大體積混凝土常見裂縫分析及預(yù)防控制措施

劉 印 （上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

0 前 言

按照《大體積混凝土規(guī)范》（GB50496-2009），大體積混凝土是指最小幾何尺寸大于1 m 以上的混凝土結(jié)構(gòu)。與普通鋼筋混凝土相比,具有體積大、結(jié)構(gòu)厚、混凝土量大、工程條件復(fù)雜和施工技術(shù)要求高等特點(diǎn)。

隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，大體積混凝土在工程中的應(yīng)用也日益增多，比如水利水電工程中的混凝土大壩、高層建筑的地下室混凝土底板以及許多大型設(shè)備的基礎(chǔ)承臺(tái)等均采用大體積混凝土澆筑而成。由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面尺寸大，混凝土澆筑后，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，內(nèi)部溫度急劇上升，與混凝土表面及周圍環(huán)境形成較大溫差，在一定約束條件下產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就可能產(chǎn)生裂縫。裂縫一旦形成，特別是重要的結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)貫穿裂縫，危害極大，不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性，削弱構(gòu)件的承載力，同時(shí)還可能危害到構(gòu)造物的安全使用。因此，有必要對(duì)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施進(jìn)行分析研究。

1 裂縫的類型及原因

形成混凝土裂縫的因素有很多，由于受到不同因素的影響會(huì)形成不同的裂縫，混凝土裂縫按其成因大體可分為兩類：收縮裂縫；溫度裂縫。收縮是混凝土的固有特性，收縮裂縫又可細(xì)分為塑性收縮裂縫、塑性沉降裂縫、自生收縮裂縫以及干燥收縮裂縫等。

1.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮是新拌混凝土由于表面水分蒸發(fā)引起的收縮。新拌混凝土顆粒之間的空間完全充滿水,當(dāng)遇上高風(fēng)速、低相對(duì)濕度、高氣溫和高溫度的混凝土?xí)r，漿體表面水分不斷蒸發(fā)，這時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓力，即基質(zhì)吸力。隨著蒸發(fā)的繼續(xù)發(fā)展,毛細(xì)管負(fù)壓逐漸增大,產(chǎn)生收縮力,使?jié){體收縮,當(dāng)收縮力大于基體的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土表面發(fā)生開裂。 塑性收縮裂縫常見于新澆筑的暴露于空氣中的混凝土構(gòu)件表面，尤其是大塊板面，如道路、地坪和樓板等，以夏季施工最為普遍。

氣溫、相對(duì)濕度與風(fēng)速等環(huán)境條件影響水分蒸發(fā)量，因而對(duì)混凝土塑性收縮有重大影響，其中尤以相對(duì)濕度的影響最為主要。在具體工程實(shí)踐中，建議新拌混凝土的蒸發(fā)速度如接近1kg/m2·hr 時(shí)，就應(yīng)采取預(yù)防措施以對(duì)付塑性收縮開裂的可能性， 如果是水灰比低于0.4 的混凝土， 蒸發(fā)速度應(yīng)控制在0.5kg/m2·hr 以下。此外，影響混凝土塑性收縮還包括水灰比、細(xì)摻料、漿骨比、混凝土的溫度和凝結(jié)時(shí)間等內(nèi)部因素。

1.2 塑性沉降裂縫

在新拌混凝土中，由于骨料的重量密度大于水泥漿體，所以骨料在漿體中有下沉趨勢(shì)。當(dāng)垂直下沉的固體顆粒遇到水平設(shè)置的鋼筋或緊固螺栓等埋設(shè)件，或受到側(cè)面模板的摩擦阻力時(shí)，就會(huì)受到阻攔并與周圍的混凝土形成沉降差，結(jié)果在混凝土頂部表面處產(chǎn)生塑性沉降裂縫。此外，如果同時(shí)澆筑梁、板或柱(墻)的混凝土，由于這些構(gòu)件的深度不同，有著不同的沉降，從而在這些構(gòu)件交接面處形成沉降差并產(chǎn)生塑性沉降裂縫。塑性沉降裂縫與混凝土的坍落度有關(guān)，坍落度愈大沉降開裂的可能性愈大。在接近表面的水平鋼筋上方最容易形成沉降裂縫，并隨鋼筋直徑加粗和保護(hù)層減薄而趨于嚴(yán)重。

1.3 自生收縮裂縫

在已硬化的水泥漿體中，未水化的水泥繼續(xù)水化是產(chǎn)生自生收縮的主要原因。水化使孔隙尺寸減小并消耗水分，如無外界水分補(bǔ)給，就會(huì)引起毛細(xì)水負(fù)壓使硬化水化產(chǎn)物受壓產(chǎn)生體積變化即自生收縮。自生收縮主要發(fā)生在混凝土硬化的早期，一般認(rèn)為混凝土在開始凝結(jié)后的幾天或十幾天內(nèi)即可完成自生收縮。影響混凝土自生收縮裂縫的因素主要有：水灰比、水泥類型、水泥礦物組分、礦物摻合料、高效減水劑和水泥細(xì)度等。水灰比越低，自生收縮越大；摻加?；郀t礦渣及硅粉更能加大自生收縮；水泥細(xì)度增加，早期自收縮值明顯增加。為了控制自生收縮，需要在混凝土硬化一開始就加水養(yǎng)護(hù)。防止塑性干縮的一些措施大都有利于改善和控制自生收縮。

1.4 干燥收縮裂縫

干燥收縮裂縫是指混凝土硬化過程中，由水分不斷蒸發(fā)干燥而引起的裂縫?；炷粮稍锸湛s主要由水泥石的干燥收縮造成。混凝土的干燥收縮由外向內(nèi)、由表及里逐漸發(fā)展,過程非常緩慢,即使達(dá)到28d 齡期也不能說已經(jīng)終止，有的工程可以持續(xù)若干年甚至幾十年。干縮裂縫一般產(chǎn)生在表層,裂縫細(xì)微,寬度通常在0.05mm～0.2mm 之間，縱橫交錯(cuò)呈龜裂狀,常常不為人們所重視,但是干縮裂縫會(huì)加快混凝土碳化,導(dǎo)致鋼筋銹蝕,不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p害薄壁結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性和耐久性,對(duì)大體積混凝土而言,表面裂縫會(huì)發(fā)展成為更嚴(yán)重的裂縫,影響結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力。

影響混凝土干燥收縮的因素主要有水泥品種和用量、骨料品種和用量、用水量、外加劑、粉煤灰等火山灰質(zhì)摻和料、混凝土的施工、環(huán)境條件、構(gòu)件尺寸等。

1.5 溫度收縮裂縫

混凝土在硬化過程中，水泥水化會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部溫度迅速升高。 由于混凝土的導(dǎo)熱性能差，內(nèi)部的熱量不易傳至表面揮散出來，所以，在混凝土的結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部以及混凝土與外部環(huán)境之間存在較大溫差，當(dāng)溫度拉應(yīng)力超過混凝土的極限拉應(yīng)力時(shí)，混凝土即出現(xiàn)開裂。

由以上分析可知，由于材料質(zhì)量及材料化學(xué)反應(yīng)的影響，混凝土難免會(huì)產(chǎn)生裂縫， 而從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形的角度考慮，在可控范圍內(nèi)的裂縫也是允許的。世界各國對(duì)混凝土都有一個(gè)允許裂縫寬度的限制，如新西蘭規(guī)范對(duì)干燥環(huán)境下的允許裂縫寬度為0.4mm，我國為0.2mm～0.3mm，美國ACI224 委員會(huì)規(guī)定的裂縫允許寬度為：干燥空氣中0.4mm；潮濕空氣或土中0.3mm；有除冰鹽作業(yè)時(shí)0.175mm 等。

裂縫也可以自行愈合，其機(jī)理是硬化水泥漿液中的氫氧化鈣與周圍空氣或水份中的二氧化碳結(jié)合生成碳酸鈣，碳酸鈣與氫氧化鈣結(jié)晶沉淀并積聚于裂縫內(nèi)，這些結(jié)晶相互交織，產(chǎn)生力學(xué)粘結(jié)效應(yīng)，同時(shí)在相鄰結(jié)晶、結(jié)晶與水泥漿體、結(jié)晶骨料表面之間還有化學(xué)粘結(jié)作用，結(jié)果使裂縫得到密封，但是過寬的或還在發(fā)展的裂縫特別是裂縫還有水的流動(dòng)就很難自愈合了，一般認(rèn)為寬度小于0.15mm～0.20mm 的裂縫是可以愈合的。

但裂縫若發(fā)展過大，超過相應(yīng)的容許值時(shí)，既影響外觀形象，更影響地下空間的正常使用，所以減少和防止地下結(jié)構(gòu)混凝土的開裂特別是防止大裂縫具有特別重要的意義。

2 減少裂縫的措施

2.1 塑性收縮裂縫的防治措施

塑性收縮裂縫防治的關(guān)鍵是減少混凝土表面水分的蒸發(fā)，為此可采取以下措施：①降低混凝土的入模溫度；②高溫季節(jié)施工時(shí)，對(duì)混凝土表面采取降溫、保濕措施，如用噴霧濕潤(rùn)混凝土上方的空氣、設(shè)置遮蔭棚等；③將攪拌時(shí)間限制在最低所需程度；④盡量縮短從攪拌到澆筑的時(shí)間，以及從澆筑到抹面、養(yǎng)護(hù)的時(shí)間；⑤澆筑前潤(rùn)濕模板和底板；⑥澆注后立即用塑料膜覆蓋或噴水霧必要時(shí)噴灑密封劑。

2.2 塑性沉降裂縫的防治措施

①在滿足工作度前提下，混凝土坍落度應(yīng)盡可能的低，混凝土的配比應(yīng)保證混凝土有良好的稠度和保水性；

②在澆筑柱、梁、板等相互聯(lián)接的不同深度的構(gòu)件時(shí)，如果不能在高度差處設(shè)置施工縫，則宜分層澆筑，比如先澆筑到梁底面，待沉降稍穩(wěn)定后再往上澆筑，其間的時(shí)間間隔一般不小于2h(熱天則應(yīng)適當(dāng)縮短)，防止在構(gòu)件的聯(lián)接部位出現(xiàn)裂縫；

③增加表面鋼筋的保護(hù)層厚度；

④合理振搗；

⑤外摻引氣劑；

⑥保證模板剛度及地基的穩(wěn)定性；

⑦表面抹平、壓光也可去除較淺的沉降裂縫，但如裂縫較深，則在抹平后的干燥收縮過程中又會(huì)裂開。

2.3 自生收縮裂縫的防治措施

①減少拌和水的用量， 加大粗骨料的最大粒徑和骨料含量，挑選剛度大的骨料品種，盡量減少水泥用量；

②降低混凝土的干燥速率，延緩表層水份損失；

③采用補(bǔ)償收縮混凝土和后澆帶施工；

④采用后澆帶申縮縫等施工措施。

2.4 溫度收縮裂縫的防治措施

①降低水化熱及其釋放速度。減少水泥用量、摻加粉煤灰等礦料、采用低熱水泥這些措施都能降低水化熱。

②降低混凝土的澆筑溫度(入模溫度)。采用冷水或冰水?dāng)嚢杌炷?，降低骨料溫度，盡量減少混凝土在輸送過程中由于環(huán)境影響造成的溫升。

③控制散熱過程并防止混凝土表面溫度的驟降，為防止溫度驟然變化，混凝土冷卻時(shí)的降溫速度不宜超0.5～1℃/h，否則就很有可能開裂。在表面設(shè)置隔熱層，隔熱層材料的熱導(dǎo)率可在3.6～0.5kgcal/m2/hr℃之間選用。 在澆筑大體積混凝土?xí)r，可采用分層澆筑的施工方法，待下一層混凝土的水化熱基本釋放后(如每隔5d～7d)再澆筑上一層，同時(shí)控制每層混凝土的厚度不使熱量過于積聚。

④改善混凝土的強(qiáng)度和熱學(xué)性能。提高混凝土的抗拉性能和降低混凝土的熱膨脹系數(shù)均有利于防止溫度收縮開裂。

⑤設(shè)置構(gòu)造鋼筋。在構(gòu)件中配置構(gòu)造鋼筋可以控制裂縫的寬度并限制其發(fā)展，其實(shí)質(zhì)是通過減少裂縫間距，使裂縫寬度能夠控制在可以接受的范圍內(nèi)。

3 綜合控制措施

影響混凝土收縮開裂的因素眾多而且復(fù)雜多變，施工現(xiàn)場(chǎng)很難將裂縫原因與針對(duì)措施相對(duì)應(yīng)。為了防止混凝土開裂，總體原則是希望減少收縮量、降低收縮應(yīng)力、提高抗裂強(qiáng)度。施工過程需要在技術(shù)與管理方面進(jìn)行預(yù)控。

3.1 綜合技術(shù)措施

3.1.1 充分重視原材料選用及配合比設(shè)計(jì)

3.1.1.1 膠凝材料

宜采用水化熱較低的水泥，不宜采用早強(qiáng)水泥，以降低早期溫度的升高。每立方米混凝土中水泥用量不應(yīng)過多，為降低混凝土水化溫度和改善混凝土拌合物的工作性能，應(yīng)摻加適量的粉煤灰等摻合物。

3.1.1.2 細(xì)骨料

宜采用級(jí)配良好的中、粗砂，細(xì)度模數(shù)大于2.6，砂率過大容易收縮，砂率過小又容易離析泌水，建議控制在40%左右。

3.1.1.3 粗骨料

宜用級(jí)配良好的碎石或卵石。

3.1.1.4 減水劑

為了降低混凝土的早期溫度升高，應(yīng)采用緩凝型高效減水劑，摻量應(yīng)根據(jù)工作需要而定，并應(yīng)注意其與水泥的相容性。

3.1.1.5 膨脹劑

為了降低混凝土收縮引起的裂縫，宜摻加具有補(bǔ)償收縮、增強(qiáng)抗裂性能的膨脹劑，建議摻量為水泥用量的10%左右。

3.1.1.6 用水量

為了降低收縮和減少混凝土拌合物的離析和泌水，保證拌合物工作度滿足施工的條件下用水量不宜過大。

3.1.2 溫度控制

要求澆注溫度不高于30℃，熱天可放寬至35℃；混凝土內(nèi)部的最高溫度不高于65℃， 混凝土內(nèi)部與外部的溫差控制在20℃以內(nèi)，混凝土表面與養(yǎng)護(hù)水的溫度差不高于15℃。施工過程要進(jìn)行測(cè)溫監(jiān)控。

3.1.3 設(shè)置控制縫等措施

充分并合理利用控制縫、后澆帶、滑動(dòng)層、構(gòu)造配筋等控制開裂的手段和措施。

3.1.4 嚴(yán)格控制施工技術(shù)

①稱重應(yīng)嚴(yán)格按照配比要求， 注意沙子、 石子含水率測(cè)定，并在用水量中扣除砂、石中的含水，嚴(yán)禁攪拌完成后再加水。

②混凝土應(yīng)合理均勻攪拌，砂石先進(jìn)行攪拌，加入水泥、膨脹劑、粉煤灰、水、減水劑后再進(jìn)行充分的攪拌。

③攪拌車運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)快速攪拌10s 并測(cè)定塌落度，如因堵車運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)可再摻入一定量的外加劑，但一定要有技術(shù)人員計(jì)量加入，不能加水。

④澆筑與搗實(shí)：混凝土自由傾落高度不宜超過2m，必須用振搗器垂直插入搗實(shí)，不得使用振搗棒趕混凝土或拋送以免造成離析，不得漏振和過振。

⑤支模：支模應(yīng)牢固，變形小。鋼模板用對(duì)拉錨固筋，切斷時(shí)應(yīng)盡量短，否則混凝土易開裂。澆筑前用水濕潤(rùn)溜槽和模板。

⑥養(yǎng)護(hù)：頂?shù)装逍钏B(yǎng)護(hù)，先澆筑的混凝土初凝后，立即覆蓋濕麻袋養(yǎng)護(hù)，待混凝土全部初凝后蓄水養(yǎng)護(hù)9d，側(cè)墻掛草簾或麻袋淋水養(yǎng)護(hù)， 每隔2h～4h 淋一次水， 養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)超過7d。

3.1.5 設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

①增配構(gòu)造鋼筋提高抗裂性能， 配筋采用小直徑、 小間距。

②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。

③充分考慮施工時(shí)的氣候特征，合理設(shè)置后澆帶。

3.2 綜合管理措施

①拌制混凝土的原材料均需進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后方可使用。同時(shí)要注意各項(xiàng)原材料的溫度，以保證混凝土的入模溫度與理論基本相近。

②在混凝土攪拌站設(shè)專人摻入外加劑，摻量要準(zhǔn)確。

③綜合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)商品混凝土要逐車進(jìn)行檢查，測(cè)定混凝土的塌落度和溫度，檢查混凝土量是否相符。同時(shí)，嚴(yán)禁混凝土攪拌車在施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)加水。

④混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行， 間歇時(shí)間不得超過3h～5h，同時(shí)已澆筑的混凝土表面溫度在未被新澆筑的混凝土覆蓋前不得低于相關(guān)規(guī)定。

⑤試驗(yàn)部門設(shè)專人負(fù)責(zé)測(cè)溫及保養(yǎng)的管理工作，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)向項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人匯報(bào)。

4 結(jié) 論

混凝土結(jié)構(gòu)難免會(huì)出現(xiàn)一定寬度的裂縫，但施工中仍盡可能采取有效的技術(shù)措施控制裂縫，使混凝土結(jié)構(gòu)盡量不出現(xiàn)裂縫，或盡量減少裂縫的數(shù)量和寬度，特別是避免有害裂縫的出現(xiàn)。此外，為確保工程質(zhì)量，除加強(qiáng)施工技術(shù)外，還應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)綜合管理。

[1]陳肇元,等.鋼筋混凝土裂縫機(jī)理與控制措施[J].工程力學(xué)，2006(S1).

[2]何貴中，王瑞華.建筑物維修中混凝土裂縫修補(bǔ)與加固處理[J].混凝土，2010(9).

[3]龔劍，李宏偉.大體積混凝土施工中的裂縫控制[J].施工技術(shù)，2012(41).

[4]姚云浩.大體積混凝土裂縫成因及防范措施[J].四川建筑，2014(4).

[5]肖幼鋒.淺談大體積混凝土裂縫的防范措施[J].建筑科學(xué)，2012(5).