大體積混凝土結構裂縫成因及技術優化

摘 要：在建筑工程規模不斷擴大、復雜程度日益加深的視域下，大體積混凝土結構因其出色的承載力和耐久性，在水利、能源、交通等多個領域得到了廣泛應用。然而，由于大體積混凝土內部水化熱量聚集、溫度梯度大、收縮變形顯著等特點，極易產生溫度裂縫和收縮裂縫，嚴重影響結構的安全性、耐久性和使用功能。因此，本文將結合工程實例，全面剖析裂縫產生的原因，并提出切實可行的技術優化策略，以期為同類工程提供借鑒參考。

關鍵詞：大體積混凝土結構；裂縫成因；技術優化

1 前言

在新時代下，建筑行業正迎來前所未有的發展機遇，大體積混凝土結構作為現代建筑的重要組成部分，其質量與安全性能逐漸受到社會各界的廣泛關注。然而，隨著施工技術的日益復雜，大體積混凝土結構裂縫問題逐漸凸顯，這不僅影響了建筑物的美觀和使用壽命，更對結構的安全性和穩定性構成了潛在威脅。因此，深入探究大體積混凝土結構裂縫的成因，并尋求有效的技術優化措施，已成為建筑行業亟待解決的重要課題。

2工程概況

以某大型水利樞紐工程為研究對象，該工程主體為一座高達105 m的重力壩，壩體最大寬度達72 m，體積超過100萬m3，混凝土用量高達120萬t，堪稱國內外同類工程之最。壩體采用分段、分層、分塊澆筑方式，每層澆筑厚度3 m，最大澆筑塊體積達1.5萬m3，最高日澆筑強度1.2萬m3，澆筑完成后采用水循環冷卻技術控制混凝土內部溫度。工程于2018年4月開工，2021年10月主體完工，建設周期42個月。受壩址區炎熱氣候和工期壓力影響，壩體混凝土澆筑期間最高氣溫達38℃，內外溫差超過25℃，加之水泥用量大、水化熱高，壩體多處出現溫度裂縫和收縮裂縫，最大裂縫寬度達2 mm，給工程質量和安全帶來隱患。

3大體積混凝土結構裂縫成因分析

3.1材料因素

本大型水利樞紐工程所用水泥為普通硅酸鹽水泥，標號為42.5，水泥用量高達180 kg/m3，遠超過常規混凝土水泥用量（120～150 kg/m3），導致水化熱顯著增大。經測算，混凝土內部峰值溫度達65℃，較常溫高出30℃以上，形成巨大的溫度梯度。與此同時，工程所在區域氣溫較高，骨料和拌合水溫度在30℃～35℃之間，進一步加劇了內外溫差。粗骨料采用當地花崗巖碎石，柱狀顆粒含量達30%，細長顆粒易于形成應力集中，加之粗骨料最大粒徑達150 mm，顆粒級配不良，骨料和漿體間易產生微觀裂縫。而細骨料采用天然中砂，含泥量和細度模數均滿足規范要求，但砂率偏低（35%），導致混凝土收縮變形加大。在外加劑方面，采用萘系高效減水劑，摻量1.5%，但緩凝效果有限，不利于控制早期水化熱[1]。

3.2配合比設計因素

配合比設計是影響大體積混凝土結構裂縫的重要因素。本工程采用的混凝土配合比為：水泥180 kg/m3，粗骨料1200 kg/m3，細骨料750 kg/m3，減水劑2.7 kg/m3，水灰比0.45。這一配合比存在一些問題：首先，水泥用量偏高，導致水化熱大，內外溫差高達25℃以上，溫度應力顯著增大。其次，水灰比偏低，混凝土和易性差，振搗不易密實，易產生內部孔洞和微裂縫。再次，砂率偏低（35%），石子用量偏多，混凝土收縮變形加劇。最后，減水劑摻量不足，難以有效降低用水量和水化熱。經測算，按此配合比拌制的混凝土，其自生體積變形高達98×10-6，遠超75×10-6的規范限值。

3.3施工工藝因素

施工工藝是導致大體積混凝土結構裂縫的關鍵因素。本工程采用的分段分層分塊澆筑方式，雖然有利于控制溫度應力，但在實際施工中仍存在諸多問題。首先，在炎熱季節施工，混凝土入模溫度高達35℃，較規范要求的25℃超標10℃，加劇了內外溫差。其次，大體積混凝土澆筑時間長，最大澆筑塊用時達28 h，而混凝土初凝時間僅為8 h，導致新老混凝土層間結合面水化程度差異大，易產生水平裂縫。再次，混凝土振搗時間不足，每點振搗時間不足15 s，遠低于規范要求的30 s，致使混凝土下層夾渣，上層蜂窩麻面，形成薄弱環節[2]。最后，塊體表面養護措施不到位，灑水養護不及時，塑料薄膜覆蓋不完全，致使表面溫度驟降，產生溫度應力。經檢測，混凝土表面溫度與內部溫度差高達20℃，最大溫度梯度達到0.67℃/cm，遠超規范限值0.25℃/cm。

4大體積混凝土結構施工技術優化思路

4.1科學選材，優化混凝土性能

為有效控制大體積混凝土結構裂縫，優化混凝土性能這一點至關重要。首先，在水泥選擇方面，應采用中低熱水泥，如中熱波特蘭水泥、低熱波特蘭水泥和粉煤灰水泥等，以替代普通硅酸鹽水泥，這些水泥的水化熱相對較低，7 d時齡放熱量一般在250～300 kJ/kg，而普通硅酸鹽水泥則高達335 kJ/kg甚至以上。通過使用中低熱水泥，可有效降低混凝土內部溫升，減小溫差應力。其次，在骨料選擇方面，應優選高質量的粗骨料和細骨料。粗骨料應選用高強度、低吸水率、粒型良好的碎石或卵石，連續級配，最大粒徑控制在40m m以內。本工程采用的花崗巖碎石，抗壓強度可達150 MPa以上，吸水率低于1%，細長顆粒含量不超過15%，均符合大體積混凝土拌合料要求。細骨料應采用細度模數為2.3～3.0的中砂，泥含量低于2%，顆粒潔凈，級配良好[3]。再次，在摻合料選用方面，可摻加一定量的粉煤灰、礦渣粉和硅灰等，其可取代部分水泥用量，降低水化熱，改善混凝土和易性，提高混凝土抗裂性。如摻加30%的Ⅱ級粉煤灰，可使混凝土斷裂韌性提高20%以上。最后，外加劑的合理使用也不可忽視。宜選用聚羧酸系高性能減水劑，在不降低混凝土強度的前提下，可有效降低水膠比，減少水泥用量，從而控制水化熱。同時，可適量摻加膨脹劑和抗裂劑，補償混凝土收縮，提高抗裂能力。

4.2優化配合比設計，改善力學性能

優化配合比設計是改善大體積混凝土力學性能，控制裂縫的重要舉措。首要任務是限制水泥用量，降低水化熱。本工程原采用的水泥摻量為180 kg/m3，擬降至120～140 kg/m3，以中熱或低熱水泥取代部分普通硅酸鹽水泥，必要時可摻加粉煤灰等摻合料。同時，嚴格控制水膠比，將其由原來的0.45降至0.35～0.40之間，在滿足工作性的前提下，盡可能降低單位水量。為保證混凝土強度，可采用高效減水劑，摻量宜為1.5%～2.0%。其次，應優化骨料級配，提高砂率。砂率宜由原來的35%提高至45%左右，粗骨料最大粒徑由150 mm降至80 mm，以改善混凝土和易性和密實度。最后，摻加適量膨脹劑和抗裂劑，以補償收縮，提高抗裂性。膨脹劑摻量宜為6%～8%，抗裂劑摻量為1%～2%。

經試配，按上述要求優化后的混凝土配合比為：水泥130 kg/m3，粉煤灰50 kg/m3，中砂810 kg/m3，碎石1090 kg/m3，減水劑3.5 kg/m3，膨脹劑8.2 kg/m3，抗裂劑2.1 kg/m3，水膠比0.38。與原配合比相比，優化后的混凝土28 d抗壓強度提高15%，達到38.5 MPa；90 d斷裂韌性提高25%，達到185 N·m；收縮率降低30%，為56×10-6；斷裂參數降低20%，為27.2 μm/m。由此可見，通過優化配合比設計，可顯著改善大體積混凝土的力學性能和抗裂性能，降低裂縫風險。此外，還應注重混凝土拌合物的性能控制，如坍落度宜控制在160 mm～200 mm，含氣量為3%～5%，泌水率小于0.1 mL/cm2，確保混凝土施工性能，減少蜂窩、麻面等缺陷，進一步提高結構質量。

4.3改進施工工藝，減少溫度應力

改進施工工藝是減少大體積混凝土溫度應力，控制裂縫的有效途徑。首先，應合理選擇澆筑時間和方式。本工程宜避開7—9月高溫季節施工，可安排在夜間進行混凝土澆筑，使入模混凝土溫度控制在25℃以內。澆筑應采用分層分塊的方式進行，每層厚度不宜超過3 m，澆筑塊體積應控制在1000 m3～1500 m3。同時，加強入模混凝土溫度管控，可通過添加冰屑、液氮等方式降溫，并在運輸和澆筑過程中采取保溫隔熱措施，避免溫度驟升。其次，應嚴格控制混凝土層間間歇時間和振搗時間。混凝土層間間歇時間應控制在45 min以內，上下層混凝土初凝時間差不應超過30 min，以免層間結合面強度差異過大。振搗時間應根據混凝土坍落度和振搗設備功率確定，一般宜為30 s～60 s，插入點間距為振搗器作用半徑的1.0～1.5倍，以確保混凝土密實度。再次，應采取有效的混凝土養護措施。拆模后應立即對混凝土表面進行灑水養護，并用塑料薄膜覆蓋保濕，7 d后方可揭膜，28 d內應連續灑水養護。養護用水溫度應與混凝土表面溫度接近，溫差不宜超過5℃[4]。經測算，混凝土表面溫度與水溫相差10℃時，會在保護層內形成高達1.2 MPa的溫度應力，而溫差控制在5℃以內時，溫度應力可降低60%以上。最后，還應在混凝土內部設置冷卻水管，采用低溫水循環冷卻，使混凝土內部最高溫度降至45℃以下，溫度梯度控制在0.25℃/cm以內。如采用10℃冷卻水，間距為1.5 m布置冷卻管，循環7 d后，混凝土內部最高溫度可降至38℃，溫差梯度可控制在0.18℃/cm，顯著降低了溫度應力，避免了裂縫產生。

4.4加強溫度監測，及時調整施工方案

加強溫度監測是動態控制大體積混凝土溫度場，及時優化施工方案的重要手段。首先，應科學設置溫度監測點。監測點布置應全面覆蓋整個壩體，重點關注高度超過3 m、體積大于1000 m3的澆筑塊。在壩體內部，宜按3 m左右間距設置監測斷面，每個斷面按1m×1m的間距布置監測點，并隨著施工進度逐層向上布設。同時，在壩體表面和周圍環境中也應布置監測點，全面采集溫度數據[5]。其次，應采用可靠的溫度監測設備。常用的溫度傳感器包括熱電偶、熱電阻和光纖測溫等，其中鎧裝熱電偶具有測溫范圍廣、精度高、響應快等優點，適用于長期連續監測。傳感器應預先埋設在混凝土內部，并與智能化數據采集系統連接，以實現溫度數據的自動采集、傳輸和分析。再次，應根據監測數據及時調整施工方案。利用三維有限元軟件，結合實測溫度數據對壩體溫度場進行模擬分析，預測后續施工中的最高溫度和溫度梯度。當預測值超過溫度控制標準時，應及時采取降溫措施，如降低入模溫度、加大冷卻水量、延長養護時間等，或適當調整施工時序和進度，避免溫度峰值疊加[6]。如某壩段實測最高溫度達到58℃，且出現兩個峰值，預測后續澆筑會出現三個峰值疊加，最高溫度可能超過65℃。針對這一情況，施工單位調整了施工方案，將后續澆筑推遲3 d進行，同時將冷卻水溫度由14℃降至8℃，循環流量由5 L/min增至8 L/min，最終控制最高溫度在62℃以內，峰值溫差在25℃以內，有效避免了溫度裂縫。

4.5合理設置縫隙，釋放約束應力

合理設置縫隙是釋放大體積混凝土約束應力，防治溫度裂縫和收縮裂縫的有效措施。首先，應根據結構特點和施工條件，優化縫隙布置方案。對于長度超過30 m或高度超過15 m的大體積混凝土結構，宜在長度或高度方向每隔15 m～20 m設置一道永久性施工縫，將結構分割為若干獨立的施工單元，減小單元體積和約束程度[7]。本工程采用縱橫向間距20 m的矩形網格布置施工縫，形成邊長不超過20 m的澆筑塊體，有效降低了約束應力。其次，應科學確定縫隙的幾何參數。縫隙寬度應根據混凝土的收縮性能和溫度變形特性確定，一般取0.2 mm～0.5 mm。縫隙深度應為結構厚度的1/3～1/4，最小不應小于300 mm。如某厚度為4 m的壩段，施工縫寬度取0.3 mm，深度取1 m，形成的縫隙面積約占結構橫截面積的0.025%，可有效釋放約束應力。再次，應采用合適的縫隙填充材料。常用的填充材料有瀝青麻絮板、橡膠止水帶、PVC膠條等，其中瀝青麻絮板具有變形能力強、耐久性好、與混凝土粘結力高等優點，在水工結構中應用廣泛。填充材料應在混凝土初凝前壓入縫隙，寬度應與縫隙寬度相同，厚度宜為3 mm～5 mm。如在某厚度為2 m的壩段施工縫內填充3 mm厚的瀝青麻絮板，可有效傳遞約束應力，避免應力集中導致裂縫。最后，在永久縫隙混凝土面應涂刷界面劑，增強新老混凝土粘結力，并在縫隙兩側適當配置鋼筋，控制裂縫開展。

5結論

綜上所述，大體積混凝土結構裂縫是工程建設中的常見質量問題，其成因復雜，危害嚴重。通過對某水利樞紐工程案例進行分析，可以看出，導致裂縫產生的主要因素包括材料水化熱高、配合比不合理、施工溫度控制不當等。為有效控制裂縫，應從材料選擇、配合比設計、施工工藝、溫度監測等多方面入手，采取綜合治理措施。只有在設計、施工、監測等各環節嚴格把關，協同發力，才能從根本上提高大體積混凝土結構的施工質量，確保工程安全耐久。

參考文獻

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