大体积混凝土裂缝成因及控制措施

陈皓

(郑州铁路局工程管理所,河南郑州 450000)

大体积混凝土裂缝成因及控制措施

陈皓

(郑州铁路局工程管理所,河南郑州 450000)

近年来随着大型建筑物的构建,大体积混凝土得到广泛应用,其在使用过程中容易出现裂缝,影响大体积混凝土结构的耐久性、适用性和安全性。本文就大体积混凝土裂缝形成的原因、防裂措施和施工注意事项进行论述,对大体积混凝土理论研究及工程实践提供一定的参考价值。

大体积混凝土 裂缝 成因 措施

1 大体积混凝土的定义

大体积混凝土在各国具有不同的定义。国内《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009[1]规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂”。通过对上定义进行比较，可将大体积混凝土定义如下：需要采取措施防止由水化热导致的裂缝混凝土，称为大体积混凝土。

2 大体积混凝土裂缝的分类

(1)干缩裂缝。干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右，混凝土内外水分蒸发。外部受环境影响水分散失较快，产生较大变形，内部水分损失慢，会出现较小变形。混凝土内外不同程度的变形使混凝土表面产生拉应力，当拉应力较大时混凝土就会出现干缩裂缝。

(2)温度裂缝。混凝土浇筑后的2-3天内混凝土弹性模量低，约束应力很低，当水化热温升至峰值后，混凝土温度开始下降，在降温阶段，弹性模量增大，约束拉应力也增加，当约束拉应力超过混凝土抗拉强度便出现温度裂缝。引起温度裂缝主要原因是由于混凝土在浇注过程中温度产生变化，使混凝土产生膨胀及收缩变形，在收缩阶段产生裂缝。

(3)施工冷缝。在施工过程中由于外界环境、施工工艺及施工条件等原因使已浇筑混凝土在已经初凝后，进行后续混凝土继续浇筑，使前后混凝土链接处出现一个软弱的结合面，此面即为施工冷缝。

3 大体积混凝土裂缝成因

大体积混凝土裂缝形成的原因主要有四个方面：

(1)混凝土结构特性影响。混凝土在使用过程中，由于水分的散失及内部孔隙的挤密，混凝土体积缩小，即混凝土发生干缩现象；混凝土是脆性材料，其抗拉强度只有抗压强度的十分之一，在由收缩变形引起拉应力作用下容易产生拉应力破坏。

(2)温度应力的影响。混凝土同其它材料相同，具有热胀冷缩效应。大体积混凝土在浇注时，因体表比较大，水化热量不易散发，混凝土体积变化较大；由于外表面温度低于内部温度，产生温度应力[2-3]，温度应力使表面混凝土处于受拉状态，内部混凝土处于受压状态，与其它影响因素一起促使混凝土产生裂缝。

(3)边界条件的影响。混凝土不受外力作用时，能够自由产生变形，不会因体积的膨胀或收缩产生外部拉应力和压应力。当混凝土受到其它结构的约束作用时，混凝土在初期弹性模量低，在水化热的作用下发生膨胀，产生较小的压应力；当混凝土温度开始降低时，混凝土开始收缩，由于受到其它结构的约束，不能够自由收缩，且此时较大的弹性模量，会引起较大的拉应力，当拉应力超过当前混凝土抗拉强度时便会产生裂缝。

(4)外界环境的影响。外界环境对混凝土裂缝的影响主要表现在温度和湿度两个方面。适宜外界的温度可促进水化热的散发或降低温度应力；湿度对混凝土干缩现象具有一定的缓和作用，合适的湿度可以降低混凝土干缩产生的裂缝。

4 大体积混凝土的裂缝控制措施

4.1 施工准备期间应注意的问题

4.1.1 基础材料选择

基础材料对新拌混凝土温度影响程度的大小顺序为：粗骨料＞细骨料＞水泥[4]，可根据工程实际情况和上述关系对基础材料选择化分优先顺序。

(1)粗骨料：选用级配良好且粒径较大的粗骨料配制的混凝土，具有较好和易性及较高的抗压强度，减少水泥和水的用量，减少水化热，降低混凝土总温升；

(2)细骨料：采用平均粒径不小于0.5mm，含泥量不大于3%的中粗砂拌制的混凝土可减少10%左右的用水量，相应减少水泥用量，并能有效缓和混凝土收缩。

(3)水泥：为了降低水泥水化热及体积变形，高水化热的硅酸盐水泥和早强水泥在大体积混凝土施工中不宜使用，对于低热矿渣水泥，其在施工过程中产生的水化热低，在大体积混凝土中可采用，同时也可采用中热硅酸盐水泥。

4.1.2 外加剂选择

(1)减水剂。减水剂能够在不改变混凝土和易性及水泥用量的条件下，减少拌合用水量、提高混凝土强度；或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量。

(2)缓凝剂。商品混凝土中掺人缓凝剂可延长水泥的水化硬化时间，使新拌混凝土能在较长时间内保持塑性，调节新拌混凝土的凝结时间。通过掺加缓凝剂，可使水化热在混凝土凝结之前有更长时间散发，从而缓和温度应力，同时对混凝土收缩也有一定的改善作用。

4.1.3 优化配合比设计

在大体积混凝土中掺入粉煤灰、矿渣粉、外加剂等来减少用水量和水泥用量，能有效降低混凝土内部因水化热引起的温升及因混凝土干缩产生的应力，同时可改变混凝土的和易性。通过对混凝土及各种外掺剂进行最优配合比设计，可使水及水泥用量最低，降低混凝土在浇注过程中产生的水化热及在混凝土内部将出现的温度应力，控制混凝土在后期使用过程中出现的收缩现象，同时也能够改善混凝土结构特性，加强施工和易性。

4.1.4 工程结构处理措施

在混凝土结构中可设置合适的收缩缝，由此来削除混凝土由温度应力及干缩等情况下产生的拉应力，能够有效的防止大体积混凝土产生裂缝。

4.2 施工过程中应注意的问题

4.2.1 混凝土的拌制

控制混凝土的出机温度是混凝土总温升的一部分，降低混凝土的出机温度可有效预防出现贯通裂缝。降低混凝土的出机温度常用方法有两种，一是控制原材料的温度，如将原材料放阴凉的室外场地；二是控制搅拌时的温度，如在搅拌时加冰或送冷风对拌合物进行降温。

4.2.2 混凝土运输

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大体积混凝土不应采用泵送，泵送要求混凝土本身流动度大，流动度大的混凝土水泥用量大，水化温升高，利于裂缝的产生，对于大体积混凝土可采用吊罐吊运或其它运输方法。

4.2.3 混凝土的浇筑

大体积混凝土浇筑过程为浇筑-振捣-浮浆清理。大体积混凝土的浇筑采用分层浇筑，浇注过程保证后浇注混凝土浇注在已浇注完成混凝土凝结前进行完毕，防止出现冷缝。混凝土振捣过程中，各施工点要保持均匀的间距；在振捣有预埋件的部位时要防止预埋件受到振捣的损坏。混凝土浇筑和振捣完成后应对混凝土表面出现的浮浆和泌水进行处理。振捣过程中应避免出现漏振、过振和欠振等不良状况[5]。在混凝土浇注完成后，可采用“对流式内置循环降温系统”[6]来降低大体积混凝土内部的温度，削除混凝土因温度应力出现开裂。

4.2.4 温度控制

温度测量根据实际情况可采用埋设竖直测温管法、采用温度传感器结合计算机的全自动测温方法和无线测温方法。根据施工项目概况合理布置测温点，布置完毕后，应及时进行测温，及时整理和分析混凝土内部温度数据，绘制内部温度场，计算温差。做好温度控制应急方案，准备升温和降温措施。根据大体积混凝土工程的施工经验，实测的混凝土内部中心温度与混凝土表面温度之差应被控制在25℃以内，混凝土的最佳入模温度为10-15℃，大体积混凝土的入模温度比该值要低，入模温度不能超过30-35℃。在温度控制过程中，应调节好降温幅度和降温速率，如果降温幅度过大或降温速率过快都会使得混凝土出现应力集中乃至出现裂缝，影响工程质量。

4.3 混凝土养护期间应注意的问题

4.3.1 养护方法

(1)覆膜养护。混凝土浇筑后，前期为了避免混凝土表面温度降低过快，导致混凝土内外温差过大，可在混凝土表面覆盖一层塑料膜，然后铺放一层棉被或草甸，最后再在上面加盖一层塑料膜；拆模后继续保温，并在湿度为70%~80%的环境中养护适当时间。

(2)蓄水养护。当施工场地允许时，可在混凝土表面一定深度内蓄水，其深度可根据实时混凝土内外的温差进行调整。蓄水养护具有一定的隔热保温效果，并可人工控制混凝土表面温度与中心温度以及表面温度与外界气温的差值，同时此方法还可以有效的防止混凝土表面发生龟裂，经济效益较好。

4.3.2 养护注意事项

(1)采用覆膜养护过程中，如出现遮盖措施欠缺，致使混凝土表面泛白或出现干缩细小裂缝时，立即采取补救措施。

(2)保温覆盖层的拆除应分层逐步进行，当环境温度与混凝土的表面温度温差小于20℃时，方可全部拆除

(3)养护状况不佳不利于控制混凝土内外温差，而养护过度会延长养护时间，因而大体积混凝土的养护应随时根据测温的数据分析结果与环境温度进行对比进行调整。

4.4 改善边界约束对混凝土的影响

外部约束主要决定于与混凝土接触结构的弹性模量。弹性模量越高，对混凝土产生的约束力越大。在施工过程中，无法降低接触原结构的弹性模量，但可通过改善混凝土与结构接触面之间的接触状态降低边界约束对混凝土的影响。混凝土和接触结构接触面上可铺薄层碎石或沥青油毡来缓和混凝土在温度和收缩变形过程中产生的应力，其原理与设置施工缝来防止混凝土开裂方法相似。

5 大体积混凝土施工注意事项

在大体积混凝土施工控制过程中应注意以下几点：

(1)混凝土优化配合比设计后，应根据材料特性参数对大体积混凝土温度应力进行分析计算；

(2)对混凝土进行温度控制时，要实时分析混凝土的内外温差，控制混凝土的内部温度，避免内外温差过大；

(3)尽量降低混凝土分层浇注时的厚度；

(4)混凝土浇注完成后，抹平工作应该在初凝前完成，在混凝土终凝前应进行二次抹面，防止表面产生裂缝。

6 结语

为防止大体积混凝土在施工及使用过程中出现裂缝，根据大体积混凝土的特性，优化混凝土配合比设计，减少水泥和水的用量，降低混凝土在浇注过程中产生的总温升；在大体积混凝土的施工过程中应从生产和养护等方面进行改善，采用分层浇筑的浇筑方法，合理振捣措施并及时清除混凝土表面出现的浮浆和泌水，保证混凝土的施工质量；将混凝土内部温度与实时的环境温度进行对比分析，对混凝土的养护方法进行改善。

大体积混凝土结构的裂缝对混凝土结构的安全性、适用性和耐久性[7-8]会产生较大影响，掌握大体积混凝土产生裂缝的原因以及对该问题所采取的相应施工措施，在实际生产当中就能保证施工质量，采取相应的措施，进行有效的控制，就能减少温度裂缝的产生及发展，提高大体积混凝土的质量。

[1]中国冶金建筑协会;GB50496--2009大体积混凝土施工规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[2]吴海军,陈艾荣.桥梁结构耐久性设计方法研究[J].中国公路学报,2004,17(3)：57-61.

[3]刘柯.大体积混凝土温度监测及分析研究[J].建筑技术开发,2005,32(3)：85-105.

[4]杨绍斌,苏怀平.大体积混凝土入模温度控制研究[J].中国港湾建设,2013,187(4)：38-41.

[5]黄 聟 丰,罗华连.大体积混凝土的浇筑施工[J].广西大学学报(自然科学版),2008(33)：58-60.

[6]张友恩.大体积混凝土表面温度裂缝控制施工技术[J].建筑技术研究,2012(12)：54-61.

[7]刘来君,贺拴海.大跨径桥梁施工控制温度应力分析[J].中国公路学报,2004,17(1)：53-56.

[8]袁广林,黄方意.大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究[J].混凝土,2005(2)：86-88.