路徑更長(zhǎng)。通過溫度測(cè)試（見圖1 所示）可以看出，從中心向四周溫度是遞減的。由于長(zhǎng)時(shí)間無法有效散熱，將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度應(yīng)力集聚，并且在內(nèi)部中心向四周形成梯度的應(yīng)力變化過程中，其溫度應(yīng)力會(huì)持續(xù)存在，如果散熱不夠及時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生裂紋。

水化熱和絕熱現(xiàn)象的相互作用，是大體積混凝土產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。

1.2 內(nèi)外部約束應(yīng)力

內(nèi)外部約束應(yīng)力是基于溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力及其他應(yīng)力，混凝土自身形成的固有抵抗力。外部約束力主要來源于地基的支撐和外部模具、支座等向內(nèi)的約束應(yīng)力。由于大體積混凝土往往不存在底面模板，因此，其地基的堅(jiān)實(shí)和平整程度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響更大。內(nèi)部約束應(yīng)力則主要是對(duì)溫度變形、干縮變形的抵抗能力。一方面，對(duì)大體積混凝土而言，由于內(nèi)部水化熱反應(yīng)不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生相互約束的應(yīng)力，但在溫度應(yīng)力和內(nèi)部約束應(yīng)力的相互作用下，往往內(nèi)部約束作用不足，就會(huì)形成裂紋。另一方面，混凝土的彈性模量不足造成內(nèi)部約束應(yīng)力影響較大。在大體積混凝土中，因?yàn)榛炷恋挠昧蠁栴}造成初凝階段彈性模量不足，以及后期養(yǎng)護(hù)過程中的溫濕度控制存在問題，造成硬化過程中的彈性模量不足，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土在內(nèi)部應(yīng)力作用下形成裂紋。

2 預(yù)防大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂紋的措施

針對(duì)大體積混凝土裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，應(yīng)在混凝土原材料選擇、配合比優(yōu)化、澆筑方法以及溫度控制方面提出針對(duì)性的預(yù)防措施。

2.1 合理選擇混凝土原材料及優(yōu)化配合比

選擇合理的混凝土原材料，可以有效地減少絕熱溫升，使混凝土散熱良好，減少水化熱溫度，降低溫度應(yīng)力；同時(shí)，還可以通過摻入抗裂性能較好的添加劑，使得大體積混凝土從基礎(chǔ)層面減少裂紋發(fā)生的可能。

2.1.1 合理選擇低熱水泥

選擇低熱水泥可以降低水化熱溫度和提高抗裂性能，如中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣水泥或摻入粉煤灰，這些類型水泥的水化熱溫度更低，抗裂性能更強(qiáng)。但同時(shí)需嚴(yán)格控制低熱水泥的用量，因此，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行試塊制作和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，避免出現(xiàn)低強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)，且在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，可觀察混凝土試塊是否存在裂紋現(xiàn)象，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。另外，還需根據(jù)各項(xiàng)目混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能要求，做好原材料的選擇，如一些壩體施工用的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，不僅需要抗裂能力，還要有抗腐蝕、抗融凍能力、抗拉強(qiáng)度等，所以標(biāo)號(hào)較高的中熱水泥一般是大體積混凝土的首選。

2.1.2 合理摻入混合材或外加劑

摻入粉煤灰、燒黏土、礦渣、減水劑等，降低水泥配合比，將有效減少絕熱溫升，進(jìn)而加快水化熱的傳遞，避免形成“溫度梯度”現(xiàn)象。減少溫升的同時(shí)要避免對(duì)混凝土強(qiáng)度造成影響。

2.1.3 優(yōu)化配合比降低絕熱溫升

混凝土配合比不僅對(duì)強(qiáng)度、坍落度等有著較大影響，對(duì)混凝土的絕熱溫升也有著較大的影響。因此，在大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮混凝土的強(qiáng)度、流動(dòng)性以及絕熱溫升影響。如果水泥含量過高，將會(huì)導(dǎo)致澆筑時(shí)溫升峰值較高，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮摻入其他原料減少水泥用量，優(yōu)化配合比，以減少絕熱溫升。大體積混凝土應(yīng)用減水劑的配合比設(shè)計(jì)見表1 所示。

表1 混凝土加入減水劑的配合比設(shè)計(jì)

2.2 采取分層分段澆筑工藝

由于大體積混凝土澆筑時(shí)體量巨大，會(huì)出現(xiàn)澆筑時(shí)間過長(zhǎng)的問題。因此，選擇分層分段的澆筑形式，以減少水化熱現(xiàn)象以及由水泥初凝造成的冷縫現(xiàn)象。

2.2.1 地基的有效處理

在分層分段澆筑前，考慮大體積混凝土外部約束應(yīng)力的作用，減少重力影響造成的不平衡裂紋現(xiàn)象，要對(duì)澆筑范圍內(nèi)的地基逐層進(jìn)行夯實(shí)和平整，減少薄弱點(diǎn)。對(duì)于存在深基坑的工程，則要考慮降水要求，避免基礎(chǔ)浸泡形成軟弱土質(zhì)。

2.2.2 合理設(shè)置分段澆筑范圍

對(duì)于長(zhǎng)度較大的大體積混凝土，如路橋施工、壩體施工，必須分段澆筑。一方面，混凝土本身的熱脹冷縮作用不僅在后期運(yùn)營(yíng)階段存在，在凝固、硬化階段更加敏感。因此，分段澆筑是最穩(wěn)妥的做法。另一方面，混凝土的初凝時(shí)間十分短暫，一般為2min，而長(zhǎng)度較大的澆筑，必然形成初期位置的混凝土和末端位置的混凝土凝固程度差異很大，這不僅不利于振搗和表面處理，更會(huì)影響到混凝土的整體性，容易形成冷縫。因此，分段澆筑時(shí)需設(shè)置膨脹縫，一般膨脹縫不超過20mm，通常使用分隔板分割。對(duì)于不同體量的混凝土結(jié)構(gòu)其膨脹縫間距各不相同，需依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。總體原則為首段和末端位置澆筑時(shí)間不大于2min，否則要添加抗凝劑以增加初凝時(shí)間。

2.2.3 分層澆筑與振搗

分層澆筑是減少水化熱應(yīng)力和絕熱溫升的有效方式。通過分層澆筑，可以使前一層的水化熱能夠有效散發(fā)，避免熱量聚集；同時(shí)，絕熱溫升自然也會(huì)相應(yīng)地減少。分層澆筑是在分段基礎(chǔ)上，逐層澆筑的方式，在澆筑的同時(shí)還要分別進(jìn)行振搗作業(yè)。混凝土分層澆筑示意圖如圖2所示。

圖2 混凝土分層澆筑示意圖

一是分層澆筑，一般分層30~50cm 為宜。分層澆筑可以選擇水平分層澆筑，也可以斜向分層澆筑，當(dāng)選擇斜向澆筑時(shí)，按照從下向上8°~10°的仰角為宜。二是振搗作業(yè)，每澆筑一層要立即進(jìn)行振搗，隨后繼續(xù)澆筑，為提高效率，可以澆筑和搗振同時(shí)進(jìn)行，避免大體積混凝土集聚空洞、氣泡。

2.3 有效控制混凝土內(nèi)外部溫差

控制內(nèi)外部溫差的總體原則為“內(nèi)部降溫，外部保護(hù)”。減少內(nèi)外部溫差，使混凝土溫度應(yīng)力及其產(chǎn)生裂紋的可能性減小。

2.3.1 內(nèi)部降溫的措施

混凝土內(nèi)部降溫主要考慮在混凝土澆筑階段，減少混凝土的混合溫度和澆筑溫度。

（1）降低混凝土各基材的溫度。可以在攪拌時(shí)使用冰水混合物代替普通溫度的水源。一般冰的添加量為40%~50%，可降低混凝土溫度3~5℃；也可以預(yù)冷骨料，通過強(qiáng)制風(fēng)機(jī)降溫或冷水降溫的方式進(jìn)行。

（2）選擇溫度適宜的施工環(huán)境。大體積混凝土往往在室外施工，低于5℃的環(huán)境溫度不利于混凝土的凝固。因此，澆筑施工時(shí)應(yīng)選擇不低于5℃，但總體盡量偏低的室外溫度。

（3）縮短混凝土在高溫下的暴露時(shí)間。在高溫時(shí)段，混凝土的準(zhǔn)備時(shí)間要短，如攪拌、運(yùn)輸過程中暴露時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成內(nèi)部溫升及初凝現(xiàn)象。因此，要選擇就近用材，減少暴露時(shí)間。

（4）在混凝土澆筑期，在混凝土內(nèi)部鋪設(shè)冷卻水管，在后期通過冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。但該措施要嚴(yán)格控制管路鋪設(shè)間距，混凝土越厚則絕熱現(xiàn)象更嚴(yán)重，管路間距應(yīng)更小。例如，混凝土厚度為1.5~2m 之間，冷卻水管路鋪設(shè)間距宜為1.5m，當(dāng)厚度超過2m 時(shí)，間距宜為1m。

2.3.2 外部保護(hù)的措施

外部保護(hù)措施是通過外部加溫或保熱的形式，降低中心到四周的溫差，減少絕熱溫升所導(dǎo)致的應(yīng)力，進(jìn)而減少裂紋。外部保護(hù)措施主要應(yīng)用于養(yǎng)護(hù)階段：

（1）濕水控制，水溫不能太低，應(yīng)高于環(huán)境溫度，并慢澆、澆透為宜，提升表面溫度。

（2）使用絕熱材料包覆，最常見的有薄膜、編織袋、木板、干沙等，其目的同樣是減少表面溫度過低，減少內(nèi)外部溫差的作用。

3 結(jié)束語

綜上所述，大體積混凝土因其結(jié)構(gòu)的特殊性，其凝固、硬化過程中的溫度應(yīng)力表現(xiàn)更加劇烈，極易造成裂紋現(xiàn)象。因此，在預(yù)防措施中，重點(diǎn)以溫度控制為核心，從原材料選擇、配合比優(yōu)化、分層分段澆筑以及施工操作方面采取有效措施減少水化熱溫度、絕熱溫升影響，從而有效減少混凝土內(nèi)外部溫差，控制大體積混凝土裂紋的發(fā)生。