浅析大体积混凝土裂缝成因及施工控制

    宁芳芬　夏爱平

    摘要：随着科技进步，高层建筑和大跨径的桥梁得到迅速发展，大体积混凝土结构的应用日益普遍。在施工过程中，如果不采取正确的施工方法和有效的控制措施，混凝土的内外温差一般都会大于25℃，很容易造成混凝土大面积裂缝，这些裂缝会给有害物质提供方便的侵入点，使裂缝不断扩大，影响结构的使用，甚至造成结构的破坏。因此，除满足一般混凝土的要求外，大体积混凝土结构的裂缝控制尤为重要。

    关键词：裂缝成因；施工控制

    1 裂缝的表现形式与成因分析

    1.1 表现形式

    由于混凝土沉缩、表面塑性收缩产生的表面浅层裂缝。该类裂缝一般在平面内分布无规则且较短，不影响结构使用，仅作表面防护处理即可。

    由于混凝土升温过高、温差过大或降温过快产生的深层、通长或贯穿裂缝。该类裂缝一般首先出现在长边方向的中部、边角处和截面突然变化处，影响结构整体受力和使用耐久性。

    1.2 成因分析

    大体积混凝土裂缝主要由以下三方面的原因引起：

    混凝土在凝固初期产生大量的水化热，致使内部温度迅速升高，体积膨胀扩大，此时由于受基岩或前期混凝土的约束产生压应力。在混凝土凝固后期冷却收缩时，则产生拉应力，且拉应力大于升温膨胀产生的压应力值。当拉应力超过混凝土的极限抗拉应力时，则会在混凝土内部产生裂缝，可能发展成贯穿裂缝，对结构造成极大的破坏。

    在混凝土浇筑后外界气温突然下降，在混凝土内外部产生较大温差，使混凝土表面产生很大的温度拉应力，形成表面裂缝。

    混凝土在浇筑后，因塑性收缩和缩水收缩而产生的表面收缩裂缝。

    其中，由于后两方面原因引起的裂缝，只要我们按照规范要求进行正常的养护，均可以得到有效控制和避免。而第一方面由水泥水化热引起的较大温差则是大体积混凝土产生温度裂缝最直接、最根本的原因，也是我们在施工中必须克服的难题之一。

    2 温差控制与防裂

    根据《块体基础大体积砼施工技术规程》YBJ224-91规定，大体积混凝土工程施工前，应对施工阶段大体积混凝土浇筑块体的温度进行验算，确定施工阶段大体积混凝土浇筑块体的升温峰值、里外温差及降温速度的控制指标，制定温控施工的技术措施。通过温控施工技术措施的落实，确保施工质量、防止有害裂缝、特别是贯穿裂缝的产生。混凝土表面温度裂缝宽度应小于0.3mm。

    2.1 合理选材，改善配比

    2.1.1原材料控制。

    水泥：采用水化热较低和凝结时间较长的水泥，如矿渣水泥、大坝水泥或粉煤灰水泥等。在材料比选时，应对不同种类和品牌的水泥取样进行水化热试验，经过分析比较，优先选用同量同等条件下水化热较低的水泥。

    粗骨料：采用5mm～31.5mm连续级配碎石，针片状颗粒含量不应大于10％，含泥量不应大于1％。

    细骨料：采用级配良好、质地坚硬的优质中粗河砂，含泥量不应大于2％，细度模数控制在2.3mm～2.7mm之间。

    水：达到饮用水标准。

    粉煤灰：粉煤灰是一种优质的掺和料，使用时应选择一级粉煤灰，尽可能选用细度模数大且烧失量低的粉煤灰。

    外加剂：采用缓凝高效减水剂。

    ２.1.2 改善配比。

    尽可能降低水泥用量。 根据水化热温升经验公式：T=To+Q／N+L／50(式中：T—水化热温升，℃；To—混凝土入模温度，℃；Q—每立方米混凝土水泥用量，Kg／m3；N—试验常数，早强类水泥取9，普通水泥取10，矿渣类水泥取11；L—每立方米混凝土粉煤灰用量，Kg／m3。)可知，每立方米混凝土每减少10Kg水泥用量，混凝土的水化热温升降低1℃左右。因此，在保证混凝土强度的前提下，尽可能降低水泥用量是最可靠的控温措施之一。水泥用量一般不应超过350Kg／m3。

    参用粉煤灰。混凝土掺加粉煤灰主要是为了取代部分水泥，减少水泥用量，降低水化热，同时还可以充当填充材料，并改善混凝土的和易性。粉煤灰用量一般为水泥用量的30％～40％。

    掺加高效减水剂。混凝土掺加高效减水剂有双重作用，一方面使混凝土缓凝，以推迟水化热峰值的出现，使混凝土表面温度梯度减少；另一方面可以降低水灰比，避免水灰比过大产生塑性收缩。

    2.2施工过程控制

    控制混凝土的出机温度和浇筑温度。研究表明：对混凝土出机温度影响最大的是碎石和水的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响最小。因此，降低出机温度的最有效办法就是降低碎石的温度。在气温较高时，为防止太阳的直接照射，砂石堆场应设遮阳棚；必要时，部分拌和用水以碎冰形式加入。为了保证混凝土的均匀性，在搅拌终了前，应使混凝土拌和物中的冰全部溶化。

    为了控制混凝土的浇筑温度，可加快运输速度，缩短运输时间，在运输途中尽量放慢搅拌速度。在气温较高时，对运输车的搅拌罐喷淋冷水，减少运输过程中吸收太阳的辐射热。同时，加大浇筑强度，缩短浇筑时间。

    采用分层或分块浇筑，加快混凝土散热速度。

    分层浇筑。

    ①分层施工时母层厚度应控制在1m～1.5m之间，具体可视混凝土浇筑能力和降温措施而定。

    ②应在前层混凝土初凝或失去重塑性能前完成下层混凝土的浇筑捣实。

    ③当在前层混凝土初凝或失去重塑性能前无法完成下层混凝土施工时，应按规定间歇4d～7d，待前层混凝土达到一定强度时，方可进行下层混凝土的浇筑，且在浇筑前对两层结合面按施工缝进行凿毛和清扫浮浆处理。

    分块浇筑。

    当截面面积大于100m2时，在前层混凝土开始初凝或失去重塑性能前来不及完成下层混凝土的浇筑振捣时，此时若采用分层浇筑，间隔时间长，延误工期。为加快施工进度和保证工程质量，应统筹安排，采用分块浇筑。

    ①合理布置分块区域，每块平均面积不宜小于50m2，高度不宜大于1.5m。

    ②上下邻层混凝土间的竖向接缝，应错开布置，做成企口，并按施工缝处理。

    2.3冷却水降温。

    在混凝土内部布置冷却水管，混凝土终凝后开始通水冷却降温。通过冷却水循环，降低混凝土内部温度，缩小内外温差。在混凝土内部合理布置测温点，埋设测温传感器，及时通过测温点监测温度，掌握混凝土内部各测点的温度变化，以便及时调整冷却水流量，控制温差，确保混凝土内外温差小于25℃。

    冷却循环水管可采用φ25mm左右铁管，按照冷却水由较热中心区流向边区的原则，进水管口设在靠近混凝土中心处，出水管口设在混凝土边区处。进出水管口均引出混凝土顶面以上。每层水管的垂直进出水口互相错开，且在出水口处设调节水管流量的水阀和测流量设备。

    冷却水管安装时，要与钢筋骨架和支撑桁架固定牢靠，以防混凝土浇筑时水管变形及脱落而发生堵水和漏水，并做通水试验。

    混凝土终凝后，方可通水循环。

    用温度计及时测出进出口的水温，不断调整水管流量，水管流量可控制在1.2m3/h～1．5m3/h，将进出水温差控制在10℃左右，且水温与混凝土内部温度相差不大于20℃。

    冷却水管使用完毕，需要压注水泥浆封闭。

    2.4改善约束条件

    在岩石地基或厚度较大的混凝土垫层上浇筑大体积混凝土时，可在岩石地基或混凝土垫层上铺设隔离层以减少垂直收缩裂缝。隔离层一般采用涂刷一层3mm～5mm厚的沥青或干铺二毡三油。当混凝土平面尺寸过大时，可采用后浇带，即在结构中适当部位每隔20m～30m预留宽为0.5m～1m的后浇带，浇筑混凝土30天～40天后封闭。

    2.5加强养护

    大体积混凝土易受到太阳暴晒及雨水、冷空气等袭击，致使表面温度变化较大，产生较大温差，造成裂缝。因此，加强养护也是防止开裂的关键之一。

    混凝土浇筑后，应适时加盖草垫、麻袋等覆盖物，定时洒水养生；同时保证冷却水的供应，加强保温、保湿养护，延缓降温速度，减少内外温差。

    在混凝土内部及表面合理布设测温点，加强温度观测，并根据外界大气条件，随时了解混凝土浇筑后(尤其是第2天)温度的升降情况，掌握混凝土内外温差变化，及时采取增减覆盖物等措施，以便将混凝土内外温差控制在25℃以内。