大體積混凝土裂縫成因與預(yù)防控制措施應(yīng)用研究
——以華陽(yáng)街道28街坊J1-3地塊項(xiàng)目為例

殷攀

上海金鹿建設(shè)（集團(tuán)）有限公司 上海 200335

引言

隨著社會(huì)飛速發(fā)展，近幾十年我國(guó)大型基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)并得到了高速發(fā)展，如高層、超高層建筑，水利工程設(shè)施，公路鐵路橋梁等建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，其中大體積混凝土在各類(lèi)大型工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。眾多建設(shè)者們通過(guò)各類(lèi)工程實(shí)例作了大量實(shí)踐并積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。大量實(shí)踐以及豐富的施工經(jīng)驗(yàn)一方面可供后來(lái)者參考學(xué)習(xí)；另一方面也使得大體積混凝土施工技術(shù)得到了不斷的突破和發(fā)展[1]。

1 華陽(yáng)街道28街坊J1-3地塊項(xiàng)目概況

項(xiàng)目概況：地下建筑面積44160m2，挖土方量約13萬(wàn)m3，基坑安全等級(jí)為二級(jí)；區(qū)域底板混凝土理論計(jì)算使用量為3100m3，設(shè)計(jì)強(qiáng)度級(jí)別為35MPa，抗?jié)B級(jí)別為8級(jí)?；A(chǔ)底板厚分別為1000mm和2000mm，按規(guī)范《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB 50496-2018相關(guān)條款，該項(xiàng)目底板混凝土屬于大體積混凝土。部分區(qū)域在不采取混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管措施的情況下保證底板混凝土工程質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)、無(wú)裂縫、無(wú)滲漏等質(zhì)量缺陷是本工程施工過(guò)程質(zhì)量控制的重點(diǎn)問(wèn)題

2 大體積混凝土裂縫形成的原因

2.1 大體積混凝土定義

按照現(xiàn)行《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB 50496-2018中的表述，大體積混凝土為結(jié)構(gòu)最短幾何尺寸大于或等于1m的大方量混凝土結(jié)構(gòu)，或者混凝土收縮及膠凝材料水化熱導(dǎo)致的溫度差可能形成危害結(jié)構(gòu)安全的裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)。

按照美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)的定義，大體積混凝土為現(xiàn)場(chǎng)施工的大體積砼其尺寸之大，不得不考慮技術(shù)措施等應(yīng)對(duì)水化熱及水化熱導(dǎo)致的體積變化問(wèn)題，以最大限度減少開(kāi)裂。

按照日本建筑學(xué)會(huì)的定義，大體積混凝土為結(jié)構(gòu)截面最短尺寸大于80cm，水化產(chǎn)生熱量導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部環(huán)境之間溫度差可能大于25℃的砼結(jié)構(gòu)。

大體積混凝土的特點(diǎn)一是尺寸、體量特別大，二是水泥水化反應(yīng)時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)形成大量的熱，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)小使得膠凝材料水化產(chǎn)生的熱量被束縛在結(jié)構(gòu)內(nèi)部而難以散發(fā)出去，這就容易導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和外部產(chǎn)生較大溫差而產(chǎn)生溫度裂縫。

所以大體積混凝土不但要考慮尺寸、體量還得考慮膠凝材料的種類(lèi)、強(qiáng)度以及后期在環(huán)境中產(chǎn)生的熱量值計(jì)算[2]。

2.2 混凝土裂縫形成的原因

裂縫成因大致分為以下兩種：①溫度裂縫；②收縮裂縫。

2.2.1 溫度裂縫的成因。

2.2.1.1 大體積混凝土裂縫形成。溫差過(guò)大造成，膠凝材料在水化反應(yīng)期間釋放大量的熱量使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度不斷升高甚至達(dá)到六七十度，但此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度卻在三四十度左右?；炷恋臒醾鲗?dǎo)性能較差，剛澆筑完成不久時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)尚未形成有效強(qiáng)度，對(duì)水化熱快速升高積聚導(dǎo)致的體積變化約束較小，此時(shí)水化熱導(dǎo)致的應(yīng)力不大。伴隨混凝土齡期的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸升高，對(duì)混凝土溫度降低引起體積收縮變化的約束越來(lái)越大，也就使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)自身的抗拉強(qiáng)度小于溫度應(yīng)力時(shí)，大體積混凝土結(jié)構(gòu)外表逐漸形成溫度裂縫。一般這種情況暫時(shí)只發(fā)生在表面，不會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成影響，大體積混凝土整體結(jié)構(gòu)還是完整的。

2.2.1.2 外部溫度對(duì)大體積混凝土澆筑時(shí)的影響。大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，外部環(huán)境的溫度情況也是大體積混凝土裂縫形成的重要因素?；炷两Y(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度受混凝土入模溫度、水泥水化產(chǎn)生的熱量值和混凝土結(jié)構(gòu)自身散熱降溫等多種因素共同影響。外部環(huán)境溫度越高，混凝土的入模溫度越高；若外部環(huán)境溫度降低，會(huì)使混凝土溫度降低的幅度增大，尤其當(dāng)外部環(huán)境溫度急速下降時(shí)，就導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面與內(nèi)部的溫差增大，這對(duì)大體積混凝土極為不利。溫度相差越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也越大。因此，探究應(yīng)對(duì)溫度的合理方法，對(duì)預(yù)防大體積混凝土結(jié)構(gòu)因內(nèi)外溫度相差過(guò)大形成較大的溫度應(yīng)力，具有重要意義。

2.2.1.3 一些約束條件對(duì)裂縫的影響?；炷两Y(jié)構(gòu)溫差較大的同時(shí)還有外部條件對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，例如對(duì)大體積混凝土澆筑在平地面和工程樁上面進(jìn)行比較。當(dāng)澆筑在類(lèi)似均質(zhì)的平地面沒(méi)有樁基約束時(shí)，可以認(rèn)為大體積混凝土結(jié)構(gòu)可以自由膨脹收縮變形而不會(huì)產(chǎn)生裂縫。當(dāng)澆筑在樁基礎(chǔ)上時(shí)，樁基對(duì)局部的混凝土結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生了約束，大體積混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加約束應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

溫度裂縫產(chǎn)生的過(guò)程經(jīng)筆者分析可分以下三個(gè)階段：①第一階段裂縫—混凝土澆筑完畢后兩三天內(nèi)的升溫階段，期間混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度會(huì)急劇上升達(dá)到峰值而外部溫度上升緩慢。巨大溫度差引起的溫度應(yīng)力超過(guò)此時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致形成裂縫。②第二階段裂縫—當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部水化熱達(dá)到峰值過(guò)后的降溫階段，結(jié)構(gòu)物與周?chē)h(huán)境溫度接近，此時(shí)有別的結(jié)構(gòu)物對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有附加約束力，例如樁基對(duì)承臺(tái)混凝土約束產(chǎn)生的附加約束應(yīng)力，當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度小于該附加約束應(yīng)力時(shí)，大體積混凝土裂縫形成。③第三階段裂縫—當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)與外部周?chē)h(huán)境維持在一個(gè)穩(wěn)定的情況下時(shí)，環(huán)境發(fā)生改變，由于混凝土結(jié)構(gòu)與周?chē)h(huán)境導(dǎo)熱系數(shù)不一樣而形成溫度階梯，當(dāng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面與外部環(huán)境溫差超過(guò)規(guī)范允許的范圍時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生裂縫[3]。

圖1 混凝土從澆筑開(kāi)始內(nèi)、表溫差曲線(xiàn)

溫度控制：溫度裂縫一般認(rèn)為是難以避免的，但是要將其控制在規(guī)范允許范圍以?xún)?nèi)，需進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)和合理的技術(shù)措施，一般可以從混凝土澆筑開(kāi)始進(jìn)行測(cè)溫，包括出料的溫度、澆筑入模的溫度、周?chē)h(huán)境的溫度；在混凝土澆筑完成后、初凝前及時(shí)抹面和保溫保濕養(yǎng)護(hù)并且根據(jù)溫控的要求及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)溫度和濕度條件。如上圖所示，混凝土澆筑完成后內(nèi)部與外部的溫差在第30小時(shí)左右達(dá)到峰值，此時(shí)溫度應(yīng)力最大。在諸多的影響因素中，溫度、接觸界面、濕度、溫差、混凝土初凝時(shí)間、風(fēng)速等影響較大，特別是風(fēng)速大溫度低時(shí)，混凝土最高升溫將降低，這與實(shí)際測(cè)量比較是吻合的。但是也得避免降溫過(guò)快形成較大的溫度差，在高溫季節(jié)可采取蓄水等養(yǎng)護(hù)措施，低溫季節(jié)可采取加蓋泡沫保溫海綿等養(yǎng)護(hù)措施。如果大體積混凝土結(jié)構(gòu)處于大風(fēng)、氣候干燥的地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)在模板拆除后，需盡快采取防風(fēng)和保溫措施，條件允許時(shí)，及時(shí)進(jìn)行回填土是很好的保護(hù)措施，最終結(jié)果表明，這些措施對(duì)混凝的溫度影響系數(shù)的改變，裂縫的控制是成功有效的[4]。

2.2.2 收縮裂縫。拌和混凝土所需的用水中，水泥水化真正需要的水量大概僅有20%，后期會(huì)蒸發(fā)剩余的80%水量?；炷两Y(jié)構(gòu)隨著水泥水化過(guò)程及齡期的增加，體積會(huì)發(fā)生變化，大部分屬于收縮變形，少部分是膨脹變形，起主要決定性影響的因素是拌和混凝土中膠凝材料的屬性。混凝土中水化所需水量之外多出水量的蒸發(fā)是造成混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形的一個(gè)重要原因。這種硬化收縮變形若存在外界附加約束，就會(huì)導(dǎo)致收縮應(yīng)力形成。在混凝土澆筑過(guò)程中振搗不密實(shí)或者過(guò)振導(dǎo)致面層浮漿過(guò)多，澆筑完成后、初凝前沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行抹壓，未及時(shí)進(jìn)行覆蓋，遭受風(fēng)吹日曬使得表面水分散發(fā)過(guò)快而產(chǎn)生干縮。當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度小于結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力時(shí)，大體積混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)形成收縮裂縫，這種收縮裂縫在泵送大體積大流態(tài)混凝土施工中是非常常見(jiàn)的。

3 大體積混凝土質(zhì)量保證與裂縫預(yù)防措施

3.1 選用中、低水化熱水泥

水泥水化熱會(huì)造成混凝土升溫，因此選用低水化熱的水泥可以有效減少升溫。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)多采用等級(jí)為42.5礦渣硅酸鹽水泥。根據(jù)水泥水化熱理論數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看：強(qiáng)度等級(jí)為42.5礦渣硅酸鹽水泥3天水化熱為180kJ/kg，但強(qiáng)度等級(jí)為42.5普通硅酸鹽水泥為250kJ/kg，相對(duì)而言水化熱減少了28%。

3.2 摻加減水劑木質(zhì)素磺酸鈣

木質(zhì)素磺酸鈣簡(jiǎn)稱(chēng)木鈣，是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，具有較強(qiáng)的黏結(jié)性、分散性、螯合性等特點(diǎn)。一般作為混凝土拌和外加劑使用時(shí)，摻加量大約為水泥用量的0.25%～0.3%，可使用水量減少10%～14%以上，從而減少水化產(chǎn)生的熱量，延緩水化熱的釋放速率，熱量釋放峰值也較不摻時(shí)推遲，改善了混凝土和易性，提高了工程質(zhì)量。夏季使用，可以使混凝土初凝和終凝時(shí)間延遲5～8小時(shí)并且抑制坍落度損失。

3.3 摻加粉煤灰外摻料

相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，粉煤灰具有一定的活性，因此在混凝土中摻加一定數(shù)量的粉煤灰可以起到潤(rùn)滑作用，提升混凝土拌合物的粘塑性、可泵送性等性質(zhì)。同時(shí)，粉煤灰能夠代替少量水泥，縮減了水泥量，降低混凝土的水化熱[5]。

粉煤灰改善后期混凝土強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)使早期抗拉強(qiáng)度略微降低，對(duì)于早期抗拉要求較高的結(jié)構(gòu)在摻加粉煤灰時(shí)應(yīng)控制用量，否則會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋。

3.4 粗細(xì)骨料選擇

混凝土配置一般采用自然連續(xù)級(jí)配，這樣能確保混凝土有較好的和易性，以相對(duì)少量的水和水泥量獲得設(shè)計(jì)需求的抗壓強(qiáng)度。達(dá)到預(yù)定要求的同時(shí)，也發(fā)揮了水泥的最佳效用。粗骨料的最優(yōu)粒徑的選擇受到結(jié)構(gòu)物的配筋間距，模板形狀和施工工藝限制，因此在滿(mǎn)足施工的情況下，盡量選擇粒徑較大的粗骨料，就可以縮減拌合用水量，從而抑制混凝土的泌水、收縮。

3.5 采取切實(shí)有效的施工方法

依據(jù)大體積混凝土的泵送施工特點(diǎn)，混凝土澆筑可采用分段定點(diǎn)，統(tǒng)一坡度，薄層澆筑，循環(huán)推進(jìn)，一次到頂?shù)姆绞綕仓炷磷匀涣魈市纬傻钠露饶芘c泵送工藝相適應(yīng)，減少中間管道拆、改、移程序，提高工作效率，簡(jiǎn)化泌水處理，使上層與下層之間混凝土的澆筑時(shí)間間隔小于下層混凝土初凝時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)形成的坡度在出料口和坡腳兩處設(shè)置振動(dòng)器，分別保證上部和下部混凝土的振搗密實(shí)。隨著澆筑工作推進(jìn)，振動(dòng)設(shè)備隨時(shí)跟上保證整體混凝土澆筑質(zhì)量。大體積混凝土澆筑后的表層浮漿應(yīng)在初凝前盡快用鐵輥壓實(shí)以閉合收縮裂縫。

圖2 底板大體積混凝土澆筑分層分段順序

3.6 嚴(yán)格控制混凝土入模溫度

大體積混凝土宜選擇在春季、秋季或一天中溫度較低時(shí)施工，這樣可以使混凝土澆筑時(shí)的溫度較低。選擇在高溫季節(jié)施工時(shí)，需要采取合理措施降低混凝土拌合物澆筑時(shí)的溫度，在混凝土澆筑時(shí)最好有遮陽(yáng)措施，避免澆筑好的混凝土在太陽(yáng)底下暴曬。

3.6.1 粗骨料在混凝土中的比重約為50%，降低粗骨料的溫度也能夠很好地降低混凝土的出料溫度，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明粗骨料每降低5℃混凝土的出料溫度可降低1℃，所以在高溫季節(jié)用冷卻水對(duì)粗骨料進(jìn)行灑水降溫，保證骨料溫度降低，但是骨料灑水會(huì)造成含水率不穩(wěn)定從而導(dǎo)致拌和料的坍落度較大，嚴(yán)重的甚至離析，這就要求實(shí)驗(yàn)室工作人員做好混凝土施工配合比工作，適時(shí)作出調(diào)整。

3.6.2 用于大體積混凝土的水泥儲(chǔ)存場(chǎng)所應(yīng)通風(fēng)良好，水泥溫度不宜超過(guò)60℃，控制好水泥的溫度是確保混凝土拌合物入模溫度的有效措施。

3.6.3 高溫季節(jié)可采用經(jīng)冷水機(jī)冷卻后的水作為拌合用水，水溫通常在5℃，或者采用在水里加入碎冰塊來(lái)保證水溫穩(wěn)定。

3.7 增加適當(dāng)預(yù)埋件

在工期允許的條件下，厚度較大的混凝土可以采用水平分層澆筑，每層厚度在1.5m這樣，時(shí)間間隔7天以上，層之間設(shè)置抗縮鋼筋網(wǎng)片，這種方法可以很好地降低內(nèi)部溫度，減少人、材、機(jī)的投入，降低造價(jià)。

3.8 改進(jìn)施工技術(shù)

鋼材導(dǎo)熱系數(shù)高容易產(chǎn)生較大的溫度梯度，這也會(huì)誘發(fā)裂縫的產(chǎn)生，施工過(guò)程中一定要加強(qiáng)鋼筋設(shè)置區(qū)域的振搗抹壓和養(yǎng)護(hù)。

3.9 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

3.9.1 混凝土澆筑后條件允許應(yīng)盡快回填土，土基本具備了所有養(yǎng)護(hù)材料的特性，這對(duì)預(yù)防和控制裂縫產(chǎn)生非常有效。

3.9.2 當(dāng)需要采用覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)在12小時(shí)內(nèi)進(jìn)行覆蓋和灑水。對(duì)有抗?jié)B要求的混凝土，保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)不短于14天，期間需要混凝土表面保持濕潤(rùn)。白天溫度較高時(shí)可以可適當(dāng)揭開(kāi)散散熱，夜晚需要覆蓋密實(shí)[6]。

3.10 加強(qiáng)混凝土的測(cè)溫工作

圖3 溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

溫度測(cè)點(diǎn)布置：①能反映整個(gè)大體積混凝土的溫度場(chǎng)及溫度變化規(guī)律。②混凝土厚度不同區(qū)域、結(jié)構(gòu)中心部位和邊緣部位、厚度變化過(guò)渡段、由溫度導(dǎo)致的約束應(yīng)力較大部位，溫度變化可能大的區(qū)域加密布置，溫度變化小的區(qū)域稀疏布置。③大氣溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置在避免太陽(yáng)照射的通風(fēng)大氣環(huán)境中，測(cè)量混凝土環(huán)境溫度?！洞篌w積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB50496-2018)規(guī)定，混凝土體表的溫度與大氣溫度相差不超過(guò)20℃，在監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度時(shí)，還需要對(duì)大氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。④保溫層測(cè)點(diǎn)布置在混凝土上表面上被保溫層覆蓋，測(cè)量混凝土保溫層內(nèi)溫度?！痘炷两Y(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—2011）規(guī)定，“混凝土結(jié)構(gòu)外表面40～80mm以?xún)?nèi)位置與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度相差不宜超過(guò)25℃，同時(shí)與結(jié)構(gòu)外表溫度相差不宜超過(guò)25℃”。（測(cè)溫設(shè)置如圖所示）。

前五天每?jī)尚r(shí)測(cè)溫一次，之后每四小時(shí)測(cè)溫一次，直至溫度表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)可以停止觀(guān)測(cè)。根據(jù)施工的測(cè)溫情況看，混凝土內(nèi)部溫升的高峰值一般在3天內(nèi)產(chǎn)生，內(nèi)外溫差值在20℃左右，基本都控制在規(guī)范允許的范圍以?xún)?nèi)，未見(jiàn)異常。

3.11 其他注意事項(xiàng)

3.11.1 泵送大體積混凝土級(jí)配控制。采用泵送施工大體積混凝土?xí)r，泵送管時(shí)常會(huì)發(fā)生堵塞故障，因此混合料的可泵送性也不容忽視。須管線(xiàn)布置順暢，壓力和直徑滿(mǎn)足泵送要求；選擇良好的砂石級(jí)配，粗骨料一般不超過(guò)管徑1/3，砂率宜控制在40%～50%之間，坍落度控制在180mm～200mm之間。

3.11.2 大體積混凝土澆筑順序及泌水排出。大體積混凝土一次澆筑量大，因此混凝土模板側(cè)壓力也大，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件以及當(dāng)時(shí)的氣候條件，適當(dāng)設(shè)置混凝土澆筑層數(shù)同時(shí)混凝土的暴露面也不宜過(guò)大，以免造成后一層混凝土還沒(méi)施工完畢，前一層已經(jīng)凝結(jié)形成冷縫，對(duì)工程質(zhì)量造成影響。在澆筑混凝土?xí)r，盡量選擇從一個(gè)方向推進(jìn)澆筑，這樣在混凝土出現(xiàn)泌水時(shí)可以及時(shí)采取措施，泌水量少時(shí)可以用水桶提出來(lái)，泌水量大時(shí)可以采用小抽水泵直接抽出（如下圖所示）。這兩種方法都排除了施工階段的積水，并且簡(jiǎn)單易行[7]。

圖4 積水排出及混凝土澆筑、分層流程

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，此項(xiàng)目在施工前各種保證措施到位和充分科學(xué)預(yù)測(cè)的前提下，確保在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制以及施工后的監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)等工作，在沒(méi)有采取布置冷卻水管進(jìn)行降溫措施的情況下，仍然順利完成了底板大體積混凝土的施工工作。在后期的不斷監(jiān)測(cè)中并未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫出現(xiàn)。

施工前嚴(yán)格控制材料質(zhì)量關(guān)，混凝土中摻加聚丙烯纖維等都是提高混凝土抗拉強(qiáng)度的有效措施。使用水化熱低的水泥，降低單位體積水泥量，降低原拌和料溫度來(lái)控制混凝土入模溫度等措施，使混凝土內(nèi)部降溫來(lái)減小溫度應(yīng)力。如果措施得當(dāng)，某些情況下大體積混凝土施工不布置冷卻水管來(lái)降溫也可以做到無(wú)危害裂紋產(chǎn)生，同時(shí)還可以降低成本。