大體積混凝土施工裂縫的產(chǎn)生原因及其預(yù)防

黃 蕓（唐山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山063000）

1 引言

混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各種混凝土大壩、港工結(jié)構(gòu)、高層建筑等施工中，大體積混凝土的應(yīng)用越來越廣泛。盡管在施工中采取了多種措施，但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)。裂縫的產(chǎn)生輕則會影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，重則影響結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。因此，采取合理措施，避免大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫的產(chǎn)生日益受到土木、水利等工程界人士的重視。

2 大體積混凝土施工期產(chǎn)生裂縫的機(jī)理和影響因素

2.1 大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生機(jī)理

研究表明，混凝土內(nèi)部都是存在微觀裂縫的。混凝土是由骨料、水泥石、氣體和水封等組成的非均質(zhì)材料，混凝土中骨料的熱膨脹系數(shù)一般為0.7×10-5/℃左右，而水泥石的熱膨脹系數(shù)為1.3×10-5/℃左右,由于骨料和水泥石在熱膨脹系數(shù)上的顯著差異，導(dǎo)致在骨料和水泥石界面處產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

當(dāng)結(jié)構(gòu)物在實(shí)際使用中的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗由于外荷載作用而產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí),就可能出現(xiàn)裂縫。在各種溫度、濕度以及其他條件變化下，混凝土逐步硬化過程中，會產(chǎn)生不均勻分布的體積變形，混凝土的各組成材料間強(qiáng)度和變形能力等的差異就引起相互間的約束應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于骨料和水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),就在界面處產(chǎn)生了微裂縫”。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于其截面尺寸相對于一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件大很多，其在水泥發(fā)生水化反應(yīng)過程中，會釋放大量水化熱，由于水化熱的傳導(dǎo)、散失等條件的差異，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的顯著變化，產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力。另外，由于混凝土收縮的作用，同時(shí)會產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這些因素，造成大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)機(jī)率和裂縫危害要顯著大于一般混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 大體積混凝土施工期裂縫產(chǎn)生的主要影響因素

從溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理可以知道，水泥水化過程是大體積混凝土中的主要溫度因素，其施工期裂縫的防控重點(diǎn)是溫度裂縫。因此，影響其施工期裂縫的因素主要為使其內(nèi)部溫度場產(chǎn)生不均勻分布的各種因素，包括水泥水化熱、拌合澆筑溫度、收縮變形、大氣溫度和當(dāng)量溫度等。另外，還與混凝土的降溫散熱條件以及升降溫速度密切相關(guān)。除此以外，還與混凝土抗拉強(qiáng)度以及施工方案和配筋等因素有關(guān)。

1）澆筑溫度對裂縫的影響

混凝土的澆筑溫度是混凝土產(chǎn)生水化熱溫升的基礎(chǔ)。混凝土的澆筑溫度越高，其產(chǎn)生的水化熱峰值也越高。因此在工程實(shí)踐中，在高溫季節(jié)澆筑大體積混凝土?xí)r通常采用骨料預(yù)冷，加冰拌和等措施來降低澆筑時(shí)的溫度，以達(dá)到控制混凝土最高溫升的目的。

2）水泥品種與用量對裂縫的影響

水泥品種和單位體積混凝土水泥用量的差異，產(chǎn)生的最終水化熱是不同的。這兩個(gè)因素對混凝土絕熱溫升熱峰值有顯著影響，因此澆筑大體積混凝土?xí)r應(yīng)盡量采用低熱水泥。

3）環(huán)境溫度對裂縫的影響

施工期環(huán)境溫度的影響主要是造成混凝土內(nèi)外溫差較大。混凝土表面溫度隨環(huán)境溫度降低而降低，而環(huán)境溫度對其內(nèi)部熱峰值的影響不大，進(jìn)而引起的混凝土內(nèi)外溫度梯度的顯著變化，加劇溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，因此要特別注意在寒冷季節(jié)施工時(shí)的防護(hù)措施。

4）混凝土導(dǎo)熱性能對裂縫的影響

導(dǎo)熱系數(shù)高的混凝土，熱量傳遞效率高，能夠顯著降低混凝土內(nèi)外的溫差，從而降低由此引起的應(yīng)力。除此以外，還可以采取施工過程中加強(qiáng)散熱措施。

5）混凝土收縮變形對裂縫的影響

混凝土空隙中存在多余水分的蒸發(fā)，會引起混凝土體積的收縮（干縮），如果收縮受到約束，即會引起開裂，并隨齡期的增長而發(fā)展。

6）施工方案對裂縫的影響

采用分塊、分層澆搗，可以減輕混凝土的水化熱和內(nèi)部溫度梯度，達(dá)到控制溫度收縮應(yīng)力和裂縫的開展的目的。但是，同時(shí)也會延長施工周期，施工質(zhì)量難以保證。

7）配筋對混凝土裂縫的影響

混凝土的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，在受力時(shí)，造成內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)不均勻受力，往往會造成應(yīng)力較大點(diǎn)首先達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，引起局部變形，進(jìn)而在應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂縫。如果通過適當(dāng)配筋分擔(dān)混凝土應(yīng)力，使其趨向均勻，則可推遲混凝土裂縫的出現(xiàn)。

8）混凝土幾何尺寸對裂縫的影響

通過實(shí)測可知，混凝土澆筑層厚度對其溫度影響很大，混凝土達(dá)到穩(wěn)定所需試件隨著澆筑層厚度減小而縮短。此外，大體積混凝土尺寸越大，越容易產(chǎn)生裂縫。

(9)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)對裂縫的影響

養(yǎng)護(hù)過早會影響膠結(jié)能力，而養(yǎng)護(hù)過遲，又會引起混凝土表面游離水過快蒸發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生體積收縮裂縫。

3 預(yù)防大體積混凝土產(chǎn)生施工裂縫的防控制措施

3.1 控制大體積混凝土開裂的控制因素分析

根據(jù)大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)混凝土在 t 齡期時(shí)，抗拉強(qiáng)度Rf（t）大于混凝土內(nèi)部溫度從最高值 Tmax降至環(huán)境溫度 Th(t) 時(shí)所產(chǎn)生的收縮受到外界約束而引起的應(yīng)力σw（t）時(shí)，混凝土不發(fā)生開裂?？捎孟率奖硎荆?/p>

式中，σN（t）是由中心溫度與表面溫度之差 △T(t)產(chǎn)生的相對變形受內(nèi)約束引起的。應(yīng)力；σZ（t）總溫降收縮受約束產(chǎn)生應(yīng)力；σS（t）是收縮變形受約束產(chǎn)生的應(yīng)力；σO（t）是其它次要因素產(chǎn)生的應(yīng)力；σX（t）是徐變釋放的應(yīng)力。

由上式可知，減少大體積混凝土開裂的關(guān)鍵因素是令混凝土抗拉強(qiáng)度大于由于各種因素引起的開裂應(yīng)力。另外，通過采取措施，降低內(nèi)部與外部溫差應(yīng)力、混凝土總溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力，并通過加強(qiáng)混凝土變形能力和徐變能力，也會對控制大體積混凝土開裂取得效果?；炷恋臏囟葢?yīng)力決定于澆筑混凝土?xí)r的溫度、水化熱和混凝土的表面溫度。通過優(yōu)選水泥品種、優(yōu)化配合比、改善養(yǎng)護(hù)條件，也可以達(dá)到控制大體積混凝土裂縫開展的目的。

綜上所述，防止大體積混凝土裂縫的開展，一方面應(yīng)控制溫度、改善約束；另一方面應(yīng)盡可能的提高混凝土抗裂能力，改善混凝土自身性能。

3.2 降低混凝土澆筑水化熱的措施

1）不宜使用水化熱較高的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，更不宜使用早強(qiáng)型水泥。在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，盡量采用低水化熱水泥。

2）除采用水化熱低的水泥外，要減少溫度變形，還應(yīng)盡可能地降低水泥用量。

3）通過精心設(shè)計(jì)，盡量采用較大的骨料粒徑等措施，優(yōu)化混凝土配合比。

4）適量摻加粉煤灰等摻合料。粉煤灰7天水化熱約為水泥的 1/3，遠(yuǎn)小于水泥。并且可降低混凝土的單位用水量和水泥用量，減小混凝土的收縮，有利于防裂。

5）適當(dāng)摻加減水劑。減水劑可有效降低混凝土的單位用水量和水泥用量，緩凝型減水劑對水泥水化有抑制作用。有利于防止開裂。

3.3 合理制定施工方案的措施

對不同的混凝土構(gòu)件，應(yīng)有針對性的采用相應(yīng)的澆筑工藝，澆筑大體積混凝土首先應(yīng)制定詳細(xì)的澆筑施工方案。采取切實(shí)可行的措施。

1）合理的分縫分塊，安排合理的澆筑順序。

2）熱天澆筑混凝土?xí)r分層澆筑，減小澆筑厚度，利用澆筑層面散熱。

3）在混凝土中埋設(shè)降溫水管，通入冷水降溫。

4）合理安排澆筑順序，避免過大的高差和側(cè)面長期暴露。5）注意控制鋼筋位置，防止鋼筋位移造成混凝土保護(hù)層過大而開裂。

3.4 混凝土的養(yǎng)護(hù)措施

（1）及時(shí)養(yǎng)護(hù)，應(yīng)在澆筑完后12小時(shí)內(nèi)對混凝土加以覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)。根據(jù)采用水泥品種不同，確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間，灑水養(yǎng)護(hù)應(yīng)以保持混凝土處于濕潤狀態(tài)為宜。

（2）薄膜布養(yǎng)護(hù)應(yīng)在振搗二次抹壓后立即用塑料薄膜嚴(yán)密覆蓋，保證混凝土在不失水的情況下得到充足的養(yǎng)護(hù)，同時(shí)輔以灑水養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語

雖然多年來混凝土梁板的施工裂縫一直是施工中最常見和難以克服的弊病,但只要在施工中對每個(gè)環(huán)節(jié)和工序嚴(yán)格把關(guān), 還是能夠克服和減少的。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[2]楊理準(zhǔn)，武吉中，余軍.公路施工手冊(基本作業(yè))[M].北京：人民交通出版社,1992年.35-55.

[3]黃國興,惠榮炎.混凝土的徐變.北京：中國鐵道出版社[M],1988年.25-30.

[4]羅旭，李新平.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁底板錨下裂縫分析.[J].公路交通科技，2005，22(12)：97-100.