大體積混凝土的裂縫產(chǎn)生的可能原因與預(yù)防措施

張孟強

(承德市交通運輸局承張高速公路管理處)

1 大體積混凝土裂縫的可能原因

大體積混凝土墩臺身或基礎(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:

(1)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程引起的收縮，會產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力，如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫。

人們對收縮給予了很大的關(guān)注，但引人關(guān)注的并不是收縮本身，而是由于它會引起開裂。混凝土的收縮現(xiàn)象有好幾種，比較熟悉的是干燥收縮和溫度收縮，這里著重介紹的是自身收縮，還順便提及塑性收縮問題。

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，而是因為水泥水化時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，混凝土體的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對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干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計;但是當(dāng)水灰比小于0.35時，體內(nèi)相對濕度會很快降低到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，因為在這以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說，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早就將自身收縮作為一項性能指標(biāo)進(jìn)行測定和考慮?，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題，以最大限度減少開裂影響”，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加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現(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，于是裂縫迅速擴展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。

(2)溫差裂縫

混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大會產(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，混凝齡期短，抗拉強度很低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強度，則會在混凝土的表面產(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，此時混凝土的齡期很短，抗拉強度很低，溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力，超過此時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土表面產(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 d(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，也會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，直至出現(xiàn)收縮裂縫。

(3)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)計措施

(1)精心設(shè)計混凝土配合比

混凝土配合比設(shè)計時，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)計準(zhǔn)則，生產(chǎn)出“高強、高韌性、中彈、低熱和高極拉值”的抗裂混凝土。

(2)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。

(3)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)采取加強措施。

(4)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。

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

2.2 施工措施

(1)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)。

(2)優(yōu)選混凝土各種原材料。

在選擇大體積混凝土用水泥時，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。因為這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體積的80% ～83%，因此，在選擇骨料時，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。

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林袚接梅勖夯液螅商岣呋炷恋目?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。

(3)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，合理摻加塑化劑和減少劑。

(4)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降低到混凝土開裂的溫度Tt時，t時刻的混凝土拉應(yīng)力σt超過了t時刻的混凝土極限拉應(yīng)力σtu。因此，通過降低混凝土內(nèi)的水化熱溫度(主要通過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。

人工控制混凝土溫度的措施(如:體內(nèi)埋設(shè)冷卻水管和風(fēng)管、表面灑水冷卻、表面保溫材料保護(hù))主要是針對后期而言，對早期因熱原因引起的裂縫是無助的。比如表面保溫材料保護(hù)可以減少內(nèi)外溫差，但不可避免的招致混凝土體內(nèi)溫度T1很高，從受約束而導(dǎo)致貫穿裂縫的角度看，是一個潛在惡化裂縫的條件。因為體內(nèi)熱量遲早是要散發(fā)掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問題是防止“過速冷卻”和“超冷”，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，而且早期的過速超冷會影響水泥—膠體體系的水化程度和早期強度，更易產(chǎn)生早期熱裂縫。超冷會使混凝土溫差過大，引起溫差裂縫。

澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設(shè)簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水?；炷帘盟蜁r，在水平及垂直泵管上加蓋草袋，并噴冷水。

(5)根據(jù)工程特點，可以利用混凝土后期強度，這樣可以減少用水量，減少水化熱和收縮。

(6)加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。

(7)混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上，混凝土的現(xiàn)場試塊強度不低于C5。

(8)采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強度，提高抗裂性。

(9)根據(jù)具體工程特點，采用UEA補償收縮混凝土技術(shù)。

(10)對于高強混凝土，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。通過試驗摻入粉煤灰，摻量15% ～50%。

［1］ 金華山.混凝土裂縫產(chǎn)生原因及分析［J］.公路與汽運，2004，(1).

［2］ 陳向東.淺析混凝土裂縫防止措施［J］.中小企業(yè)管理與科技，2009，(6).

［3］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996.