大体积混凝土的裂缝分析与防治

包宝喜

摘要：混凝土裂缝的防治在大体积混凝土工程中具有重要作用。本文详细阐述了大体积混凝土的裂缝的发展过程，并以某座在建的桥梁大体积混凝土工程为依据，详细介绍了裂缝的影响及防治因素，包括原材料和入模温度等，然后结合工程实际的温度监控分析了几种减少混凝土内外温差的具体方法和要求。这些方法有效的缩小了大体积混凝土内外部的温度差值，减小了结构内部各个区域的温度应力值，避免了大量裂缝的产生，本次桥梁混凝土作业的裂缝发展情况表明这些措施的可行性，这些措施与要求标准将为同类型的大体积混凝土作业提供积极的参考意义。

关键词：大体积混凝土;施工裂缝;裂缝原因;温度监控

中图分类号：TU755            文献标识码：A

1 引言

近几十年来，在经济建设的迅速发展下，大量的新材料，新工艺，新结构，大型的工程逐渐增多，这些结构中常常用到大体积混凝土，如房屋建筑中的基础工程，桥梁建设中的墩台，水库的大坝，反应堆的建筑设施，当大体积混凝土越来越多的投入生产实践，也充分展示了其独有的特点，比如形状占比大，浇筑量大，需要养护等。当然，在此过程中，有一些不符合工程设计理念的现象也不断出现，其中最常见的，也是最应该引起工程界重视的，即裂缝问题。由此可见，展开对大体积混凝土的进一步研究和剖析将会产生非同一般的作用。

现阶段，我国工程界以及学术界，对的大体积混凝土进行了深入的研究，取得了相应的成果^[1-10]，以提高工程的质量，安全和美观。聂强等通过实验证明了添加掺合料能有效降低水泥水化热量，有效的减少内部温度的升高，温度应力也随之减小。丁宝瑛等详细分析了不同的混凝土参数对混凝土内部结构的影响。现以某在建的桥梁工程为例，对出现的问题进行进一步研究，并对相应的混凝土裂缝的内容进行总结与分析。

2大体积混凝土的裂缝机理分析

在桥梁工程大体积混凝土中，裂缝是由内外部的应力应变不对称发展而导致的。首先，在混凝土的内外部，不同的温度形成温差值，热胀冷缩的机理，导致沿着温度梯度方向，会产生不均匀的应力以及应变，其次，混凝土结构的内外部的相互约束阻止温度应变的发展，但内外部温度各自不同程度的增长，自然产生的温度应力，一旦该力超过了混凝土极限抗拉强度，裂缝就会出现，在砂浆中，因为水的含量较大，其裂缝的发展速度要快于其他区域，很容易形成贯通裂缝。

裂缝的发展和两个原因有关，首先是温度应力，其次是变形时受约束力的大小。当结构体由于受力或者热胀冷缩而发生变形时，结构体周边的与之接触的其他结构体以及自身内部各质点之间产生相互约束，这些约束将限制裂缝的进一步发展，但由于温度梯度的存在，两者形成一种相互斗争的机制。其裂缝发展过程， 可以通过下列数学表达式阐述其裂缝发展机理：

当

由上式可知：

1.当土体中产生的应力总和小于混凝土本身的极限抗拉强度时，则土体完整。而在各种引力中，温度差导致的温度应力占有绝对的原因。温差的变化值乘以混凝土的线性膨胀系数就可以得到混凝土的变形量。在全约束存在时，可用如下公式进行混凝土收缩的相对变形量计算：

2.控制和缩小内外温度差值，同时也选用性能优质的混凝土。

3.控制浇筑混凝土时的温度，可以从混凝土的配合比，优化水泥品种，调整混凝土表面的养护条件等角度出发。

综上所述，从根本上避免大体积混凝土的裂缝现象，主要可以通过两种途径，一方面改善混凝土，提高混凝土自身的性能，另一方面从温度差值，内外约束等外部因素入手。

2.1水化热的影响

在大体积混凝土中，导致温度逐渐变高的热量主要来源于水泥本身的水化热，在混凝土工程施工完的短时间内，水化热会生成大量的热量，约占结构体总热量释放量的一半，这些短时间内聚集地热量使得大体积混凝土内部的温度迅速升高。所以，水化热的作用，在混凝土的温度变化中不容忽視。

如图1所示，当温度升高时，水泥的硬化过程还没有完全结束，此时，弹性模量和拉应力等各项指标都较小，只会产生一些表面的微型裂缝，但是随着龄期的增加，混凝土的各项指标动态发展，随着时间推移，逐渐增强，如抗压，抗拉强度，弹性模量等。对混凝土的变形的约束作用也逐渐明显，这时就会产生相应的应力，当产生的拉应力超过大体积混凝土的极限抗拉强度时，就产生较大的裂缝，如下图2所示：

2.2收缩的影响

在大体积混凝土中，水化热占有不同寻常的作用，其产生的热量时导致混凝土内部温度变化的主要因素，其中裂缝的类型主要包括两种：

（1）表面裂缝，在土体结构内部，由于封闭的原因，热量流失的很慢，热量的逐渐聚集，使得温度上升，而外部快，因此而产生的温度差造成了内压外拉的现象，在混凝土作业完成的几天里，表面裂缝发展的较多。

（2）贯穿裂缝，大体积混凝土内部的水化热和外部的结构的散热速率达到了相对平衡，

在此之后，温度开始逐渐降低，当土体结构内部的水分进一步水化以及蒸发后，混凝土体开始收缩，此时，由于外部结构和内部各质点之间约束的存在，在土体中产生应力，应力会随着实践逐渐发展，当某时刻，应力大于土体的极限抗拉强度，就会产生裂缝。

在混凝土体的各个不同区域，水分蒸发的速率不同，在混凝土的浇筑作业完成后的几天内，土体表面在风吹日晒下，水分流失快，而内部中水分则流动缓慢，两者差异，产生较大的干缩变形，伴随内部各质点的约束，从而出现了裂缝。浇筑完成后，在水泥凝结过程结束前，强度很小甚至还没开始形成强度，此时受高温及大风等外部天气影响，土体表面的水分迅速散失，土体表面产生收缩，产生龟裂，裂缝一般是中间宽两头窄，长度不一，一般为一米左右。

3 大体积混凝土的裂缝防治

只有解决好混凝土内外部温度差的问题，才能解决好内外部温差过大的现象，从而解决温度应力的产生。温度升高所需的热量主要来源于混凝土初始温度和水化热产生的热量，所以控制温度可以从水泥本身性质和入模温度两方面采取措施来防治裂缝。

3.1 改善原材料

（1）水泥品种的选择

在对水泥类型进行选择时，优先考虑水化热率低的水泥，如粉煤灰质或者抗硫酸盐水泥，其次是降低水泥用量，用粉煤灰等水泥，可以减少水化热量。

（2）粗细骨料的选择

在大体积混凝土结构中，粗细骨料的体积占比较大，一般可以达到70%左右，所以，骨料的性质，级配比对混凝土的性质具有决定作用。选用粗骨料，减少水泥砂浆的使用。在配合比设计时，宜选用20mm左右的细碎石，并且其含泥量应当小于1%。

（3）掺合料的选用

在对混凝土的配合比进行设计的时候，经常以少部分的粉煤灰代替部分水泥，这样既可以减少水化热，还可以改善其和易性。同时，也需要控制粉煤灰的掺量，过多的掺入会使早期极限抗拉强度降低，容易产生表面裂缝，在一般的生产实践中，一般掺入15%的粉煤灰为宜。

3.2控制入模时的混凝土温度

在不同的施工生产季节，混凝土的入模温度有所不同，当外界环境温度高时，可以选择在傍晚时分施工，尽量保证浇筑时的初始温度在28℃，冬季等低温季节，浇筑时的初始温度不得高于4℃。解决好水泥浇筑的初始温度，可以为后续控制温度差提供很好的路径。控制入模温度，可从以下几个步骤进行控制：

（1）降低搅拌用水的温度，在高温季节，可以在搅拌水中添加适量的冰块。

（2）控制沙石的材料温度，在高温季节，不要把原材料露天放置，应当置于防晒棚中。

（3）进行运输前，应当控制好施工进度和需求，确保混凝土的连续供应，其次对运输罐车进行保温。

4 大体积混凝土施工时的监控

在进行混凝土施工時的温度监测时，要确定温度控制的标准，如内部最高温度不大于45℃，内外部的温度差值不大于25℃，降温梯度不超过3℃/d等目标。

4.1 改善浇筑方案

在混凝土工程的施工前，应当根据工程环境，制定合理的建筑方案。比如在冬季等低温施工期间，可选择白天10点之后进行浇筑;在浇筑混凝土时，当外界环境温度高时，可以选在凌晨浇筑，浇筑时要注意分层且及时振捣。根据现场施工状况，如果振捣后，混凝土的密实度达不到相关要求，此时可选择二次振捣。同时可以采取二次抹面来保证表面的平顺性。

4.2预埋冷凝水管降低高温

在大体积混凝土的施工中，利用水来直接降温，时间短且效率高，比如在土体中埋设水管，通水来降温是一种直接，有效的手段。水管铺设完成且土体浇筑后，可根据监测到的混凝土内部温度，选择合适的水温，通水来降温。在大型工程中，制定合理的冷却水管降温方案，结合监测温度结果，确定合适的水温，流速的冷却水特征。

4.3控制拆模时间

大体积混凝土的模板对土体有着一定的支撑和保温作用，只有当混凝土体的强度达到相关的要求后，才能拆除，模板去除后，混凝土表面受到自重及自然环境的影响，产生较大应力，从而产生表面裂缝。

4.4做好表面隔热保护和养护

在模板被拆除以后，需要对混凝土进行覆盖，以此来达到隔热保护和养护的效果，必要时进行暖棚法养护。混凝土的养护，第一可以减少热量的聚集或者散发，不断缩小混凝土各不同区域的温度差值，其次可以使的混凝土表面减少微型收缩，起到美观的效。

5 结语

在对大体积混凝土的施工中，裂缝问题是工程人员要时刻注意的问题。严格依照有关规范和标准进行大体积混凝土的裂缝防治对工程的安全和质量至关重要。针对这项复杂的施工技术，要明白其产生机理，然后从混凝土的原材料选择，配合比设计，内外温度控制等一系列环节等进行严格的过程控制，消除裂缝问题的出现。

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