大體積混凝土的裂縫產(chǎn)生的可能原因與預(yù)防措施

魏　萍

摘要：大體積混凝土開(kāi)裂后，其性能與原狀混凝土性能相差很大，尤其是對(duì)耐久性(滲透性)的影響更大，而混凝土滲透反過(guò)來(lái)又會(huì)加速和促使混凝土的進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全和耐久運(yùn)行。而裂縫大多又是在早期產(chǎn)生的，因此，探討裂縫產(chǎn)生的原因和防止裂縫的出現(xiàn)就顯得格外重要。通過(guò)對(duì)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和類型的論述，從各個(gè)環(huán)節(jié)提出了預(yù)防裂縫的綜合措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫；收縮；安定性；裂縫控制

1大體積混凝土裂縫的可能原因

裂縫的類型和形成原因

大體積混凝土墩臺(tái)身或基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生是由多種因素引起的。各類裂縫產(chǎn)生的主要影響因素如下：

收縮裂縫：混凝土的收縮引起收縮裂縫。收縮的主要影響因素是混凝土中的用水量和水泥用量，混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土的收縮就越大。

選用水泥品種的不同，干縮、收縮的量也不同。收縮量較小的水泥為中低熱水泥和粉煤灰水泥。

混凝土的逐漸散熱和硬化過(guò)程引起的收縮，會(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力，如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過(guò)當(dāng)時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫。

自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對(duì)濕度降低，體積減小。水灰比的變化對(duì)干燥收縮和自身收縮的影響正相反，即當(dāng)混凝土的水灰比降低時(shí)干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5時(shí)，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計(jì)；但是當(dāng)水灰比小于0.35時(shí)，體內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則接近各占一半。

自身收縮中發(fā)生于混凝土拌合后的初齡期，因?yàn)樵谶@以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對(duì)濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說(shuō)，在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分已經(jīng)產(chǎn)生，甚至已經(jīng)完成，而不像干燥收縮，除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外，許多構(gòu)件的干縮都發(fā)生在拆模以后，因此只要覆蓋了表面，就認(rèn)為混凝土不發(fā)生干縮。

在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應(yīng)力增大，所以在水工大壩施工時(shí)早就將自身收縮作為一項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定和考慮?，F(xiàn)今許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，如上所述，已"達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題，以最大限度減少開(kāi)裂影響"，因而也需要像大壩一樣，需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響，況且在這些結(jié)構(gòu)里，兩者的發(fā)展速率均要比大壩混凝土中快得多，因此也激烈得多。

還有塑性收縮，在水泥活性大、混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會(huì)加劇引起開(kāi)裂。因?yàn)檫@時(shí)混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充，這時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點(diǎn)拉力，混凝土的表面就會(huì)出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快，于是裂縫迅速擴(kuò)展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。

溫差裂縫 ：混凝土內(nèi)部和外部的溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生裂縫。溫差裂縫的主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過(guò)大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑，澆筑后，水泥因水化引起水化熱，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不容易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，而混凝土表面土則散熱較快，形成了較大的溫度差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)，混凝齡期短，抗拉強(qiáng)度很低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度，則會(huì)在混凝土的表面產(chǎn)生裂縫。

大體積混凝土施工，由于混凝土內(nèi)部與表面散熱速率不一樣，在其表面形成較大的溫度梯度，從而引起較大的表面拉應(yīng)力。同時(shí)，此時(shí)混凝土的齡期很短，抗拉強(qiáng)度很低，溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力，超過(guò)此時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生表面裂縫。此種裂縫一般產(chǎn)生在混凝土澆筑后的第3天(升溫階段)?；炷两禍仉A段，由于逐漸降溫而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過(guò)程中，由于混凝土內(nèi)部拌合水的水化和蒸發(fā)以及膠質(zhì)體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時(shí)收縮。這兩種收縮由于受到基底或結(jié)構(gòu)本身的約束，也會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，直至出現(xiàn)收縮裂縫。

安定性裂縫：安定性裂縫表現(xiàn)為龜裂，主要是因水泥安定性不合格而引起的。

2 裂縫的防治措施

2.1設(shè)計(jì)措施

精心設(shè)計(jì)混凝土配合比。混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能的降低混凝土的單位用水量，采用"三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）"的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出"高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高極拉值"的抗裂混凝土。

增配構(gòu)造筋提高抗裂性能，配筋應(yīng)采用小直徑、小間距。全截面的配筋率應(yīng)在0.3～0.5%之間。

避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。

在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮施工時(shí)的氣候特征，合理設(shè)置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m，保留時(shí)間一般不小于60天。如不能預(yù)測(cè)施工時(shí)的具體條件，也可臨時(shí)根據(jù)具體情況作設(shè)計(jì)變更。

2.2施工措施

嚴(yán)格控制混凝土原材料的的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選用低水化熱水泥，粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量減少(1～1.5%以下)。

優(yōu)選混凝土各種原材料? 在選擇大體積混凝土用水泥時(shí)，在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。因?yàn)檫@種水泥在水化膨脹期（1～5 d）可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，而在水化后期預(yù)壓應(yīng)力可部分抵消溫度徐變應(yīng)力，減少混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力，提高混凝土的抗裂能力。為此，水泥熟料中的堿含量應(yīng)低且適宜，熟料中MgO含量在3.0%～5.0%，石膏與C3A的比值盡量大些，C3A、C3S和C2S含量應(yīng)分別控制在5.0%以內(nèi)、50.0%左右和20.0%左右，這種熟料比例的水泥具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的微膨脹抗裂性能。

骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對(duì)體積的80%～83%，因此，在選擇骨料時(shí)，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無(wú)弱包裹層、級(jí)配良好的骨料。

砂除滿足骨料規(guī)范要求外，應(yīng)適當(dāng)放寬石粉或細(xì)粉含量，這樣不僅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密實(shí)性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之間為宜。

粉煤灰只要細(xì)度與水泥顆粒相當(dāng)，燒失量小，含硫量和含堿量低，需水量比小，均可摻用在混凝土中使用?；炷林袚接梅勖夯液?，可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，抑制堿骨料反應(yīng)，減少新拌混凝土的泌水等。這些諸多好處均將有利于提高混凝土的抗裂性能。

高效減水劑和引氣劑復(fù)合使用對(duì)減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用，也是混凝土向高性能化發(fā)展的不可或缺的重要組分。

細(xì)致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，減少混凝土的坍落度，合理?yè)郊铀芑瘎┖蜏p少劑。采用綜合措施，控制混凝土初始溫度

混凝土溫度和溫度變化對(duì)混凝土裂縫是極其敏感的。當(dāng)混凝土從零應(yīng)力溫度T2降低到混凝土開(kāi)裂的溫度Tt時(shí)，t時(shí)刻的混凝土拉應(yīng)力σt超過(guò)了t時(shí)刻的混凝土極限拉應(yīng)力σtu。因此，通過(guò)降低混凝土內(nèi)的水化熱溫度(主要通過(guò)摻用高效減水劑減少用水，減少膠凝材料，多摻粉煤灰和礦物摻和料)和混凝土初始溫度(通過(guò)骨料水冷和風(fēng)冷降溫、加冰和加冷卻水拌和、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)保溫以免冷量損失等措施，降低混凝土初始溫度)，減少和避免裂縫風(fēng)險(xiǎn)。

澆筑時(shí)間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時(shí)要求在沙、石堆場(chǎng)搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽(yáng)裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時(shí)向骨料噴冷水。混凝土泵送時(shí)，在水平及垂直泵管上加蓋草袋，并噴冷水。

根據(jù)工程特點(diǎn)，可以利用混凝土后期強(qiáng)度，這樣可以減少用水量，減少水化熱和收縮。加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗，提高密實(shí)度?；炷帘M可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上，混凝土的現(xiàn)場(chǎng)試塊強(qiáng)度不低于C5。采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強(qiáng)度，提高抗裂性。根據(jù)具體工程特點(diǎn)，采用UEA補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)。

對(duì)于高強(qiáng)混凝土，應(yīng)盡量使用中熱微膨脹水泥，摻超細(xì)礦粉和膨脹劑，使用高效減水劑。通過(guò)試驗(yàn)摻入粉煤灰，摻量15%～50%。