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1、 大体积混凝土裂缝成因分析及控制措施 摘 要：本文结合工程实际，从水泥水化热、内外约束、外界气温变化等几个方面对大体积混凝土裂缝产生原因进行分析，找出应对的具体措施，以便在项目管理的过程中得到有效的应用。关键词：大体积混凝土；应力；裂缝；温度；养护； 1 概述根据我国大体积混凝土施工规范GB504962009的相关规定，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。从规范定义上来看，一个是尺寸上的主观界定，一个是对裂缝产生认知性的客观界定，二者并不矛盾。一方面是由于建筑结构的特殊性质不同，
2、它具有唯一性、多变性和环境复杂性等特点，在不同的建筑环境中需要针对具体问题具体分析；另一方面由于目前我国对混凝土原材料的更新升级，许多新型材料的诞生或外加剂的使用已经可以大大改善混凝土的反应周期和水化特点，所以规范上的两个定义当中存在互补关系，我们在工程实践中应首选后者来评判混凝土的属性。2 裂缝的特征及危害从大体积混凝土的基本层面来理解，它蕴含了几个大的特点，其中包含大的整体质量，大的水泥用量、大的沉降量、大范围的作业量、大量施工时间以及大的影响范围等。这些因素的综合就可能导致大体积混凝土产生不同深度的裂缝，一般分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。表面裂缝主要是受温度影响，对结构的危害较小
3、，但影响外观质量；深层裂缝是部分切断了结构断面，对结构的耐久性有一定的危害；贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展而成的相互连续裂缝，它切断结构断面，破坏结构的整体性和稳定性，危害较严重。(a)表面裂缝 (b)深层裂缝 (c)贯穿裂缝图一 大体积混凝土裂缝示意图3 裂缝成因分析3.1 水泥水化热水泥属于水硬性无机胶凝材料，在加入水后便开始进入反应阶段，期间的水化过程将产生大量的热量，一般在3天左右达到峰值，气温较高地区一般在24小时内就可能达到峰值，温度可达5080。由于混凝土自身导热性能差，当内部温度升高时，内部温度与表面温度之间的差距越来越大，就会产生温度压力和温度变形。内外之间温差越大，温度应力
4、就越大，当温度应力超过混凝土自身的约束力时，就产生裂缝，其根本表现实则是出现多个不同温区结构面，内高外低。混凝土内部产生的温度大小直接与水泥用量及混凝土厚度相关，混凝土水泥用量大，厚度越厚，内部温度越高，对混凝土自身的影响也就越严重。3.2 内外约束条件影响混凝土内外应力的变化是一个复杂的过程，早期混凝土在温度上升时，内部混凝土产生膨胀形成压应力。当温度下降时，又产生较大的拉应力。由于在混凝土中心区域形成的温度较高，热膨胀系数大，因此在中心区域和表面区域形成应力汇聚面，一旦外部的抗拉应力小于压应力时，混凝土就会产生裂缝。笔者认为，在分析混凝土内外约束应力的前提下，还应该考虑应力产生的过程因素，
5、首先应考虑水分在反应过程中的流失，形成的空隙率，将抵消部分的膨胀变形；再者应考虑反应的时间段与混凝土终凝时间段的关系，如果前期自身的体积变形能够释放一部分的内部应力，那后期需求的拉应力自然会降低，现目前通过外加剂的加入已得到一些改进；其次，混凝土在水化热的过程中，无论是内部还是外部，既存在压应力，同时也存在拉应力，因为应力的分布在结构中是复杂多变的，结构内外应力平衡应作为分析的关键。3.3 外界气温变化大体积混凝土的搅拌、运输、施工、养护及使用过程均受外界气温的影响，特别是在施工阶段，混凝土受到水化热引起的绝热温度、浇筑温度和散热温度三者叠加，当环境气温下降时，会大大增加外层混凝土与内部混凝土
6、的温度阶梯，产生较大的温度应力，从而导致混凝土出现裂缝。冬季和夏季施工时的影响更为突出，气温偏低时外部热量流失较快，反应速度明显减缓，初凝时间滞后，内部反应速度影响相对较小，易出现深层裂缝和表面裂缝；气温偏高时，外面混凝土水分流失较快，一部分混凝土在水化热还没完全发展的情况下已经凝结，表面抗拉能力明显下降，较容易出现干缩变形形成表面裂缝。3.4 混凝土收缩变形混凝土在凝结硬化过程中，有80%的水分需要被蒸发，只有20%的水分是水泥物理化学反应过程所必须的。而混凝土在失去30%的水分时几乎不会引起收缩，随着混凝土的陆续凝结而使20%的吸附水溢出后，就会出现干燥收缩，由于表面相对干燥收缩快，中心干
7、燥收缩慢，表面干缩受到中心混凝土的应力约束，因而会在表面产生拉应力并出现裂缝。这也是我们在现场最容易看到的外观缺陷，俗称龟裂。3.5 混凝土沉陷混凝土沉陷对混凝土结构影响较大，其主要出现在混凝土施工阶段和终凝前。目前在建筑工程领域分析还比较少，桥梁工程分析较多，包括两个方面的问题，一是由于混凝土支架构件之间的连接接缝不紧密，模板与构件之间存在缝隙，地基或受力结构存在下沉等因素出现的非弹性变形；二是混凝土支架构件由于材料自身有一定的弹性，在荷载不同的情况下产生不同大小的弹性变形，特别是施工中和施工后二个阶段的弹性变形极为突出。非弹性变形对结构的危害程度远大于弹性变形，因为非弹性变形不仅会导致结构
8、质量问题的发生，还容易导致安全事故的发生，所以应建立消除非弹性变形，控制弹性变形的理念。4 控制措施4.1 制定可行的专项方案大体积混凝土施工应作为危险性较大分部分项工程来控制，应编制相应的专项方案，方案除应进行相应的验算外，还应该进行施工环境分析和荷载变化分析。主要应包含几个大的内容，一是支架模板及支撑搭设与拆除的稳定性、安全性控制措施；二是混凝土搅拌、运输、浇筑、养护的过程控制措施；三是温度控制措施，包括测温和降温的相关措施；四是安全风险识别和监测方案。技术方案的编制者应会同技术、安全、质量方面的技术工程师对方案进行系统的分析和论证，针对施工的特点做出科学经济的判断，有必要的还应听取专家意
9、见，逐步完善，以达到从源头控制裂缝产生的目的。4.2 优化混凝土配合比（1）大体积混凝土因水泥水化热的大量积聚，易使混凝土内外形成较大的温差，产生温度应力，因此应选用低水化热的水泥作为大体积混凝土热量控制的首要措施，3d的水化热不宜大于240KJ/kg，7天水化热不宜大于270kJ/kg,类型选用见表1：表1 不同环境水泥类型选用参考表特点及环境优选使用可以使用不得使用普通环境P.OP.S ;P.PP.F大体积混凝土P.S ;P.PP.FP.OP.IP.II（2）应采用提高掺合料及骨料的措施降低水泥用量，充分利用混凝土的中后期强度来满足设计强度要求，但粉煤灰的掺量不宜超过胶凝材料用量的40%，
10、矿渣粉掺量不宜超过50%，水胶比不宜大于0.55。制备前应进行配合比试验，以掌握各项技术参数。（3）温度控制较高的大体积混凝土，胶凝材料用量及品种等宜通过水化热和绝热温升试验确定，具体可参照GB50666-2011混凝土结构工程施工规范执行；（4）合理的选用缓凝或减水等外加剂，以改善混凝土的性能，延迟混凝土的凝结时间，提高混凝土对应力的释放能力；（5）控制好集料的级配和含泥量，含泥量超标会影响混凝土的收缩，降低混凝土的抗拉强度，对混凝土抵抗裂缝不利；（6）控制好混凝土的坍落度，不宜过大，一般控制在12020mm。4.3 控制浇筑过程采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，以大大减少施工中出现裂缝的
11、可能性。选择浇筑方案时，除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外，还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响，常采用的方法有以下几种：(1)全面分层：即在第一层全面浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止，分层厚度宜为1.52.0m。采用这种方案时，结构的平面尺寸不宜太大，且施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。(2)分段分层：混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。由于总的
12、层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。当截面面积在200以内时分段不宜大于2段，在300 以内时不宜大于3段，每段面积不得小于50m2。(3)斜面分层：要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。混凝土的振捣也要适应斜面分层浇筑工艺，一般在每个斜面层的上、下各布置一道振动器。上面的一道布置在混凝土卸料处，保证上部混凝土的捣实。下面一道振动器布置在近坡脚处，确保下部混凝土密实。随着混凝土浇筑的向前推进，振动器也
13、相应跟上。4.4 注重养护过程大体积混凝土养护的关键是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内外温差，在促进混凝土强度正常发展的同时防止混凝土裂缝的产生和发展。大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过温度控制，防止因温度变形引起混凝土开裂。混凝土养护阶段的温度控制措施主要有：(1)混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于2530。(2)混凝土拆模时，混凝土的表面温度与中心温度之间、表面温度与外界气温之间的温差不超过20。(3)采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通入
14、冷却水，降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行。还有常见的投毛石法，也可以有效控制混凝土开裂。(4)保温法是在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料(如草袋、锯木、湿砂等)，在缓慢散热的过程中，保持混凝土的内外温差小于20。根据工程的具体情况，尽可能延长养护时间，拆模后立即回填或再覆盖保护，同时预防近期骤冷气候影响，防止混凝土早期和中期裂缝。(5) 大体积混凝土养护时间应满足要求。表2 大体积混凝土湿润养护时间水泥品种养护时间（d）硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥14火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥、矿渣硅酸盐大坝水泥21在现场掺粉煤灰的水泥4.5 做好设计与监测（1）部分大体积混凝土裂缝可以通过设计上的改进得到有效的控制，比如根据施工作业面的特点留置变形缝、后浇带，有利于减小混凝土变形应力集中，阻断大面积裂缝的形成。同时，设计上可根据结构特点在混凝土表面布设抗裂钢筋网片，可有效地防止混凝土收缩产生干裂。（2）大体积混凝土温度控制是防治裂缝的基础，应在混凝土内部平面分层布置监测点，根据结构尺寸和数据需求的前提下确定测点数量，一般上中下位置不少于3点，间距不大于600mm，能有效反应出温升、里表温差、降温速率及环境温度等关键指标。参考文献1大体积混凝土施工规范GB50496-2009中国计划出版社2建设工程管理与实务（第四版） 中国建筑工业出版社
