大體積混凝土裂縫的成因與防控

陳升 符昱

（河南省水利電力對(duì)外有限公司）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑行業(yè)也在發(fā)生著巨大的質(zhì)變，大型橋梁，水壩，高層建筑物等建筑結(jié)構(gòu)已全面滲入社會(huì)生活。在這些大型建筑的建造過(guò)程中，大體積混凝土是建筑基礎(chǔ)不可或缺的組成部分，因其承載能力較強(qiáng)，施工相對(duì)方便，造價(jià)較為適中，成為許多建筑形式的首選。但在施工過(guò)程中，以及在其他因素的影響下，也伴隨產(chǎn)生以裂縫為主的一些實(shí)際問(wèn)題。

1 大體積混凝土裂縫的主要類(lèi)型及其可能造成的危害

影響大體積混凝土結(jié)構(gòu)使用功能與安全的主要因素就是裂縫問(wèn)題，裂縫不僅會(huì)對(duì)建筑物的外觀產(chǎn)生美學(xué)影響，同時(shí)也會(huì)使其結(jié)構(gòu)內(nèi)存在安全隱患，從而不能有效地發(fā)揮其使用功效。大體積混凝土裂縫的類(lèi)型及其危害主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 溫度裂縫

由大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和施工工程的裂縫成因結(jié)果顯示，4/5以上的混凝土裂縫都是由于混凝土內(nèi)外溫度不同，致使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度或極限拉伸值時(shí)導(dǎo)致的。溫度裂縫基本上產(chǎn)生于大體積混凝土形成的早期階段，在混凝土初凝升溫時(shí)，內(nèi)升外衡的溫度“張”力使混凝土的表面產(chǎn)生裂縫；而在其成型降溫階段，內(nèi)降外衡的溫度“縮”力使混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。這些表面和深層的裂縫會(huì)導(dǎo)致混凝土防滲性和穩(wěn)定性的下降。

1.2 收縮裂縫

大體積混凝土的收縮裂縫主要包含兩種情況，一種是由干燥收縮形成的裂縫，另一種是由塑性收縮形成的裂縫。

干燥收縮裂縫包含干燥裂縫和自收縮裂縫。前者是由于混凝土干燥成型時(shí)，由于表面與內(nèi)部水分蒸發(fā)速度不一致，導(dǎo)致表面干燥裂縫，這種裂縫如果在前期沒(méi)有維修養(yǎng)護(hù)會(huì)發(fā)展為深層裂縫，影響混凝土的防滲性及穩(wěn)定性。后者是由水泥水化過(guò)程中其自身化學(xué)特性引起的，水化作用在混凝土內(nèi)部形成細(xì)孔，若養(yǎng)護(hù)時(shí)間不及時(shí)或養(yǎng)護(hù)方式不當(dāng)，細(xì)孔聚集就會(huì)形成內(nèi)部裂縫，這種裂縫會(huì)影響混凝土的穩(wěn)定性。

而塑性收縮裂縫則是受外界影響產(chǎn)生的，當(dāng)初凝的混凝土受到高溫、大風(fēng)等天氣影響時(shí)，其外部水分散失較快，如不及時(shí)加以養(yǎng)護(hù)，則會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生龜裂，這種裂縫會(huì)影響混凝土的防滲性。而表面裂縫若不及時(shí)處理，則會(huì)逐步向混凝土內(nèi)部縱深發(fā)展，形成深層裂縫，從而影響混凝土的穩(wěn)定性。

1.3 接觸裂縫

在水利工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，較多的運(yùn)用了大體積混凝土技術(shù)?；炷翆儆趶?fù)合材料，在與岸坡的巖石這類(lèi)自然物質(zhì)接觸的地方往往是施工過(guò)程中較為重要的一個(gè)方面，因?yàn)槠浣佑|的緊密性與水工建筑物的滲漏、沉陷有關(guān)。因此在壩頭與岸坡的實(shí)際施工中，大體積混凝土的可能產(chǎn)生的接觸裂縫是需要密切注意的問(wèn)題。接觸裂縫的程度直接影響水工建筑物的質(zhì)量，在大壩蓄水使用時(shí)水的應(yīng)力時(shí)刻作用于壩頭與岸坡的接觸處，長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)使接觸部分產(chǎn)生裂縫，影響壩體的防滲效果，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)直接影響壩體安全。

2 大體積混凝土裂縫的成因分析

2.1 混凝土溫度應(yīng)力

在混凝土澆筑初期的短時(shí)間內(nèi)，一般為7d內(nèi)，大量的熱量通過(guò)水化熱過(guò)程釋放并聚集在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會(huì)使其內(nèi)部溫度在短時(shí)間內(nèi)快速升高。大體積混凝土由于其體積大，橫截面小，散熱慢，因此其水化過(guò)程凝聚的熱量長(zhǎng)時(shí)間被約束在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，致使其內(nèi)部溫度在短時(shí)間內(nèi)上升至30～50℃，甚至更高；而其表面的熱量由于處于外界環(huán)境，與內(nèi)部相比溫度就更容易散發(fā)，這樣就會(huì)使混凝土內(nèi)部與表面產(chǎn)生巨大的溫度差異，形成一個(gè)內(nèi)外溫度梯度比較陡的復(fù)雜的溫度場(chǎng)。內(nèi)部高溫的擴(kuò)張力使混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力增大，當(dāng)外部的拉應(yīng)力無(wú)法束縛時(shí)，就會(huì)在混凝土的表面產(chǎn)生裂縫，也就是膨脹性裂縫。當(dāng)水化過(guò)程放熱結(jié)束，混凝土逐漸開(kāi)始冷卻直至成型。此時(shí)大體積混凝土內(nèi)部聚集的熱量基本釋放結(jié)束，溫度下降較快，而混凝土外部由于與外界接觸，在溫度相對(duì)穩(wěn)定的情況下則降溫較少，內(nèi)部低溫的收縮力增大了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的拉應(yīng)力，而外部的壓應(yīng)力變化相對(duì)較少，這樣就會(huì)引發(fā)混凝土內(nèi)部裂縫的形成?；谝陨蟽牲c(diǎn)可以得出，不管是由放熱升溫階段產(chǎn)生的表面裂縫，還是在冷卻降溫階段產(chǎn)生的內(nèi)部裂縫，都是因?yàn)榇篌w積混凝土的溫度應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)其自身的抗拉強(qiáng)度。

2.2 混凝土收縮

大體積混凝土的收縮裂縫主要是指混凝土由于微觀或局部體積發(fā)生微小變化而產(chǎn)生的裂縫，主要是由干燥收縮和塑性收縮引起的。

2.2.1 干燥收縮

由干燥收縮引起的裂縫主要包含兩種，即干燥裂縫和自收縮裂縫。

（1）干燥裂縫

由于大體積混凝土表面干燥速度快，內(nèi)部干燥速度慢，在內(nèi)部未完全干燥，而表面已完全干燥時(shí)，就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生干燥裂縫。

（2）自收縮裂縫

自收縮裂縫與干燥裂縫的相同之處是都是由于混凝土中水分的消失導(dǎo)致的，不同之處就在于干燥裂縫是由于養(yǎng)護(hù)結(jié)束后混凝土內(nèi)外部硬化過(guò)程不同步，水分蒸發(fā)不平衡導(dǎo)致應(yīng)力變化進(jìn)而產(chǎn)生的裂縫；而自收縮裂縫是由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分的散失所導(dǎo)致的體積變化進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)部細(xì)孔引起的裂縫。

2.2.2 塑性收縮

塑性收縮主要發(fā)生在混凝土未凝固時(shí)的階段。混凝土未凝結(jié)硬化時(shí)，處于塑性階段，強(qiáng)度較小。而此時(shí)水泥活性較大，混凝土由于水化熱反應(yīng)溫度較高，混凝土泌出的水分較前期減少，當(dāng)受到來(lái)自外界的外力侵入，如高溫、大風(fēng)等天氣影響，若表面蒸發(fā)的水分不能得到及時(shí)的補(bǔ)充時(shí)，就會(huì)在混凝土的表面產(chǎn)生不規(guī)則的龜裂。引發(fā)塑性收縮裂縫出現(xiàn)的最主要的因素就是混凝土表面水分缺失。這種裂縫一般都出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)物的表面，屬于淺表的裂縫，但若不及時(shí)修復(fù)，也會(huì)影響混凝土的防滲性。

2.3 外部約束

由于大體積混凝土水化發(fā)熱會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，再加之混凝土的收縮，這兩方面產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)疊加作用于無(wú)束縛的混凝土結(jié)構(gòu)；而在這些應(yīng)力疊加發(fā)展的過(guò)程中，如果再受到外圍邊界的作用，三方面應(yīng)力就會(huì)再次疊加，共同作用于混凝土結(jié)構(gòu)。在實(shí)際施工過(guò)程中，壩頭處的大體積混凝土結(jié)構(gòu)需要直接連接在堅(jiān)硬的岸坡圍巖上，若圍巖未清理到位，如接觸面泥沙或巖石風(fēng)化層未清除干凈，就會(huì)降低混凝土與巖石接觸面的緊密性，影響大壩的抗滑穩(wěn)定性。

3 大體積混凝土裂縫防控措施

3.1 溫度裂縫的防控措施

大體積混凝土溫度控制的措施主要有以下幾個(gè)方面：減少混凝土的發(fā)熱量、降低混凝土的入倉(cāng)溫度、加速混凝土的散熱、加強(qiáng)混凝土的溫度監(jiān)控與檢測(cè)。

3.2 收縮裂縫的防控措施

3.2.1 干燥收縮裂縫的防控措施

（1）干燥裂縫的防控措施

針對(duì)干燥裂縫的防控，首先應(yīng)采用低發(fā)熱量的水泥。其次可以加入減水劑。減水劑的增加在節(jié)約水泥的用量的基礎(chǔ)上還能減少混凝土的發(fā)熱量。另外應(yīng)加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。在混凝土澆筑完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作，對(duì)于塑性混凝土應(yīng)該在澆筑完畢后的18h以內(nèi)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)；對(duì)于低塑性的混凝土適宜在澆筑完成以后立即開(kāi)始養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)可以采取噴霧養(yǎng)護(hù)的方式進(jìn)行，并同時(shí)進(jìn)行灑水，從而確保混凝土的表面始終保持在一個(gè)濕潤(rùn)的環(huán)境下。養(yǎng)護(hù)的方式可以根據(jù)混凝土的種類(lèi)和特性進(jìn)行，一般分為灑水養(yǎng)護(hù)、覆蓋養(yǎng)護(hù)和化學(xué)劑養(yǎng)護(hù)。

（2）自收縮裂縫的防控措施

相對(duì)濕度是導(dǎo)致大體積混凝土自收縮的重要原因，而水灰比是影響相對(duì)濕度的關(guān)鍵因素。當(dāng)水灰比在大于等于50%時(shí)，混凝土的自收縮效應(yīng)可以幾乎忽略不計(jì)，當(dāng)其低于這個(gè)值時(shí)，就可能誘發(fā)自收縮的產(chǎn)生，從而出現(xiàn)裂縫。據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)水灰比小于35%時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相對(duì)濕度就會(huì)很快下降1/5甚至更多。因此在實(shí)際的施工過(guò)程中，可以采用添加減水劑的方式，這樣可以在保證大體積混凝土強(qiáng)度的前提下，增大混凝土的坍落度，提高其相對(duì)濕度，不至于因?yàn)樗磻?yīng)消耗掉過(guò)多的水分而發(fā)生自干燥效應(yīng)，同時(shí)混凝土的強(qiáng)度得到了保證，可使混凝土更好的抵消收縮應(yīng)力的作用。同時(shí)減水劑會(huì)使單位體積的水分中需要的水泥用量減少，這樣會(huì)大大的增大水灰比，減小自收縮裂縫產(chǎn)生的可能性。其次，可以使用中低發(fā)熱量的水泥，比如粉煤灰硅酸鹽水泥或者火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等，從而降低發(fā)熱量，減少因?yàn)闊崃康纳⑹Ф鴰ё哌^(guò)多的水分導(dǎo)致相對(duì)混凝土相對(duì)濕度降低。另外，設(shè)置合理的施工縫。當(dāng)混凝土體積發(fā)生變化時(shí)，施工縫可以很好的提供給其緩沖的空間，避免裂縫的產(chǎn)生。最后，加強(qiáng)施工工藝流程的科學(xué)合理性，提高混凝土的拌合效率，加大熱量的散失力度，注意養(yǎng)護(hù)，避免水分的過(guò)分散失。

3.2.2 塑性收縮裂縫的防控措施

針對(duì)塑性收縮裂縫，可以采用強(qiáng)度等級(jí)高的水泥，比如普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥的密度在3100～3200kg/m3之間，可以滿足混凝土在終凝前的抗收縮強(qiáng)度。其次，在混凝土結(jié)構(gòu)施工之前，可以將混凝土的模板和基礎(chǔ)底座支撐面適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行濕潤(rùn)，以補(bǔ)充混凝土塑性后期水分的散失。另外，對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)要及時(shí)且時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)。應(yīng)及時(shí)進(jìn)行草蓋覆蓋養(yǎng)護(hù)或者塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，防止混凝土表面水分的過(guò)分散失，在高溫季節(jié)還應(yīng)間歇性的進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，及時(shí)補(bǔ)充水分，使混凝土一直處于濕潤(rùn)的環(huán)境中，防止塑性裂縫的產(chǎn)生。

3.3 接觸裂縫的防控措施

大壩壩體與兩邊岸坡的連接處，是蓄水后受力的重點(diǎn)區(qū)域。混凝土作為一種凝膠型復(fù)合材料，與岸坡的巖石這類(lèi)天然材料相結(jié)合時(shí)，應(yīng)特別注意連接的緊密程度，因?yàn)樵诖髩涡钏褂脮r(shí)，會(huì)直接影響大壩的抗滑穩(wěn)定性。對(duì)于連接處的施工步驟，應(yīng)特別注意的是在施工前需要將圍巖的泥沙清理干凈、風(fēng)化的巖面除去，露出堅(jiān)硬的巖石，在巖石上開(kāi)鑿出縫槽，將混凝土“插”入縫槽澆筑，以增連接的緊密性。在此基礎(chǔ)上將混凝土與巖石間增加錨筋，則會(huì)使緊密性進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了針對(duì)不同因素導(dǎo)致的大體積混凝土裂縫的防控措施，由于裂縫后期修復(fù)較前期防控復(fù)雜，因此在實(shí)際的施工過(guò)程中應(yīng)以預(yù)防為主，防治結(jié)合，就能更加有效地應(yīng)對(duì)大體積混凝土裂縫問(wèn)題。