浅谈大体积混凝土裂缝成因及控制措施

翟长林

【摘 要】混凝土的裂缝问题是一个普遍存在而又难于解决的工程实际问题，其产生的原因很多，很复杂。本文主要从大体积混凝土裂缝概念出发，以混凝土裂缝形成原因为基础，对大体积混凝土产生裂缝的性质和原因进行较为详细的叙述，着重介绍温度裂缝形成原因，并进一步阐述如何从设计、施工角度采取措施，减少大体积混凝土裂缝的形成。

【关键词】大体积混凝土；裂缝成因；控制措施

0 概述

混凝土建筑和构件通常都是带缝工作的，由于裂缝存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀，降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力，影响建筑物的外观和使用寿命，严重者将会威胁到人们的生命和财产安全。大量的混凝土工程实践证明，在混凝土工程中裂缝问题是不可避免的，在一定的范围内也是可以接受的，只是要采取有效的措施将其危害程度控制在一定的范围之内。在施工中应尽量采取有效措施控制裂缝产生，使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其要尽量避免有害裂缝的出现，从而确保工程质量。

1 混凝土裂缝的性质与原因分析

1.1 由外荷载（静、动荷载）的直接应力引起的裂缝

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：

1）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。

2）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。

3）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。

1.2 由结构次应力引起的裂缝

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：

1）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。

2）混凝土结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，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。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。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。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

1.3 温度裂缝的性质与原因分析

大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止这种应变；一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝，这种裂缝一般虽不会影响结构的强度（裂缝宽度在规定范围内），但对混凝土的耐久性有所影响，因此必须对此加强重视和控制。现将产生裂缝的主要原因分述如下：

1）水泥水化热是大体积混凝土中的主要因素，水泥在水化过程中要发出一定的能量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥发出的热量聚集在结构内部不易散失。通过实测大体积混凝土在浇筑后3～5d混凝土内部温度较高能达到70℃左右。由于混凝土导热性能较差，浇筑初期混凝土和弹性模量偏差，对水化热引起的急剧温升约束力不大，相应的温度应力也就较小。随着混凝土龄期的增长，混凝土的弹性模量增高，对混凝土内部降温收缩的约束力也就越来越大，以致产生很大的应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种应力时，开始出现温度裂缝。

2）外界气温变化的影响，大体积混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的。外界气温越高，混凝土的浇筑温度也愈高；而如外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利的。混凝土内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力就愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部温度又较高并且有较大的延续时间，在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力，就显得更为重要。

3）约束条件与温度裂缝的关系，大体积混凝土由于温度变化产生变形，而这种变形又受到约束，便产生应力，这就是温度变化引起的应力状态，而当应力超过某一数值，便引起裂缝。

4）混凝土的收缩变形，混凝土中大部分水分要蒸发的，少部分水分是水泥硬化所必须的。混凝土水化作用时产生的体积变形称为自生体积变形。该变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥混凝土来说大多数为收缩变形，少数为膨胀变形。混凝土的收缩机理比较复杂，其主要原因，可能是内部空隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积交替变化，这对混凝土控制裂缝是很不利的。另外影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和混合材、混凝土的配合成份、化学外加剂及施工工艺等。

2 大体积混凝土裂缝的施工控制措施

采用施工技术措施应从控制温升，延缓降温速率，减少混凝土收缩，提高混凝土极限拉伸强度，改善约束程度等方面着手。

2.1 设计措施

1）重视地基的处理，大体积混凝土一般都是厚体实重的整浇式结构，地基对基础的影响十分明显。在设计主要应防止地基产生不均匀下沉，以及改善对基础的约束影响。当地基为软土层时，为防止地基产生不均匀下沉，通常采用砂垫层或其他加固办法。砂垫层不仅可以提高地基的承载能力，而且在施工时还可以设置盲沟排水，这对减少地下水或地表水的影响都有明显作用。砂垫层还可以减少对混凝土基础的约束影响，因此在不均匀的软土地基中，如符合条件时，应优先考虑采用比较经济的砂垫层加固方案。

2）合理分裂分块，合理分裂分块，不仅可以减轻约束作用，缩小约束范围；同时也可利用浇筑块的层面进行散热，降低混凝土内部的温度。合理的分裂分块，应能使结构起到调节温度变化的作用，确保混凝土有自由伸缩的余地，以达到释放温度应力的目的，接缝的处理必须满足防止渗漏水的要求。

3）合理分布钢筋，钢筋与混凝土共同工作的基础是两者之间的粘结力。由于钢的弹性模量约为混凝土弹性模量的7-15倍，所以当混凝土内应力达到抗拉强度而开始裂缝时，此时钢筋的应力很小，想通过利用钢筋防止混凝土裂缝的出现，就达不到目的，但合理布置分布钢筋，可以起到减轻混凝土的收缩程度，限制裂缝的开展。

4）混凝土设计标号不宜太高，在大体积混凝土的结构物中，力学强度和安全贮备，通常都很高，但过高的强度贮备，会使水泥用量增多，水化热变大。导致混凝土内部温度过高，造成内外温差过大，从面引起结构物的开裂。

2.2 原材料控制

1）合理选择材料品种：为减少水泥水化热引起过大温升，应采用中低热水泥，诸如粉煤灰水泥、矿渣水泥等，考虑在混凝土中掺粉煤灰，以使用普通水泥为宜；为减少混凝土的收缩，应选用干缩值小的材料，如山砂、碎石等；为有利于混凝土内部热量的散失，应选用导温系数大的砂石骨料，如石灰岩、石英岩、白云岩等。

2）确保材料的质量：骨料级配良好，粗骨料粒径5～40mm，尽量采用中砂，严格控制砂、石子的含泥量（石子在1%以内，砂在2%以内）等，确保各组成材料的质量符合规定。

3）选用合适的外加剂：使用减水剂，以减少水泥用量、改善和易性；使用缓凝剂，以减缓混凝土浇筑速度，以利散热；使用膨胀剂，以补偿混凝土收缩；添加化工纤维，增加混凝土抗拉强度。在实际工程中，可结合具体情况组合使用，如底板可采用缓凝型减水剂，墩身用膨胀型减水剂等。

2.3 优化配合比设计

1）在满足强度、和易性、耐久性的前提下，尽量减少单位水泥用量。混凝土中单位水泥用量每增减10kg，水泥水化后的温度将增减1℃，减少单位水泥用量，有利于降低水泥水化热引起的绝热温升，从而减少混凝土内外温差。

（1）掺加适量的粉煤灰。厚度不大时，在满足强度、和易性、耐久性的前提下，掺量以15%～20%为宜。如厚度超过2m，在大体积混凝土内部可适当加大粉煤灰掺量。另粉煤灰愈合能力强，也有利于减少混凝土裂缝。

（2）抛块石。在大体积混凝土中抛10%～15%的坚硬无裂缝、干净的大块石，规格为150～300mm。抛块石除了可减少水泥用量，降低水泥水化热外，石块本身可吸收热量，也使水化热进一步降低。在混凝土结构中中部配筋少的部位，宜多抛块石，并保持石块间的间距10～15cm，注意块石底部不能积水，块石分布均匀。

（3）合理使用外加剂。如减水剂可大大改善混凝土的工作性能，同时减少水及水泥用量10%左右，降低了水泥水化热。

2）砂率不宜过大，在满足泵送混凝土前提下，尽可能选较小的砂率。砂率过大，混凝土的抗裂性能将降低，混凝土的干燥收缩加大，易产生收缩裂缝。

3）水灰比不宜大于0.5。水灰比大，混凝土内部孔隙增多，将使混凝土的强度和抗裂性能降低。在实际工程中，对混凝土配合比确定的水灰比和坍落度值，应严格控制。

2.4 注重施工过程的控制

2.4.1 采用切实可行的施工工艺，合理组织施工

1）上下层混凝土浇筑间隔时间控制在5～7d为宜，实际施工时间可能有难度，但上层施工速度应尽可能快，以减少下层混凝土的约束。

2）混凝土中每层铺料厚度不宜超过30cm，以利散热，并使温度分布较均匀，及时抽走泌水，同时便于振捣密实，以提高弹性模量。

3）混凝土浇筑速度保持均衡，浇筑高度均衡上升，以改善约束条件，削减温度应力。

4）合理选择混凝土的浇筑时间，外界气温以10～30℃为宜；夏季降低入仓温度15～20℃为宜，可采用石子喷水预冷、地下水拌和、运输过程遮盖、仓面搭棚等措施；冬季应采取必要的保温措施。

2.4.2 确保混凝土施工质量

混凝土的拌和、运输、浇筑应严格执行合同规定。对混凝土表面可采用二次振捣，并加强抹面，以提高混凝土表面的抗裂度。

2.4.3 加强对混凝土的养护

1）冬季采用保温养护，延长养护时间，减少大体积混凝土内外温差。水平面上用薄膜加草袋覆盖，用此方法可使混凝土表面增加10～15℃，立面上推迟拆模时间，外挂草袋，并注意适当洒水养护。对下部混凝土结构拆模后应及时回填土。

2）夏季应针对混凝土升、降温这两个不同阶段采取相应措施：①升温阶段，养护以降低混凝土表面温度为原则。采用草袋覆盖，并尽可能多的洒水养护，有条件的可采用灌水养护法，以利于混凝土内部水化热的散失，降低其内部最高温度，从而相应减小混凝土的内外温差。②降温阶段，养护以提高混凝土表面温度为原则。一般5d后开始降温时，在水平面上用薄膜加草袋覆盖；立面上推迟拆模时间（7d后），并注意洒水养护，用此方法可延缓降温速率，减小混凝土内外温差。

3 大体积混凝土施工过程的管理

3.1 浇筑前及浇筑过程阶段

做好材料试验及控制工作。所用砂、石子、水泥及各种添加剂满足规范要求，在搅拌前对骨料预加热；做好混凝土配合比，并在施工中严格执行；考虑在施工期外界气温较低，除按照常规外加剂外，另外添加聚丙烯纤维，添加量为水泥用量的1%，以增加混凝土抗拉强度；混凝土浇筑速度保持均衡，浇筑高度均衡上升，以改善约束条件，削减温度应力；浇筑过程中对仓面泌水应使用吸水、自流等办法及时排除；混凝土浇筑到顶层时，面层用平板振动器复振，采用二次振捣和二次抹面，以防止产生松顶和表面干缩裂缝，仓面泌水应使用吸水、自流等办法及时排除干净再行抹面。

3.2 浇筑完成阶段

1）加强水化热温升测量：为进一步掌握大体积混凝土水化热温升的大小，及不同深度场的变化及施工阶段早、中期温差的发生规律，更好地控制混凝土裂缝的产生，施工现场成立专门测温小组，在混凝土不同部位及深度埋设测温点，以测定混凝土浇筑过程以及浇筑后温度变化，以便对异常情况及时采取防范措施。

2）采取适当的保温和保温措施：在大体积混凝土结构表面采取保温和保温措施，也是大体积混凝土温控的有效措施之一。具体做法：由于外界气温较低，在闸底板浇筑完成后，用双层土工布覆盖，上面再用彩条布覆盖；在墩身浇筑完成后，利用支撑脚手架，用土工布和彩条布把整个墩身封闭，形成封闭保温的小环境，避免温差较大产生混凝土表面出现收缩裂纹。

3.3 养护阶段

考虑外界温度较低，适当推迟拆模时间，混凝土的养护采用覆盖浇水养护和塑料薄膜养护相结合的方法。垂直面由于覆盖较困难，采用在近年众多大中型桥梁结构中使用的养护剂养护法，即将养护剂溶液喷洒或涂刷在混凝土表面上，先竖向涂刷一遍，待稍收干，再横向涂刷一遍，溶液挥发后，混凝土表面形成地层致密的薄膜，可锁住混凝土中的水份不再蒸发，从而保证配合比要求的水灰比完成混凝土水化作用。为达到养护目的，养护剂涂刷要保持完整性，若有破坏，可明显看出挥发处的颜色不同，应及时洒水并稍等收干后补刷，涂刷时间一定要与拆模同步进行。

为保证混凝土在规定龄期内达到设计强度，认真做好混凝土养护工作，并适当延长养护时间，每日应配专人负责，与模板工在拆模时跟班作业，并在涂刷后加强跟踪观察，及时补刷。

4 结束语

就桥梁工程而言，大体积混凝土裂缝主要发生在施工阶段，产生的原因也是错综复杂的，但总的原因是在混凝土早期降温过程中，由于内外温速不同而引起的，它包括了外部条件（主要为基础约束）和内部约束条件（混凝土温度不均匀引起的自身约束）两方面的原因，所以大体积混凝土形成裂缝的条件，取决于结构物（或浇筑层）在温度变化的影响下，能否“同步变形”的问题。能否同步变形涉及到以下几个方面的影响。

1）从控制混凝土最高温升、内外温差的观点出发，应根据不同地区、不同气候情况，研究各种温度控制的方法（包括材料预冷却、混凝土浇筑后的保温法或降温法，以及养护拆模等措施）及适用范围。而在具体施工时应根据不同龄期和时间段，通过温度监测手段，调整混凝土养护温度和养护时间。这种温差控制方法有助于使温度应力严格限制在混凝土所允许的受拉强度范围之内（与混凝土龄期相对应）。

2）从改进混凝土材性出发，可以探索混凝土最佳配合比和进一步改进施工工艺。通过掺加粉煤灰减少水泥用量，通过掺加减水剂来减少水的用量，从而减少水化热，有利于将水化热控制在最小范围内。只有这样，才能提高结构整体性和材料的均匀性，从而增大混凝土材料的抗变形能力。

3）从改善约速条件考虑，就是对各类结构的地基条件、变形缝和施工缝的设置以及混凝土标号和配筋率等进行必要研究和试验，从而采取出相应的技术措施，以允许混凝土在温度变化影响下，有一个较大的变动范围。

通过以上分析，大体积混凝土裂缝产生主要原因也就是内外变形不同步，所以在大体积混凝土施工中应从内部和结构物外部两方面进行综合研究，进一步完善和发展大体积混凝土的施工技术，尽量采取可靠措施，使混凝土内外变形基本同步，只有这样才有可能减少混凝土的裂缝机会。

【参考文献】

[1]杨坚扩.大体积混凝土早期裂缝的施工控制[J].施工技术，2008（6）：29-31.

[2]陈恒涛.浅析大体积混凝土裂缝成因及控制措施[J].扬州大学学报·工程研究与实践，2014（3）.

[3]徐毅.浅谈大体积混凝土成因及控制措施[J].扬州大学学报·工程研究与实践，2014（2）.

[责任编辑：汤静]