大體積混凝土開裂的原因及防裂措施

許雪艷

（山西旅游職業學院，山西 太原 030031）

1 大體積混凝土結構的施工特點

1.1 施工復雜度高

大體積混凝土施工受材料、施工工藝、環境溫度等內、外因素影響，施工復雜度高，可能因對某些因素管控不到位而出現質量問題。同時，大體積混凝土對溫度較為敏感，如混凝土澆筑時，水泥水化熱導致溫度升高，不利于混凝土正常成型，此外，環境溫度等均有可能影響混凝土的施工質量。

1.2 裂縫的發生率高

大體積混凝土結構尺寸較大，施工時，所用混凝土材料較多，結構內部的混凝土澆筑過程中會伴隨劇烈的水化熱，若水化熱程度未在許可范圍內，將引起溫度應力和應力收縮，使大體積混凝土結構表面產生裂縫，從而影響結構完整性、穩定性、防水性等多項性能。

2 大體積混凝土裂縫成因

設計和施工兩個階段的工作未落實到位均有可能引起大體積混凝土裂縫，各自又細分為諸多因素，具體如圖1 所示。

圖1 裂縫產生的原因

可根據裂縫類型不同，探尋成因。

2.1 干縮裂縫

混凝土與水混合時，有明顯的水分蒸發現象，由于水分降低，混凝土內部開始干縮，出現不同程度的干縮裂縫。隨著水分蒸發量增加，內部收縮愈發劇烈，產生的拉應力較強，混凝土成型過程中出現異常，表現出表面干縮裂縫。

2.2 沉陷裂縫

若建筑物地基缺乏均勻性，或建筑建設在松散土質中，建筑物會隨基礎沉降而下沉，此時混凝土結構可能出現沉陷裂縫。若混凝土施工時模板間距較大或所用模板強度不達標，混凝土施工后，也容易出現沉陷裂縫。

2.3 溫度裂縫

混凝土澆筑后發生凝固和硬化，水泥水化熱在此階段釋放熱量，而大體積混凝土施工時材料用量較大，水泥水化熱劇烈，外部混凝土的熱量可正常散失，而內部混凝土因封閉性較強而出現熱量持續積累的情況，迫使內部溫度大幅升高，大體積混凝土內、外存在明顯溫差。由于溫度的差異化，混凝土內部和外部表現出不同程度的熱脹冷縮，內部溫度較高發生膨脹，產生較強的拉應力，并作用于混凝土表面，混凝土無法承受過強的拉應力時出現裂縫，且隨著拉應力的增加，裂縫愈發明顯。

2.1.2 結構變動度分析[8-10]。結構變動度是一種分析費用構成總體特征和結構變動趨勢的動態數據處理方法，最早用于經濟學領域中居民消費結構的分析[11]，近幾年在醫療衛生費用方面的應用引起關注，且多項研究表明，結構變動度分析方法能對醫療收入的結構變動情況進行有效的分析[9, 12, 13]。

3 大體積混凝土防裂措施

防裂的基本思路如圖2 所示。

圖2 大體積混凝土防裂措施

3.1 科學設計

經周密設計后，從源頭上降低裂縫的發生率，以大體積混凝土結構內部設計為例，作如下分析：

（1）精心挑選高強度鋼筋，規劃鋼筋的布設區域，協調各鋼筋位置。科學配筋，發揮鋼筋材料在提高混凝土結構抗裂性方面的作用。以厚度為400～600 mm 的墻板為例，若為此類墻體配置構造鋼筋，可發揮出類似于溫度筋的作用，此時增設的鋼筋有助于提高混凝土的抗裂性能。宜按照小直徑、小間距的原則配置構造筋，較可行的方案是采用直徑6～14mm 的構造筋，按照100～150mm 的間距布設。若條件允許，根據對稱原則進行全截面配筋。

（2）混凝土施工方法需合理，在設計階段考慮混凝土澆筑速度、澆筑方量、振搗頻率、振搗時間等。轉角和孔等局部混凝土強度低于其他部位，可能出現斷面突變現象，為予以規避，可采取增設鋼筋的方法。

（3）大體積混凝土施工量大，施工期間考慮因素較多，難以在混凝土澆筑過程中同步鋪設施工縫，因此，可采用后澆施工縫的方式，即在混凝土澆筑后進行施工縫設置。若施工縫設計合理，將有效降低大體積混凝土凝結期間的應力，避免因應力作用過強而導致部分結構異常。

3.2 合理選取原材料

（1）水泥。大體積混凝土施工中，水泥有劇烈的水化熱，易引起裂縫。因此，在大體積混凝土施工中宜采用低熱水泥，而根據水化熱是其礦物成分與細度函數的規律，可通過優化礦物組成和調節水泥細度等方法抑制水泥的水化熱。其中，提高熟料中C2S 和C4AF 含量，降低C3A 和C3S 含量具有可行性。

（2）活性混合材料。粉煤灰是混凝土施工中應用較為廣泛且效果良好的活性混合材料，合理選擇粉煤灰類型并控制用量后，可減少水泥摻量，避免因水泥劇烈水化放熱而導致混凝土溫度異常。粉煤灰的火山灰反應速度遲緩，在短時間內無明顯發熱，以第7d 為例，其發熱量約為同條件下純硅酸鹽水泥的17%，據此進一步分析兩種材料對混凝土內部溫度升高的影響，若采用100kg 純硅酸鹽水泥，混凝土內部溫升達到8℃～12℃，而調整為等量的粉煤灰后，將有效抑制溫度上升，降低頂峰溫度，且更長時間后才會出現頂峰溫度，對現場施工及質量控制均有利。摻入粉煤灰可改善混凝土的和易性，便于混凝土施工。

（3）外加劑。大體積混凝土中摻入外加劑主要具有如下作用：一是緩凝作用。水泥水化熱釋放的熱量高，混凝土內部溫度和外部溫度存在差異，易因溫差過大而引起大體積混凝土開裂。若向混凝土中摻入外加劑，可發揮其緩凝作用，放緩水泥的水化放熱速率，避免大體積混凝土內部溫度異常升高，也便于散熱，從而避免溫度裂縫。二是高效減水作用。突出效果在于降低混凝土的拌和用水量，而在W/G 不變的條件下，拌制相同規模的混凝土時，水泥用量減少，從源頭上減弱水泥的水化熱作用，降低大體積混凝土結構裂縫的發生率。

3.3 施工工藝控制

通過多項措施聯合控制大體積混凝土裂縫，具體見表1。

表1 大體積混凝土裂縫控制措施

實踐表明，大體積混凝土的表面系數明顯影響其溫度升高狀況和溫差程度，為強化溫度控制效果，建議單面、雙面散熱時，結構斷面的最小厚度分別在75 cm 以上、100 cm 以上。

3.4 全面養護

養護方法需根據大體積混凝土施工環境而定，以夏季施工為例，夏季環境溫度較高，宜在混凝土終凝后覆蓋塑料膜和保溫層，適量灑水，避免混凝土干縮。養護過程中及時測量溫度并進行控制，如混凝土硬化時，中心與表面以下50 mm 的溫差不大于20℃；表面以下50 mm 的溫度與表面外50 mm 處的溫度差不大于25℃；混凝土降溫速度不超過1.5℃/d；密切關注大體積混凝土各關鍵部位的溫度，確定溫差，在表面溫度與大氣溫度差值不大于20℃時，可撤除保溫層。

大體積混凝土溫度控制的關鍵特征值在于澆筑溫度Tp、最終穩定溫度Tf、最高溫度Tm（取Tp和Tr的總和，其中Tr為混凝土的水化熱溫升）。因此，大體積混凝土內外溫差為：

不同溫度指標的控制難度存在差異，其中，Tf的高低與保溫條件和現場環境有關，且易因氣候條件變化而發生波動，缺乏可控性，宜將Tp和Tr作為溫差控制的重點對象。隨著Tp的提高，水泥水化速度加快，達到20℃、30℃時，第一個24h 內水泥水化產生的熱量分別占7d 全部水化總熱量的43%、62.5%，混凝土僅以較短時間便達到溫度最高值，熱量散發時間縮短，混凝土溫度降低效果差。Tp的高低與原材料的初始溫度密切相關，為在許可范圍內最大限度地降低Tp，可針對原材料采取降溫措施，或在條件允許時于環境溫度較低的時段施工。Tr的高低主要受水泥性質和齡期的影響，關系式如下：

式中：

Co——單位水泥用量，kg/m3；

pc——混凝土表觀密度，kg/m3；

Ho——水泥水化熱，J/kg；

Cc——混凝土比熱容，J/kg·℃；

a——試驗常數，視水泥特性而定，如早強水泥、普通水泥、中熱硅酸鹽水泥的a 值分別為1.2、1.0、0.9。

假定Cc取0.88J/kg·℃，pc取2 400kg/m3，則有：

即：水泥用量、水泥性質與齡期、水化熱是影響水化熱溫升的關鍵因素，為有效控制大體積混凝土溫度，需從各關鍵因素著手，采取應對措施。例如，選用水化放熱量低、放熱速度慢的水泥，在不影響混凝土性能的前提下，減少水泥用量，以免大體積混凝土施工較短時間內出現劇烈的水化放熱，從而降低大體積混凝土的內部溫度，減小內外溫差。

4 結語

綜上所述，相關工程人員應高度重視裂縫對大體積混凝土結構施工質量的影響，結合工程條件，做好設計、原材料選取、規范施工等工作，從源頭上預防裂縫，全面保證大體積混凝土的施工質量。