工程中大体积混凝土裂缝的原因与控制

孙宇

摘要：混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，并且耐火性好、不易风化、养护费用低，成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。

施工过程中，很容易出现裂缝。裂缝的出现不仅会影响工程质量，甚至会导致垮塌。混凝土开裂经常困扰着工程技术人员。其实，如果采取有效的施工措施，很多裂缝是可以避免和控制的。为了尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文对混凝土在施工过程中产生裂缝的原因作了较全面的分析、总结，以便施工中做出行之有效的控制办法，保证工程的质量。

关键词：大体积混凝土；水化热；裂缝；处理

前言

裂缝产生的形式和种类很多，正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效控制和减少混凝土裂缝产生的最有效途径。

1大体积混凝土裂缝产生的原因

裂缝产生的形式和种类很多，正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效控制和减少混凝土裂缝产生的最有效途径。

广义上讲，裂缝产生有两种原因。一种是由荷载引起的，我们称这种裂缝为结构性裂缝，是承载力不足的结果；另一种为由于变形受约束引起的，此类裂缝称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩、基础不均匀沉降等因素引起的变形，当变形受到约束，在结构内部产生次应力，由于混凝土的早期抗拉强度比较低，因此产生的次应力很容易就超过了混凝土的抗拉强度，引起混凝土开裂。

大体积混凝土结构通常具有以下特点：混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1/10左右。大体积混凝土的断面尺寸较大，由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的降温过程中，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。大體积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋，或者不配钢筋。因此，拉应力要由混凝土本身来承担。

2裂缝的形式

2.1温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别于其他裂缝的最主要特征是随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化的主要施工因素有：

（1）水泥水化热的影响。水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的热量，如果以水泥用量350Kg/㎡～550Kg/㎡来计算，每㎡混凝土将放出17500KJ～27500KJ的热量，从而使混凝土内部升高。（可达70eC左右，甚至更高）尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条件不同，因此混凝土中心温度很高，这样就会形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。

（2）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。

2.2混凝土的收缩

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到外部约束时（支承条件、钢筋等），将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因。

塑性收缩。发生在施工过程中、混凝土浇筑后4h～5h左右，塑性收缩所产生量级很大，可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。

缩水收缩（干缩）。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件，钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，呈龟裂状，形状没有任何规律。

2.3外界气温湿度变化的影响

大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。

2.4钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2-4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。

要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度（当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度）；施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。

2.5混凝土材料及配合比

严格控制混凝土原材料的质量，特别注意控制骨料的含泥量，含泥量的增加会大大降低混凝土的抗拉强度。

为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其他存在腐蚀性强的空气、地下水地区更应慎重。

为减小大体积混凝土表面出现裂缝，施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量；减少骨料入模温度，采取混凝土表面的保温措施，提高混凝土表面温度，缩小内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。

配合比设计不当直接影响混凝土的抗拉强度，是造成混凝土开裂不可忽视的原因。配合比不当指水泥用量过大，水灰比大，含砂率不适当，骨料种类不佳，选用外加剂不当等，这几个因素是互相关联的。有关试验资料显示：用水量不变时，水泥用量每增加10%，混凝土收缩增加5%；水泥用量不变时，用水量每增加10%，混凝土强度降低20%，混凝土与钢筋的粘结力降低10%。总结的原因有如下方面：

（1）粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配，容易造成混凝土收缩的增大，诱导裂缝的产生；

（2）骨料粒径越细、针片含量越大，混凝土单方用灰量、用水量增多，收缩量增大；

（3）混凝土外加剂、掺和料选择不当、或掺量不当，严重增加混凝土收缩；

（4）水泥品种原因，矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大。

2.6荷载引起的裂缝

（1）直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

a设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。

b施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

c使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。

（2）次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：

a在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

b结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

2.7施工工艺质量引起的裂缝

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有：

（1）混凝土保护层过厚，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

（2）混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其他荷载裂缝的起源点。

（3）混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。

（4）混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低。使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。

（5）混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。

（6）用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其他原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。

（7）混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。

（9）混凝土早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。

（10）施工时模板刚度不足，在浇筑混凝土时，由于侧向压力的作用使得模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。

（11）施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

（12）施工前对支架压实不足或支架刚度不足，浇筑混凝土后支架不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝。

2.8其他因素的影响

结构物基础的不均匀沉降也会产生裂缝，这种裂缝会随着基础沉降而不断的增大，待地基下沉稳定后，将不会变化。

3混凝土裂缝的处理建议

3.1温控措施及施工现场控制

（1）温度预测分析。根据现场混凝土配合比和施工中的气温气候情况及各种养护方案，采用计算机仿真技术对混凝土施工期温度场和温差进行计算机模拟动态预测，提供结构沿厚度方向的温度分布及随混凝土龄期变化情况，制定混凝土在施工期内不产生温度裂缝的温控标准，进行保温养护优化选择。

（2）混凝土浇筑方案。采用延缓温差梯度和降温梯度的措施，在浇筑前经详细计算安排分块、分层浇筑次序、流向、浇筑厚度、宽度、长度、前后浇筑的搭接时间；控制混凝土人温度并加强振捣，严格控制振捣时间，移动距離和插入深度，保证振捣密实，严防漏振和过振，确保混凝土均匀密实；做好现场协调组织管理，要有充足的人力、物力、保证施工按计划顺利进行，保证混凝土供应，确保不留冷缝；浇筑后对大体积混凝土表面较厚的水泥浆进行必要的处理，一般浇筑后3～4h内初步用木长刮尺刮平，初凝前用铁滚筒碾压2遍，再用木抹子搓平压实，以控制表面龟裂；混凝土浇灌完后，立即采取有效的保温措施并按规定覆盖养护。

（3）混凝土温度监测。在混凝土内部外部设置温度测点，设置保温材料温度测点及养护水温度测点，现场温度监测数据由数据采集仪自动采集并进行整理分析。每一测点的温度值、各测位中心测点与表层测点的温差值，作为研究调整控温措施的依据，防止混凝土出现温度裂缝。

（4）为反映温控效果可在少数混凝土层中埋设应变计进行温度应力检测，应变计沿水平方向布置检测水平方向应力分量。

（5）通水冷却。采用薄壁钢管在一些混凝土浇筑分层中带没冷却水管，冷却水管使用前进行试水，防止管道漏水和阻塞，根据混凝土内部温度监测，控制冷却水管进水流量及温度。

3.2大体积混凝土中水泥的品种的选择

理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化過程中释放了大量的热量。于是，我们对于大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙（C3A），其他成分依次为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）和铁铝酸四钙（C4AF）。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发热量。因此我们在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥。我们应该充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量。因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载，因此将试验混凝土标准强度的龄期向后推迟至56d或者90d是合理的这是基于这一点，国内外很多专家均提出类似的建议。这样充分利用后期强度则可以每㎡混凝土减少水泥40Kg～70Kg左右，混凝土内部的温度相应降低4～7℃。

3.3掺加外加料和外加剂

为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，正确施工外加剂。

在大体积混凝土中掺人一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密实度，提高抗渗能力，改善混凝土的工作度，降低最终收缩值，减少水泥用量。要降低大体积混凝土的水泥水化热引起的内部温升，防止结构出现温度裂缝，利用粉煤灰作混凝土的掺合料是最有效的方法之一。外加剂可以从以下几个方面来选择。UFA膨胀剂，它可以等量替换水泥。并且是混凝土产生适度的膨胀。一方面保证混凝土的密实度，另一方面使混凝土内部产生压力，以抵消混凝土中产生的部分拉应力。减水缓凝剂，并应保证一定的坍落度。这样可以延缓水化热的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的；微膨胀剂，如广泛使用u型膨胀剂无水硫铝酸钙或硫酸铝。试验表明，在混凝土添加了膨胀剂之后混凝土内部产生的膨胀应力，可以抵消一部分混凝土的收缩应力，这样，相应地提高混凝土抗裂强度；减水防裂剂，混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高混凝土抗拉强度，大幅提高混凝土的抗裂性能，且混凝土用水量减少25%，在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量。

3.4大体积混凝土的骨料控制

在骨料的选择上应该选取粒径大强度高级配好的改善骨料级配，用干硬性混凝土，惨混合料，加引气剂或塑化剂等措施。这样可以获得较小的空隙率及表面积，从而减少水泥的用量，降低水化热，减少干缩，减小了混凝土裂缝的开展。

细骨料宜采用2区中砂，因为使用中砂比用细砂可减少水及水泥的用量。在可泵送情况下粗骨料，选用粒径5-20mm连续级配石子，以减少混凝土收缩变形。使用掺合料，应用添加粉煤灰技术，在混凝土中惨用的粉煤灰不仅能够节约水泥，降低水热化，增加混凝土和易性，而且能够大幅度提高混凝土后期强度，推移温升峰值出现时间。

3.5优化大体积混凝土的设计

（1）为了避免裂缝的出现，在设计中利用中低强度水泥充分利用混凝土的后期强度。

（2）设计合理的结构形式，可以减少工程数量，减低水热化。

（3）充分利用混凝土在基坑有侧限条件，在混凝土中惨加微膨胀剂，使其在基坑约束下形成一定的预压力，补偿混凝土内部温度收缩产生的拉应力，从而有效的避免混凝土裂缝的产生。

（4）大体积混凝土体积庞大，施工周期一般较长，依据结构受力情况可合理地确定混凝土评定验收龄期，打破正常标准28d的评定验收龄期，改为60d或更多天，评定验收龄期充分考虑混凝土的后期强度，从而减低设计标号，达到减少混凝土水泥用量减低水热化的目的。

（5）由于边界存在约束才会产生温度应力，采用改善边界约束的构造设计，如遇有约束强的岩石类地基、较厚的混凝土垫层等时，可在接触面上设滑动层来减少温度应力。在外约束的接触面上全部设滑动层，则可大大减弱外约束。

（6）还应重视合理有益作用，可采取增配构造钢筋。配筋应尽可能采用小直径、小间距，全截面含筋率控制在0.3%-0.5%之间。在混凝土表面增设金属扩张网等有效措施，有效地提高混凝土抗裂性能。

（7）对于混凝土中钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值，因为保护层的厚度愈大愈容易发生裂缝。

3.6大体积混凝土的施工

混凝土施工包括混凝土的生产、运输、挠筑和温度及表面保护，是保护大体积混凝土温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差。

在温度较高的情况下进行施工，我们一定要注意降低混凝土浇筑时的温度。

对混凝土出机温度影响大的是石子和水的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响最小。气温较高时，为防止阳光直接照射，砂石堆应设遮阳棚，并喷冷水降温。拌合用水可加冰，使水温度控制在5℃，混凝土出机温度应控制在18-205℃为宜。

以上这些措施都可以有效的降低混凝土的入模温度。在混凝土的内部通人冷却循环水，采用循环法保温养护，以便加快混凝土内部的热量散发。混凝土表面应该覆盖一些织物进行保温、保湿养护，这样不但可以降低混凝土内外温差，防止表面产生裂缝，还可以防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝，并且还可以使水泥顺利水化，防止产生湿度裂缝。为了及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值，可以在混凝土内埋设一定量的测温点，从而可以更好的了解混凝土的温度变化情况，一旦内外温差超过允许值25℃，好及时采取措施。夏季混凝土运输车加保温套或对罐体喷淋冷水降温。混凝土泵送管遮阳防晒，还应调整施工时间，尽量选择低温及夜间施工；考虑到冷量损失在浇筑过程中影响较大，因此要加快运输，缩短浇筑时间并规定合理的拆模时间。

如果是在冬季进行施工，因为要防止早期混凝土被冻问题，所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。但另一方面，正是由于天气寒冷，混凝土稳定温度一定较低，往往超过允许温差，不能防止混凝土裂缝要求。所以，混凝土浇筑温度在冬季施工时一般以5℃～10℃为宜，在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热，对原材料应视气温高低进行加热。加热石料时应避免过热和过分干燥，最高温度不应超过75℃。另外还要注意运输中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。

3.7大体积混凝土的裂缝检查与处理

对于混凝土裂缝，应以预防为主，为此需要精心设计、施工，但是由于目前采用的防止裂缝的安全系数较小，而实际情况又复杂多变，所以实际工程中还是难免出现一些裂缝。大体积混凝土的裂缝分为三种：表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响，一般不作处理。对深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝，可以用风镐、风钻或人工将裂缝凿除，至看不见裂缝为止，凿槽断面为梯形再在上面浇筑混凝土。对比较严重的裂缝可以采取水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上时，对于裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学灌浆。化学灌浆材料一般使用环氧一糠醛丙酮系等浆材。

4结束语

混凝土的裂缝是一个较复杂的问题，某一环节稍有疏忽均可能导致裂缝的出现，引起钢筋的锈蚀，影响整个结构的耐久性，造成很大的经济损失。虽然大体积混凝土很容易产生裂缝，但是大量的科学研究以及成功的工程实例都表明：只要我们在设计、施工工艺、材料选择以及后期的养护过程中能够充分考虑的各种因素的影响，还是完全可以避免危害结构的裂缝的产生。如何采取一定的设计和施工措施来克服和控制大的裂缝产生，是每一个工程技术人员应该遵循的原则。因此，严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理，是保证结构安全耐用的前提和基础。在运营管理过程中，进一步加强巡查和管理，及时发现和处理问题。