大體積混凝土開(kāi)裂的原因及防裂措施

許雪艷

（山西旅游職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030031）

1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)

1.1 施工復(fù)雜度高

大體積混凝土施工受材料、施工工藝、環(huán)境溫度等內(nèi)、外因素影響，施工復(fù)雜度高，可能因?qū)δ承┮蛩毓芸夭坏轿欢霈F(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，大體積混凝土對(duì)溫度較為敏感，如混凝土澆筑時(shí)，水泥水化熱導(dǎo)致溫度升高，不利于混凝土正常成型，此外，環(huán)境溫度等均有可能影響混凝土的施工質(zhì)量。

1.2 裂縫的發(fā)生率高

大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸較大，施工時(shí)，所用混凝土材料較多，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土澆筑過(guò)程中會(huì)伴隨劇烈的水化熱，若水化熱程度未在許可范圍內(nèi)，將引起溫度應(yīng)力和應(yīng)力收縮，使大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)完整性、穩(wěn)定性、防水性等多項(xiàng)性能。

2 大體積混凝土裂縫成因

設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)階段的工作未落實(shí)到位均有可能引起大體積混凝土裂縫，各自又細(xì)分為諸多因素，具體如圖1 所示。

圖1 裂縫產(chǎn)生的原因

可根據(jù)裂縫類型不同，探尋成因。

2.1 干縮裂縫

混凝土與水混合時(shí)，有明顯的水分蒸發(fā)現(xiàn)象，由于水分降低，混凝土內(nèi)部開(kāi)始干縮，出現(xiàn)不同程度的干縮裂縫。隨著水分蒸發(fā)量增加，內(nèi)部收縮愈發(fā)劇烈，產(chǎn)生的拉應(yīng)力較強(qiáng)，混凝土成型過(guò)程中出現(xiàn)異常，表現(xiàn)出表面干縮裂縫。

2.2 沉陷裂縫

若建筑物地基缺乏均勻性，或建筑建設(shè)在松散土質(zhì)中，建筑物會(huì)隨基礎(chǔ)沉降而下沉，此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)沉陷裂縫。若混凝土施工時(shí)模板間距較大或所用模板強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，混凝土施工后，也容易出現(xiàn)沉陷裂縫。

2.3 溫度裂縫

混凝土澆筑后發(fā)生凝固和硬化，水泥水化熱在此階段釋放熱量，而大體積混凝土施工時(shí)材料用量較大，水泥水化熱劇烈，外部混凝土的熱量可正常散失，而內(nèi)部混凝土因封閉性較強(qiáng)而出現(xiàn)熱量持續(xù)積累的情況，迫使內(nèi)部溫度大幅升高，大體積混凝土內(nèi)、外存在明顯溫差。由于溫度的差異化，混凝土內(nèi)部和外部表現(xiàn)出不同程度的熱脹冷縮，內(nèi)部溫度較高發(fā)生膨脹，產(chǎn)生較強(qiáng)的拉應(yīng)力，并作用于混凝土表面，混凝土無(wú)法承受過(guò)強(qiáng)的拉應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)裂縫，且隨著拉應(yīng)力的增加，裂縫愈發(fā)明顯。

2.1.2 結(jié)構(gòu)變動(dòng)度分析[8-10]。結(jié)構(gòu)變動(dòng)度是一種分析費(fèi)用構(gòu)成總體特征和結(jié)構(gòu)變動(dòng)趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，最早用于經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域中居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的分析[11]，近幾年在醫(yī)療衛(wèi)生費(fèi)用方面的應(yīng)用引起關(guān)注，且多項(xiàng)研究表明，結(jié)構(gòu)變動(dòng)度分析方法能對(duì)醫(yī)療收入的結(jié)構(gòu)變動(dòng)情況進(jìn)行有效的分析[9, 12, 13]。

3 大體積混凝土防裂措施

防裂的基本思路如圖2 所示。

圖2 大體積混凝土防裂措施

3.1 科學(xué)設(shè)計(jì)

經(jīng)周密設(shè)計(jì)后，從源頭上降低裂縫的發(fā)生率，以大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)為例，作如下分析：

（1）精心挑選高強(qiáng)度鋼筋，規(guī)劃鋼筋的布設(shè)區(qū)域，協(xié)調(diào)各鋼筋位置?？茖W(xué)配筋，發(fā)揮鋼筋材料在提高混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性方面的作用。以厚度為400～600 mm 的墻板為例，若為此類墻體配置構(gòu)造鋼筋，可發(fā)揮出類似于溫度筋的作用，此時(shí)增設(shè)的鋼筋有助于提高混凝土的抗裂性能。宜按照小直徑、小間距的原則配置構(gòu)造筋，較可行的方案是采用直徑6～14mm 的構(gòu)造筋，按照100～150mm 的間距布設(shè)。若條件允許，根據(jù)對(duì)稱原則進(jìn)行全截面配筋。

（2）混凝土施工方法需合理，在設(shè)計(jì)階段考慮混凝土澆筑速度、澆筑方量、振搗頻率、振搗時(shí)間等。轉(zhuǎn)角和孔等局部混凝土強(qiáng)度低于其他部位，可能出現(xiàn)斷面突變現(xiàn)象，為予以規(guī)避，可采取增設(shè)鋼筋的方法。

（3）大體積混凝土施工量大，施工期間考慮因素較多，難以在混凝土澆筑過(guò)程中同步鋪設(shè)施工縫，因此，可采用后澆施工縫的方式，即在混凝土澆筑后進(jìn)行施工縫設(shè)置。若施工縫設(shè)計(jì)合理，將有效降低大體積混凝土凝結(jié)期間的應(yīng)力，避免因應(yīng)力作用過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)異常。

3.2 合理選取原材料

（1）水泥。大體積混凝土施工中，水泥有劇烈的水化熱，易引起裂縫。因此，在大體積混凝土施工中宜采用低熱水泥，而根據(jù)水化熱是其礦物成分與細(xì)度函數(shù)的規(guī)律，可通過(guò)優(yōu)化礦物組成和調(diào)節(jié)水泥細(xì)度等方法抑制水泥的水化熱。其中，提高熟料中C2S 和C4AF 含量，降低C3A 和C3S 含量具有可行性。

（2）活性混合材料。粉煤灰是混凝土施工中應(yīng)用較為廣泛且效果良好的活性混合材料，合理選擇粉煤灰類型并控制用量后，可減少水泥摻量，避免因水泥劇烈水化放熱而導(dǎo)致混凝土溫度異常。粉煤灰的火山灰反應(yīng)速度遲緩，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯發(fā)熱，以第7d 為例，其發(fā)熱量約為同條件下純硅酸鹽水泥的17%，據(jù)此進(jìn)一步分析兩種材料對(duì)混凝土內(nèi)部溫度升高的影響，若采用100kg 純硅酸鹽水泥，混凝土內(nèi)部溫升達(dá)到8℃～12℃，而調(diào)整為等量的粉煤灰后，將有效抑制溫度上升，降低頂峰溫度，且更長(zhǎng)時(shí)間后才會(huì)出現(xiàn)頂峰溫度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工及質(zhì)量控制均有利。摻入粉煤灰可改善混凝土的和易性，便于混凝土施工。

（3）外加劑。大體積混凝土中摻入外加劑主要具有如下作用：一是緩凝作用。水泥水化熱釋放的熱量高，混凝土內(nèi)部溫度和外部溫度存在差異，易因溫差過(guò)大而引起大體積混凝土開(kāi)裂。若向混凝土中摻入外加劑，可發(fā)揮其緩凝作用，放緩水泥的水化放熱速率，避免大體積混凝土內(nèi)部溫度異常升高，也便于散熱，從而避免溫度裂縫。二是高效減水作用。突出效果在于降低混凝土的拌和用水量，而在W/G 不變的條件下，拌制相同規(guī)模的混凝土?xí)r，水泥用量減少，從源頭上減弱水泥的水化熱作用，降低大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生率。

3.3 施工工藝控制

通過(guò)多項(xiàng)措施聯(lián)合控制大體積混凝土裂縫，具體見(jiàn)表1。

表1 大體積混凝土裂縫控制措施

實(shí)踐表明，大體積混凝土的表面系數(shù)明顯影響其溫度升高狀況和溫差程度，為強(qiáng)化溫度控制效果，建議單面、雙面散熱時(shí)，結(jié)構(gòu)斷面的最小厚度分別在75 cm 以上、100 cm 以上。

3.4 全面養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)方法需根據(jù)大體積混凝土施工環(huán)境而定，以夏季施工為例，夏季環(huán)境溫度較高，宜在混凝土終凝后覆蓋塑料膜和保溫層，適量灑水，避免混凝土干縮。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中及時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行控制，如混凝土硬化時(shí)，中心與表面以下50 mm 的溫差不大于20℃；表面以下50 mm 的溫度與表面外50 mm 處的溫度差不大于25℃；混凝土降溫速度不超過(guò)1.5℃/d；密切關(guān)注大體積混凝土各關(guān)鍵部位的溫度，確定溫差，在表面溫度與大氣溫度差值不大于20℃時(shí)，可撤除保溫層。

大體積混凝土溫度控制的關(guān)鍵特征值在于澆筑溫度Tp、最終穩(wěn)定溫度Tf、最高溫度Tm（取Tp和Tr的總和，其中Tr為混凝土的水化熱溫升）。因此，大體積混凝土內(nèi)外溫差為：

不同溫度指標(biāo)的控制難度存在差異，其中，Tf的高低與保溫條件和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有關(guān)，且易因氣候條件變化而發(fā)生波動(dòng)，缺乏可控性，宜將Tp和Tr作為溫差控制的重點(diǎn)對(duì)象。隨著Tp的提高，水泥水化速度加快，達(dá)到20℃、30℃時(shí)，第一個(gè)24h 內(nèi)水泥水化產(chǎn)生的熱量分別占7d 全部水化總熱量的43%、62.5%，混凝土僅以較短時(shí)間便達(dá)到溫度最高值，熱量散發(fā)時(shí)間縮短，混凝土溫度降低效果差。Tp的高低與原材料的初始溫度密切相關(guān)，為在許可范圍內(nèi)最大限度地降低Tp，可針對(duì)原材料采取降溫措施，或在條件允許時(shí)于環(huán)境溫度較低的時(shí)段施工。Tr的高低主要受水泥性質(zhì)和齡期的影響，關(guān)系式如下：

式中：

Co——單位水泥用量，kg/m3；

pc——混凝土表觀密度，kg/m3；

Ho——水泥水化熱，J/kg；

Cc——混凝土比熱容，J/kg·℃；

a——試驗(yàn)常數(shù)，視水泥特性而定，如早強(qiáng)水泥、普通水泥、中熱硅酸鹽水泥的a 值分別為1.2、1.0、0.9。

假定Cc取0.88J/kg·℃，pc取2 400kg/m3，則有：

即：水泥用量、水泥性質(zhì)與齡期、水化熱是影響水化熱溫升的關(guān)鍵因素，為有效控制大體積混凝土溫度，需從各關(guān)鍵因素著手，采取應(yīng)對(duì)措施。例如，選用水化放熱量低、放熱速度慢的水泥，在不影響混凝土性能的前提下，減少水泥用量，以免大體積混凝土施工較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈的水化放熱，從而降低大體積混凝土的內(nèi)部溫度，減小內(nèi)外溫差。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相關(guān)工程人員應(yīng)高度重視裂縫對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的影響，結(jié)合工程條件，做好設(shè)計(jì)、原材料選取、規(guī)范施工等工作，從源頭上預(yù)防裂縫，全面保證大體積混凝土的施工質(zhì)量。